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时间的"维"
可变系时空多线矢主人 2011-2-6 23:23
时间的"维" 我在标题为:《时空是客观存在,及对其认识的简史》的帖子中,已经谈到: “一切物质都在时间和空间中运动”,研讨物质运动就必须研讨时间和空间。这就是说:“时间和空间”都是“物质运动”的属性。人们对“时间和空间”的认识也是从认识物体的“位置及其变动特性”开始的。 因为物体的位置及其变动是“相对的”,确定物体的位置及其变动就必须选定适当的轴矢坐标系。经典力学认为不同轴矢坐标系的时间是相同的,即所谓“绝对时间”,仅选定3维空间轴矢坐标系,而把时间仅当作3维空间位置矢量各分量坐标的一个参变量。空间位置矢量各分量的“模长”是时间的函数,而其函数的性质与形式是因其空间位置矢量运动的性质和特征的不同而不同。这里已经表明:时间与空间是互为函数关系的,既是互为函数关系,就无所谓并列、串列了。在此,时间只是空间位置矢量各分量的“模长”的函数,并非另外的1“维”! 但是,进而,大量实验(首先是著名的迈卡尔逊的光学实验),表明:“在任何惯性牵引运动参考系,真空中3维空间光速不随参考系的运动而改变”,此时,经典力学由“绝对时间”导出的“伽利略变换”已不适用。 洛仑兹仍在3维空间,仍按所谓“光在‘以太’中传播”,并且,“长度缩短、时间延迟”的观点,导出了符合实际的“洛仑兹变换”,但却不能证明所谓“以太“的客观存在,并导致一系列悖论,仍不能解释这个问题。 为此,狭义相对论才采用欧基里得4维时空的闵可夫斯基矢量表达客体的时空位置,即由4个彼此线性无关的 (对于正交系,为彼此正交的) 轴矢组成的轴矢系,表达时空位置矢量。其中,“时间”不仅是3维空间位置矢量各分量坐标的一个重要参变量,而且是与3个空间轴彼此线性无关的 (对于正交系,为彼此正交延的)另一轴矢 (时轴矢)的主角,“时轴分量“的模长由ict表达 (i是虚数符,即-1的平方根,c是惯性牵引运动参考系真空中3维空间光速,t是时间),这才能把时间作为3维空间之外的另1“维”! 而由此直接导出了相应的洛仑兹变换,才圆满地解决了这个问题。并从而建立起相对论性力学(大量高能粒子实验的设计和结果,都是证实了它的正确性)。 而经典力学只是其在3维空间的低速 (其在3维空间的运动速度与惯性牵引运动系真空中光速相比可以忽略) 的近似。 “物质运动”必须用统一的4维时空位置1-线矢才能确切表达。“时间和空间” 描述“物质运动”状态和规律的一种“统一体”的密不可分的两个参量。它们的这种特性,是人们在实践中逐步认识到,又在实践中反复检验,能与客观实际相符的认识。
个人分类: 物理|2302 次阅读|0 个评论
是流氓软件培育了我们,还是我们培育了流氓软件
热度 3 zxczxc0417 2011-2-5 07:31
是流氓软件培育了我们,还是我们培育了流氓软件
是流氓软件培育了我们,还是我们培育了流氓软件
个人分类: 生活点滴|3711 次阅读|0 个评论
有空时读读FASEB J的社论
热度 1 liluyuan 2011-1-6 01:26
有空时读读FASEB J的社论
美国的FASEB Journal是一本我喜欢的科学杂志,尤其是这本杂志每一期 由主编Gerald Weissmann主笔的社论,不光是言之有物,还常常是笔下生花。 记得Weissmann写过一篇社论,讲科学论文摘要的写作。他说,如果你的科学论文是一篇散文(Prose),那么这篇文章的摘要则是一首诗(Poem)。这个比喻毫不过分地强调了文字简练、明快,构思精致,语言表达准确,并且有“郁郁夫文采”对于摘要的重要性。事实上,很多人(没有做过调查统计,但我估计是多数人)读科学论文先读摘要。摘要有吸引力,才进一步去读文章。根据我的经验,美国很多教授审查科研基金申请也是先用五分钟读摘要。摘要如果没有吸引力,这篇申请书多半要进垃圾桶。 Weissmann最近有篇社论,纪念“历史上第一位女科学家”、公元4世纪埃及亚历山大港的希帕蒂娅(Hypatia)。她在那时已经得出天体运动轨迹不是正圆而是椭圆的结论,并开始思考“日心说”,早于伽利略一千年。希帕蒂娅对真理的执着追求,她对束缚人的头脑的宗教教条的严格批评,和她在思想界的巨大影响,使她成为刚刚得势的基督教教堂的敌人。六十岁时,希帕蒂娅被埃及主教、后来被封圣的圣西利尔(St. Cyril)麾下的基督教暴徒在大街上绑架,用贝壳凌迟处死,成为第一个为科学献出生命的科学家。希帕蒂娅的死标志了希腊-罗马哲学和科学的式微。欧洲从此堕入中世纪的漫漫长夜。电影Agora讲的就是希帕蒂娅的故事。 Weissmann的社论引用的一段希帕蒂娅的语录说:“Fables should be taught as fables, myths as myths, and miracles as poetic fancies. To teach superstitions as truths is a most terrible thing. The child mind accepts and believes them, and only through great pain and perhaps tragedy can he be in after years relieved of them. In fact men will fight for a superstition quite as quickly as for a living truth often more so”。说得何其好! 有空时,读一读科学杂志上科学论文以外的内容是件赏心悦目的事。除增加知识外,读一些老资格编辑的文字,能够帮助英语非母语的人(甚至英语为母语的人)了解英文的修辞和文采,写出更好的英文。 Portrait of Hypatia of Alexandria (c355–415 CE)
个人分类: 未分类|5299 次阅读|1 个评论
[转载]伽利略首颗实验卫星运行
weixiuping 2010-12-30 09:54
伽利略首颗实验卫星运行良好 科技日报 总部位于巴黎的欧洲航天局 28 日宣布,欧洲伽利略全球卫星导航系统(简称伽利略计划)首颗实验卫星 GIOVE - A 自 2005 年发射以来,在太空中运行良好,为今后正式卫星的发射奠定了基础。 GIOVE 项目负责人瓦尔特 阿尔普表示, GIOVE - A 和随后发射的 GIOVE - B 设计寿命均为 27 个月,但前者至今已在太空中停留了 60 个月,却依然呈现出良好的状态。他认为,除了设计合理,这颗卫星的 长寿 也有运气的成分,因为它运行的 5 年正值太阳活动相对平静的阶段,这意味着它受到的宇宙辐射大大低于预期,损毁的程度也相对小。 2010 :伽利略计划遥望终点 科技日报 2010 年,欧洲的伽利略计划在压力下向前推进。伽利略初始运行能力( IOC ) 6 个采购合同成功授出 4 个,多个伽利略系统的地面站和控制中心陆续竣工,被屡次推迟并一再追加投资的伽利略卫星导航系统向 2014 年完成初步部署并具备初始运行能力迈出了重要一步。 伽利略计划在不断推进 2010 年,经过多方协调,欧盟委员会最终授出 6 个伽利略初始运行能力( IOC )采购合同中的 4 份。这些合同的授出意味着伽利略计划全面启动了建造 伽利略 运行基础设施的工作。 伽利略计划基础设施建设阶段总耗资约 34 亿欧元,如何分配这个大 蛋糕 曾是欧盟的一个难题,各国也都为了本国的公司能够多分一杯羹而争吵不断。目前获益最大的仍是航天技术领先的德意法英等国。其中,意大利泰利斯阿莱尼亚太空公司获得了系统支持服务项目合同,价值 8500 万欧元;德国 OHB 公司领衔囊获卫星项目合同(建造前 14 颗卫星),合同总额 5.66 亿欧元;法国阿里安太空公司赢得了卫星发射服务项目合同,合同价值 3.97 亿欧元;运行阶段的空间和地面设施管理项目合同则授予由德国航空航天中心和意大利空间通信公司联合建立的 Spaceopal 公司,合同金额约 1.94 亿欧元。剩下的地面基础设施完成项目和地面控制中心完成项目两个合同预计将于 2011 年签署。 另外, 2010 年,多个伽利略卫星导航系统的地面站和控制中心陆续建成。包括 2010 年 10 月 6 日建成的伽利略卫星导航系统全球服务网络最远的站点之一,位于南太平洋中的新喀里多尼亚 (New Caledonia ,法国的海外领地 ) 监测站; 2010 年 12 月 13 日正式落成的伽利略卫星导航系统,位于瑞典北部基律纳市的地面站;以及 2010 年 12 月 20 日投入使用的伽利略卫星导航系统,位于意大利富奇诺的控制中心等。 加之此前已经建成的地面站点,如 2009 年 11 月 19 日落成的位于法属圭亚那库鲁航天中心的库鲁地面站等,伽利略导航系统地面配套设施的建设已经取得阶段性成果。自 2008 年 4 月基础设施建设阶段正式启动以来,伽利略计划虽然不像想象中的顺利,但却一直在不断向前推进, 2014 年完成初步部署并具备初始运行能力已经不再遥不可及。 伽利略计划面临资金压力    2010 年,推进中的伽利略计划暴露出了其面临的沉重资金压力。由于原计划 2008 年投入使用的伽利略系统延期至 2018 年。增加的费用主要来自火箭发射费、安全保险费的提高,以及延期的费用等。 伽利略计划可能面临长期亏损,在未来 20 年里需要的补贴可能高达 150 亿欧元。伽利略计划未来平均每年的费用将达到 7.5 亿欧元,而现在的预算是每年只投入 2.5 亿欧元。目前来看,伽利略卫星导航系统的商业用途可能不会像最初设想的那样大,它与最大客户美国 GPS 全球定位系统的合作是免费的,并且还将面临来自俄罗斯的 GLONASS 竞争。 因此,作为伽利略计划主要的出资者之一,德国政府于 2010 年 10 月 24 日明确要求欧盟委员会提出可行性方案,以削减伽利略全球卫星导航系统的实施成本。 伽利略计划的挑战和机遇 虽然面临投资增加以及多次延期的压力,伽利略计划作为欧洲独立于美国的重要一步,仍然得到了欧洲各国的支持。 为了降低风险并增加灵活性,欧盟委员会已经采取了双源策略,规定任何一家公司不能成为超过两类合同的主承包商,而每种产品都必须有两家不同的供应商等。 在技术方面,当 2005 年 12 月 28 日伽利略计划首颗实验卫星 GIOVE - A 被顺利送入太空轨道时,该系统在兼容性和精确度等设计方面都优于当时美国的 GPS 全球卫星定位系统。在大规模微芯片制造、星载铷原子钟 (RAFS) 以及遍布全球的监测站等方面,伽利略系统与 GLONASS 和北斗系统相比仍有一定优势。 与北斗相比,伽利略系统在未来应用市场领域仍占据很大的优势。这一方面得益于伽利略系统从设计之初就定位于民用服务,一直以来大力推动伽利略系统的拓展服务研究与应用;另一方面也和参加伽利略计划的国家和地区众多有关。而换个角度看,或许作为两个第二梯队的 运动员 ,伽利略和北斗真正的对手并不是彼此,而是早已成功运行多年的 GPS 和 GLONASS ,因此携手合作共同进步才是解决问题的最好办法。
个人分类: 遥感快讯|2610 次阅读|0 个评论
雨中游比萨
harveyho 2010-10-8 17:12
戴世强教授有关伽利略的 博文 里提到著名的比萨斜塔。 大概每个初中生都知道那个实验(我印象好像是英文课?)。想起在意大利游历时雨中游比萨的情景。趁着记忆还鲜活,写一点以图配文,以和戴教授博文。 由佛罗伦萨出发,约一个钟头到比萨。经过的是美丽的托斯卡尼(Tuscany)乡村景色。与德国巴伐利亚郊外的郁郁葱葱不同,这里多了一种黄色调。 惜时有阵雨,到比萨时正大雨,衣衫尽湿。比萨斜塔比想象中还要斜,在雨间歇停的片刻抓拍。 看这个斜度,就知道要确保这座塔不倒掉的工程的难度了。 阳光也露出一点,给乌黑的云镶个金边。 游客利用塔的斜度扮各种动作,有时搞怪到让人忍俊不禁。 其实比萨斜塔旁边的大教堂才是主角,塔本是配套建筑。因其斜,因伽利略的实验而名声大噪。知道这个美丽的教堂的人反而不多。 不管世间的我们如何吵吵嚷嚷,为仕途,钱途,基金,地位,院士衔头斗个你死我活,到头来一杯黄土恩仇尽抿。能在这历史长河里写下重重一笔的寥若晨星。 而伽利略深沉犀利的思考,充满勇气的实验论证,美丽而简单的数学推理,将随人类历史的延绵而永存。
个人分类: 人在旅途|3871 次阅读|2 个评论
科学方法漫话-2:伽利略的科研方法——从自由落体定律的发现谈起
sqdai 2010-10-8 07:22
大家知道,伽利略是现代科学方法奠基人,他的不朽著作 《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》 和《关于两门新科学的对话》开了现代科学的先河。他首次较为系统地运用现代科学的基本研究方法,在科学研究特别是在力学研究中,以实验方法为核心,综合采用逻辑方法、观察方法、抽象方法、数学方法等基本方法,解决了一系列重要问题。现以自由落体研究为例,对此加以阐释。 挑战权威 伽利略从不迷信权威,善于观察和思考,敢于向权威挑战。关于自由落体,当时风行的是亚里士多德的错误观点:落体以匀速下落,速度与落体的重量成正比。伽利略经过深思熟虑和周密部署,开始出战了。 逻辑分析 作为第一步,伽利略采用逻辑方法,设计了一个思想实验:用短绳系住重量不同的大小石块,使之自由下落,按亚里士多德观点导得矛盾。他在《关于两门新科学的对话》( 56 ~ 62 页)对此作了有趣的描述:显然当把两者合在一起时,较慢的物体使较快的物体有些减速,而较快的物体使较慢的物体有些加速。 如果一块大石头具有速度8,而一块较小的石头具有速度4,那么当它们合在一起时,系统将以比8为低的速度运动;而当把它们绑在一起时就变成一块比原来以速度8运动的石头还要大的石头。所以,较重的物体比较轻的物体以较低的速度运动;结果是与你推测的矛盾。 因此,亚里士多德的理论无法自圆其说!亦即,演绎逻辑的创始人亚里士多德犯了低级的逻辑错误! 观察分析 伽利略比他的前辈高明之处在于把逻辑方法与观察、实验方法结合起来。 1589 年进行了比萨斜塔落体试验,观察到 10 磅 的球与 1 磅 的球同时落地,初步验证了他的逻辑分析结果。(参看博文《不屈不挠 忍辱负重记现代科学之父伽利略》)。 实验分析 严格说来,比萨斜塔落体试验只是一种观察,较为被动,而不是经过精心设计的实验(关于观察方法与实验方法的区别详见以后的博文)。因比萨斜塔的高度仅为 56 米 ,落体落地过快,不易看清,当时也无条件进行精密测量。因此,伽利略设计了两种实验:斜面实验和单摆实验。前者实际上是一种 冲淡引力 的实验,小球在光滑斜面上滑落,使得实际收到的引力作用减小,实验发现,大小球滚动速度相同,且与斜面夹角无关。接着的单摆实验中,他发现只要摆长相同,摆动速度就相同,与摆重无关。这样,就从两个角度演证了自由落体运动。 数学分析 伽利略在斜面实验的基础上,采用初等数学方法,确立了物体下落时的加速度、时间的数量的关系,亦即目前中学物理学中所描述的数学分析。这里,他清晰地引进了加速度的概念。从而,使自由落体定律成为铁板钉钉的理论,亚里士多德理论就此落败。 抽象分析 伽利略并未就此停步。他进一步做了双斜面实验,将两个光滑斜面相向放置于桌面上,各自与桌面的夹角相同,发现从一个斜面上滚落的小球,到达对面的斜面的同一高度后往回滑落,在同一高度上往返滚动。接着,他又做了思想实验:设想斜面与桌面的夹角为九十度时,就回到自由落体情形;设想斜面与桌面的夹角趋于零度时,滚落的小球就会无休止地前行,这样他发现了惯性,实际上得到了牛顿第一定律惯性定律! 当然,作为物理学家、力学家,他敏感地抓住了阻力问题。他知道,阻力是无法避免的,他的后一个思想实验在实践中无法实现,在他的《关于两门新科学的对话》一书中有详尽的讨论,这里不予赘述。 综上所述,我们可以了解到,伽利略善于针对科学研究的实际需要,综合运用不同的科学方法,使之相辅相成、相互补充,形成一套比较完整系统的方法。他在谈到自由落体研究时说:这是第一次为新的方法打开了大门,这种将带来大量奇妙成果的新方法,在未来的年代里会博得许多人的重视。一门博大精深的科学已经出现,我们的工作仅仅是一个开端。他身后的现代科学发展史证实了他的真知灼见。 伽利略做比萨斜塔落体试验距今恰好 420 周年,我们作为后来者,是否更应该多多聆听这位科学大师的声音,学学他的科学方法和治学之道呢? 本文主要参考资料: 1. 库兹涅佐夫, Б. Г. , 伽利略传,商务印书馆, 2001 。 2. 林徳宏,张相轮,创造的动力丛书( 2 )科学方法卷,安徽教育出版社, 2001 。 3. 周立伟,科学研究的途径,北京理工大学出版社, 2007 。 4. 伽利略,关于两门新科学的对话,武际可译,北京大学出版社, 2006 。 写于 2009 年 4 月 20 日晨 http://blog.lehu.shu.edu.cn/sqdai/A69479.html
个人分类: 科研方略|12708 次阅读|17 个评论
科学家风采(10)不屈不挠斗凶顽——记伽利略
sqdai 2010-10-8 06:38
我们有时抱怨科研环境不够理想,不如意事常八九。如果把历史的车轮倒转四百年,与罗马教廷统辖一切的欧洲相比,我们科学工作者的遭际要幸福得多了,至少,我们不会因为坚持自然科学的真理而惨遭迫害,乃至有性命之虞吧!比如说,不会像布鲁诺在 1600 年由于力主“日心说”而丧身火海吧! 今天我们就来介绍那个“乌云压城城欲摧”的黑暗年代的伟大的力学家、天文学家——伽利略( 1564 - 1642 )。 成就辉煌 伽利略是科技史上公认的现代科学之父。他开创了基于实验和观察的、且有严密逻辑体系的现代科学。 伽利略首次引进了力学中的惯性、加速度等概念,发现了自由落体定律、运动叠加原理、单摆运动周期性等,为牛顿力学开创了先河;他首次用自制的望远镜观测了天体,许多重大发现为哥白尼的日心说提供了有力支持;他提出的相对性原理成为自然科学研究的基石,也为爱因斯坦的相对论奠定了基础。 可惜的是,他生不逢时,不然,这位科学天才会有更加伟大的创造。他的一生是在与传统观念搏斗,与宗教裁判所抗争中度过的。 勇于创新 伽利略 1564 年 2 月 15 日 生于意大利佛罗伦萨市附近的小镇比萨,他的父亲文森尼奥是一位数学家、音乐家,那时从事数学和音乐是不赚钱的职业,家境贫寒。家里把他送到比萨大学学医,而他对医学毫无兴趣,对力学、天文学却情有独钟,因得不到家里支持, 21 岁时被迫退学,经过四年苦心孤诣的自学和创造,伽利略因数学、物理学上的成就而名扬天下, 25 岁时被母校比萨大学聘为教授;不久,他父亲英年早逝,他挑起了支撑家庭的重担,生活十分艰辛。 伽利略生来好学多思,无私无畏,善于独立思考,敢于挑战权威。那时欧洲的学术界是亚里士多德学说的一统天下,他的思想被奉为金科玉律,不容置疑。比方说,亚里士多德认定,物体自由下落时,重量大者先落地,对此,一千多年间无人敢说一个“不”字。可是,伽利略偏不,他要在太岁头上动土了!经过缜密思考,他发现了亚里士多德自由落体说的破绽,决定对它公开宣战。 石破天惊 1589 年,伽利略 25 岁。他做了著名的比萨斜塔自由落体试验。 比萨斜塔始建于 1174 年,建成于 1268 年,共八层,高 54.5 米 (一说 56 米 ),由于施工失误,始建之后便逐渐倾斜,成了闻名遐尔的独特风景,也成了伽利略做落体观察、试验的好场所。只见他爬到斜塔的第七层,在众目睽睽之下,让手里各重 1 磅 和 10 磅 的两个球同时下落,很快,两球同时砰然落地!事实胜于雄辩,亚里士多德的落体理论遭到了毁灭性打击,科学史上揭开了崭新的一页!。 接着,伽利略又进行了细致研究,写成了《论运动》一文,批评了亚里士多德的物理学。乳臭未干的小子竟敢挑战大权威,这还了得!伽利略的作为不能见容于守旧的比萨大学校长和一帮老教授;这时,他还因故得罪了佛罗伦萨公国的柯斯摩公爵,被逐出了比萨大学。 幸而,当时在亚平宁半岛上还有学者的一个“自由王国”——威尼斯的帕多瓦大学,经他的朋友天文学家、数学家蒙特推荐, 1592 年,他到该校任教。 才华横溢 到了帕多瓦大学,伽利略的才能得到充分施展,他发现了物体斜面运动规律和单摆运动周期性,完善了自由落体学说,研究了地球的磁力线,制造了新型的罗盘和温度计等等。最重要的是,他开始关注天文学研究,并因此而改变了他的后半生。 1593 年,他在编写力学和筑城学课程大纲时,偶然接触到哥白尼的日心说; 1596 年,他看到开普勒的描述行星运动三大定律的新著《宇宙的奥秘》,去信致贺,次年,向开普勒表示相信哥白尼学说。这时,他开始自制望远镜,夜观天象。 1604 年,他发现了一颗新星,并力排众议,发表了关于新星的演讲。 创造历史 1609 年 8 月 21 日 ,这个日子注定要载入科学史史册。伽利略用自制的可放大 60 倍的望远镜在海边进行了公开演示。 12 月 1 日 ,他用望远镜观察了月亮和行星。科学发展史专家认为,这种观察和研究标志着现代科学的发端。距今正好 400 周年。 1610 年 1 月 7 日 夜,他发现了绕木星运动的四颗卫星; 1 月 10 夜,他观察到月球上的环形山,并将其中的最高峰命名为阿尔卑斯山;接着,他又观察了土星、水星、金星,研究了木星的轨道;天文学专著《星际使者》问世;随后,他又把望远镜镜头指向银河,发现它由一簇簇星星构成;翌年,他首次发现和记录了太阳黑子, 1613 年,《关于太阳黑子的信》在罗马发表。 他在天文学观察和研究的成果使他对哥白尼学说更加深信不疑,四处宣传地动说,越来越多的人开始相信他基于精确观测和严密推理建立的理论。 厄运临头 厄运悄悄地降临到伽利略的头上。 伽利略的发现和成功震撼了罗马教廷,因为他打乱了上帝所建立的“秩序”,亵渎了圣经,动摇了他们奉为至宝的托勒密地心宇宙体系。早在 1611 年,伽利略的反对者就把攻击他的黑材料送到了宗教裁判所; 1615 年 洛里尼神甫和卡西尼修道士向宗教裁判所密告,后者准备控告伽利略。 但是,伽利略还被蒙在鼓里。 1616 年春天,伽利略被骗到罗马,教会邀请他去讲学,给他以盛大欢迎。 3 月 6 日 ,红衣主教贝拉明家举行化妆舞会,伽利略应邀赴会。在灯红酒绿、握手言欢之际,图穷匕首见,贝拉明突然拿出罗马教廷头天作出的决议,重申地球的宇宙中心说,声讨日心说这一异教邪说,将哥白尼极其拥趸的著作列为禁书,否则严惩不贷。并且逼迫伽利略签字,保证执行此决议。 伽利略在这种软硬兼施的威逼下目瞪口呆,自知当时与教廷抗争无异于以卵击石,于是,违心地签了字。从此,他被剥夺了公开研究和宣传日心说的权利。 不折不挠 然而,在伽利略的内心深处并没有屈服于罗马教廷的恶势力。他表面上遵从教皇的禁令,实际上厉兵秣马,为日心说准备更多的理论依据。他精密测定了木星运动轨迹(航海家可据此在海上定位),细致研究了彗星运动, 1623 年出版了论述彗星的著作《试金天平》。 1624 年,传来新教皇乌尔班八世登基的消息,他暗中庆幸,因为新教皇是他的朋友;果然,不久就有了批准他出版潮汐理论方面的消息。他的心中涌动着希望,开始构思为日心说辩护的新专著 《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》 (简称《对话》)。书中,他虚构了三个人物:萨尔维亚蒂、沙格列陀和辛普利耶和,分别代表哥白尼、中间裁判人(当然有伽利略自己的影子)和亚里士多德-托勒密。伽利略充分动用了他的过人智慧,让前二者联手,用机敏隐讳的语言对亚里士多德-托勒密的代言人冷嘲热讽,尽力批驳地心说。历时六年, 1630 年全书写成,他小心翼翼地写了篇序言,居然蒙过了教会的长达一年多时间的审查, 1632 年 3 月,《对话》在佛罗伦萨出版。 随之,更可怕的厄运在等待着他。 惨遭迫害 伽利略高估了教皇的仁慈和明智,低估了教会人士的智能和残忍。尽管新教皇是伽利略的学生辈的朋友,经不住手下人(特别是那个贝拉明主教)的进谗和蛊惑,要对伽利略出狠招了! 1632 年 7 月,教皇听信谗言后震怒,明令《对话》禁止发行; 9 月 30 日 ,教会命令伽利略到罗马受审;年底,伽利略以 68 岁高龄和抱病之躯前去应审。 1633 年 3 月 12 日 他被押到宗教裁判所。主审官还是那个 33 年前主审布鲁诺、 17 年前诓骗过他的贝拉明主教。 法庭上,面对审判者颠倒黑白的无理指责,伽利略义正词严地进行了反驳。他说:“科学发展到今天,从望远镜里已经看到许多证据,我只不过将这些写出来供大家讨论,而你连这也不允许,这分明是要一个科学家去背弃自己的感情和那些无可否认的事实。这是你们在制造异端!”贝拉明理屈词穷,只得以判重罪相要挟。 审讯持续了三个多月,毫无结果。教皇大怒,下令对伽利略进行“严厉审判”。那个时代的“严厉审判”意味着将受审者折磨至死。他的老朋友和学生悲痛欲绝。伽利略却平静地说:“不管怎样,地球,我们大家,连同这座教堂,都在围绕太阳转动。” 6 月 22 日 ,罗马教廷判处他终身监禁。 奋斗不止 经伽利略的几位有地位的朋友求情,法庭才准许他离开罗马,到佛罗伦萨南面的锡耶纳大主教皮柯罗米尼家居住,由大主教实行监护;五个月后,教皇才“恩准”他回到阿切特里自己家中居住,条件是:不得私自去罗马,不许私自会见客人,不准进行科学讲演。 伽利略并没有从内心屈服。他继续从事力学和物理学研究,继续向亚里士多德的传统观念宣战。 1636 年,他开始撰写他的不朽的传世之作——《关于两门新科学的对话》(简称《新科学》),翌年完稿。此书是他的 30 多年力学科研的大集成。两门新科学指的是材料力学和动力学。《新科学》中介绍了他最早进行的梁的强度的实验,提出了等强度梁的概念,讨论了在重力作用下物体尺寸对强度的影响,提出了落体的最速降曲线问题,给出了重力场下能量守恒的早期叙述,给出了简单情形下的虚功原理,讨论了大气压力问题,叙述了摆的等时性现象,提出了光的传播速度的概念和一种测量光速的设想 …… ,如此等等。书中提出的新概念和新思想,无不对后来的科学发展产生深刻的影响。我们力学学子更应感恩于这位伟人。 《新科学》问世之时,伽利略双目失明。一位 16 岁的青年维维亚尼自动来到他的身边,担任他的秘书,由他口述自己的学术思想,维维亚尼记录下来,为后世了解伽利略的思想和观点留下了宝贵资料。 1640 年,年青的物理学家托里拆利来到他家,陪伴他工作,不久之后,托里拆利发明了气压计。 1642 年,伽利略在家中安然长逝,享年 78 岁。是年,牛顿降生。假若相信佛教的轮回转世,可能是,伽利略转世投胎,把发展科学的接力棒交给了牛顿,尽管后者的品德远不如前者。 冤案平反 1757 年,伽利略辞世后 115 年,罗马教会做出决定,解除对伽利略著作的禁令。 1992 年 11 月 31 日,教皇约翰 • 保罗二世为伽利略冤案平反,不再视他为罪犯,不再把他的名著《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》视为异端邪说。 伽利略的冤案持续了 360 年,是科学史上历时最久的一起冤案。 读了上面的文字,你才能更好地理解伽利略的名言: “追求科学需要特殊的勇敢。” 本文主要参考资料: 1. 库兹涅佐夫, Б. Г. , 伽利略传,商务印书馆, 2001 。 2. 梁衡,数理化通俗演义,北京师范大学出版社, 1997 。 3. 周立伟,科学研究的途径,北京理工大学出版社, 2007 。 4. 伽利略,关于两门新科学的对话,武际可译,北京大学出版社, 2006 。 写于 2009 年 4 月 14 日 http://blog.lehu.shu.edu.cn/sqdai/A68099.html
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狭义相对论的创立
zhulin 2009-10-21 14:28
早在 16 岁时,爱因斯坦就从书本上了解到光是以很快速度前进的电磁波,他产生了一个想法,如果一个人以光的速度运动,他将看到一幅什么样的世界景象呢?他将看不到前进的光,只能看到在空间里振荡着却停滞不前的电磁场。这种事可能发生吗? 与此相联系,他非常想探讨与光波有关的所谓以太的问题。以太这个名词源于希腊,用以代表组成天上物体的基本元素。 17 世纪,笛卡尔首次将它引入科学,作为传播光的媒质。其后,惠更斯进一步发展了以太学说,认为荷载光波的媒介物是以太,它应该充满包括真空在内的全部空间,并能渗透到通常的物质中。与惠更斯的看法不同,牛顿提出了光的微粒说。牛顿认为,发光体发射出的是以直线运动的微粒粒子流,粒子流冲击视网膜就引起视觉。 18 世纪牛顿的微粒说占了上风,然而到了 19 世纪,却是波动说占了绝对优势,以太的学说也因此大大发展。当时的看法是,波的传播要依赖于媒质,因为光可以在真空中传播,传播光波的媒质是充满整个空间的以太,也叫光以太。与此同时,电磁学得到了蓬勃发展,经过麦克斯韦、赫兹等人的努力,形成了成熟的电磁现象的动力学理论 电动力学,并从理论与实践上将光和电磁现象统一起来,认为光就是一定频率范围内的电磁波,从而将光的波动理论与电磁理论统一起来。以太不仅是光波的载体,也成了电磁场的载体。直到 19 世纪末,人们企图寻找以太,然而从未在实验中发现以太。 但是,电动力学遇到了一个重大的问题,就是与牛顿力学所遵从的相对性原理不一致。关于相对性原理的思想,早在伽利略和牛顿时期就已经有了。电磁学的发展最初也是纳入牛顿力学的框架,但在解释运动物体的电磁过程时却遇到了困难。按照麦克斯韦理论,真空中电磁波的速度,也就是光的速度是一个恒量,然而按照牛顿力学的速度加法原理,不同惯性系的光速不同,这就出现了一个问题:适用于力学的相对性原理是否适用于电磁学?例如,有两辆汽车,一辆向你驶近,一辆驶离。你看到前一辆车的灯光向你靠近,后一辆车的灯光远离。按照麦克斯韦的理论,这两种光的速度相同,汽车的速度在其中不起作用。但根据伽利略理论,这两项的测量结果不同。向你驶来的车将发出的光加速,即前车的光速 = 光速 + 车速;而驶离车的光速较慢,因为后车的光速 = 光速 - 车速。麦克斯韦与伽利略关于速度的说法明显相悖。我们如何解决这一分歧呢? 19 世纪理论物理学达到了巅峰状态,但其中也隐含着巨大的危机。海王星的发现显示出牛顿力学无比强大的理论威力,电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整,并被誉为 一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂 。在人们的心目中,古典物理学已经达到了近乎完美的程度。德国著名的物理学家普朗克年轻时曾向他的老师表示要献身于理论物理学,老师劝他说: 年轻人,物理学是一门已经完成了的科学,不会再有多大的发展了,将一生献给这门学科,太可惜了。 爱因斯坦似乎就是那个将构建崭新的物理学大厦的人。在伯尔尼专利局的日子里,爱因斯坦广泛关注物理学界的前沿动态,在许多问题上深入思考,并形成了自己独特的见解。在十年的探索过程中,爱因斯坦认真研究了麦克斯韦电磁理论,特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的,但是有一个问题使他不安,这就是绝对参照系以太的存在。他阅读了许多著作发现,所有人试图证明以太存在的试验都是失败的。经过研究爱因斯坦发现,除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外,以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义。于是他想到:以及绝对参照系是必要的吗?电磁场一定要有荷载物吗? 爱因斯坦喜欢阅读哲学著作,并从哲学中吸收思想营养,他相信世界的统一性和逻辑的一致性。相对性原理已经在力学中被广泛证明,但在电动力学中却无法成立,对于物理学这两个理论体系在逻辑上的不一致,爱因斯坦提出了怀疑。他认为,相对论原理应该普遍成立,因此电磁理论对于各个惯性系应该具有同样的形式,但在这里出现了光速的问题。光速是不变的量还是可变的量,成为相对性原理是否普遍成立的首要问题。当时的物理学家一般都相信以太,也就是相信存在着绝对参照系,这是受到牛顿的绝对空间概念的影响。 19 世纪末,马赫在所著的《发展中的力学》中,批判了牛顿的绝对时空观,这给爱因斯坦留下了深刻的印象。 1905 年 5 月的一天,爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年的问题,贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法,两人讨论了很久。突然,爱因斯坦领悟到了什么,回到家经过反复思考,终于想明白了问题。第二天,他又来到贝索家,说:谢谢你,我的问题解决了。原来爱因斯坦想清楚了一件事:时间没有绝对的定义,时间与光信号的速度有一种不可分割的联系。他找到了开锁的钥匙,经过五个星期的努力工作,爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前。 1905 年 6 月 30 日 ,德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》,在同年 9 月的该刊上发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章,它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。狭义相对论所根据的是两条原理:相对性原理和光速不变原理。爱因斯坦解决问题的出发点,是他坚信相对性原理。伽利略最早阐明过相对性原理的思想,但他没有对时间和空间给出过明确的定义。牛顿建立力学体系时也讲了相对性思想,但又定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动,在这个问题上他是矛盾的。而爱因斯坦大大发展了相对性原理,在他看来,根本不存在绝对静止的空间,同样不存在绝对同一的时间,所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。对于任何一个参照系和坐标系,都只有属于这个参照系和坐标系的空间和时间。对于一切惯性系,运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律,它们的形式都是相同的,这就是相对性原理,严格地说是狭义的相对性原理。在这篇文章中,爱因斯坦没有多讨论将光速不变作为基本原理的根据,他提出光速不变是一个大胆的假设,是从电磁理论和相对性原理的要求而提出来的。这篇文章是爱因斯坦多年来思考以太与电动力学问题的结果,他从同时的相对性这一点作为突破口,建立了全新的时间和空间理论,并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式,以太不再是必要的,以太漂流是不存在的。 什么是同时性的相对性?不同地方的两个事件我们何以知道它是同时发生的呢?一般来说,我们会通过信号来确认。为了得知异地事件的同时性我们就得知道信号的传递速度,但如何没出这一速度呢?我们必须测出两地的空间距离以及信号传递所需的时间,空间距离的测量很简单,麻烦在于测量时间,我们必须假定两地各有一只已经对好了的钟,从两个钟的读数可以知道信号传播的时间。但我们如何知道异地的钟对好了呢?答案是还需要一种信号。这个信号能否将钟对好?如果按照先前的思路,它又需要一种新信号,这样无穷后退,异地的同时性实际上无法确认。不过有一点是明确的,同时性必与一种信号相联系,否则我们说这两件事同时发生是无意义的。 光信号可能是用来对时钟最合适的信号,但光速非无限大,这样就产生一个新奇的结论,对于静止的观察者同时的两件事,对于运动的观察者就不是同时的。我们设想一个高速运行的列车,它的速度接近光速。列车通过站台时,甲站在站台上,有两道闪电在甲眼前闪过,一道在火车前端,一道在后端,并在火车两端及平台的相应部位留下痕迹,通过测量,甲与列车两端的间距相等,得出的结论是,甲是同时看到两道闪电的。因此对甲来说,收到的两个光信号在同一时间间隔内传播同样的距离,并同时到达他所在位置,这两起事件必然在同一时间发生,它们是同时的。但对于在列车内部正中央的乙,情况则不同,因为乙与高速运行的列车一同运动,因此他会先截取向着他传播的前端信号,然后收到从后端传来的光信号。对乙来说,这两起事件是不同时的。也就是说,同时性不是绝对的,而取决于观察者的运动状态。这一结论 否定了(确切的说应该说是突破了) 牛顿力学中引以为基础的绝对时间和绝对空间框架。 相对论认为,光速在所有惯性参考系中不变,它是物体运动的最大速度。由于相对论效应,运动物体的长度会变短,运动物体的时间膨胀。但由于日常生活中所遇到的问题,运动速度都是很低的(与光速相比),看不出相对论效应。 爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学,指出质量随着速度的增加而增加,当速度接近光速时,质量趋于无穷大。他并且给出了著名的质能关系式: E=mc2 ,质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用。
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巡天遥看一千河
等离子体科学 2009-8-25 16:54
今天的 Google 的 logo 变成一架天文望远镜。还以为是因为七夕呢 :p 看了下日历,七夕是明天。 原来, 是纪念伽利略用望远镜进行系统天文观测 300 周年。 这是当年伽利略使用的天文望远镜 如今不仅有威力强大的射电望远镜,甚至有放到天上去巡天遥看一千河的Hubble望远镜。 上周在台岛最南端的垦丁海滨看夜晚的南天:银河璀璨、群星悬垂。 如果我们走进灿灿星河,会看到什么? (以下Hubble望远镜照片来自中国新闻网的图片频道) 。。。。。。。
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教条时代的发现
eloa 2009-8-3 19:09
小蓟夏静好 发表于 2009-08-02 17:02 (这是译自英国《金融时报》的一篇展评,原作者:Rachel Spence。感慨于人家能把一个展览的介绍写到这个程度,翻译之,贴在这里。 ) 在伽利略于1609年把望远镜的镜筒朝向月球之前,一种流行的理论曾认为那是个水晶做成的天体;也有些理论坚持认为那里是地球的镜像,或是一盆燃烧的火焰。伽利略的新仪器那个并非他的发明,却是由他发展起来的新玩意儿,证明了月球与过去的猜测全然不同。那架仪器说:月球的表面布满了环形山、峡谷和山脉。在那架仪器的帮助下,其他的发现还包括:太阳上的黑子、木星的卫星以及金星的相位。 当然,最著名的一点是,伽利略的观测令他确信波兰科学家哥白尼是对的,地球的确在围绕太阳转动。伽利略的日心说给他带来了天主教廷的异端邪说指控。这个人是个天才而非战神,他放弃了自己的主张,终其一生,被禁足于佛罗伦萨的家中。远离故乡比萨城的他,晚年曾双目失明,失落、孤独地度过了自己的余生。这个人是如此得命运多舛,以至我们只能企望他的灵魂可以听到那个名叫爱因斯坦的后辈称呼他现代科学之父。那是在三个世纪之后。 为了纪念伽利略发明望远镜400周年,这场时间跨度从古埃及时期直至19世纪的展览中,伽利略的发现将作为天文学历史中的一章。在这场展览中,250件引人入胜的展品从考古发现到科学仪器、天球仪与星图、壁画、油画、绘图以及文本将为参观者带来一场格外刺激的发现之旅。 自文化初萌,人类便在尝试解释天。担心错过了种植庄稼的时令,古人依靠月相发明了历法;利用一天里太阳位置的变化,他们又发明了日晷。虽然已有了这些科学的萌芽,在古人的心中,天,仍是神居住的地方。线条优雅的神像刻在埃及的滴漏与日晷上,这些物件向我们证实了:在这个世界上,理性与宗教曾有过如此密不可分地融合。亚述人的楔形文字记载中,巴比伦人已经能熟练使用复杂的计算预测行星运动了。 古希腊科学的发展并未减弱人类对天的崇拜。毕达哥拉斯说宇宙是个球体,这个说法我们可以在雕塑作品扛天的阿特拉斯(Farnese Atlas,上图)中看到。那件古希腊雕塑的古罗马复制品也许是第一个过去想象中的天球的三维表现作品。在那件雕塑中,肌肉矫健的巨人被一个布满星座的天球压得弯下身来。 在古罗马,占星预测被用来为王权辩护,描绘在壁画中的星座背后的神话传说加强了这种象征意义。曾经装饰在庞贝古城墙壁上的摩羯、飞马、人马,以及牛背上的欧罗巴等壁画即为令人赞叹的例子,也是那个时期栩栩如生的自然主义画作的代表。 《天文学大成》(Almagest)是来自中世纪前的最重要的遗产之一。这套专著共有13卷,出版于公元一世纪,作者是托勒密。这套书堪称对当时天文学理论最完整的阐述,但其支持的却是地心说,这正是它致命的缺陷。托勒密居住在埃及(希腊化时代),他的著作被阿拉伯人保存下来,并对伊斯兰天文学家们产生了重大影响。为了建立祈祷和去往麦加朝圣的更准确的时间表,伊斯兰天文学家们发展出了各种精密设备,比如,迄今为止最早的齿轮星盘,本次展览中就展示了惟一球面视角的那种齿轮星盘当欧洲仍在黑暗时代中摸索时,这些阿拉伯人便已经开始尝试把经度理论化。 直到12世纪,托勒密的作品才被译作了拉丁文。这场展览中,14世纪时佛罗伦萨的《天文学大成》手稿以及15世纪文艺复兴时期的一幅托勒密所做的雄伟却显然不正确的世界地图代表了那个时代对托勒密与欧几里德等其他几位经典思想家的重新发现正是文艺复兴时期人本主义的关键。 在捍卫古典理性方面,人本主义为区分宗教的观点与世俗的思维铺平了道路。然而,在文艺复兴早期,教会正在不遗余力地拥护正统的观念:地球是宇宙的中央,托勒密的地心说令他很容易就得到了教会的支持。在那幅挂毯宇宙的示意(1450-1500)中,中世纪支持地心说的一系列宗教艺术作品达到了创造力的顶峰。我们很少有机会在美国的托莱多大教堂之外看到这幅挂毯,它描绘了全能的上帝正监督着两位天使转动一个刻满星座的星盘,星盘的侧面则是古希腊的科学家们。这种和谐却等级分明的宇宙模型在波提切利1460年所作的壁画学习中的圣奥古斯汀(St Augustine in his Study)同样有所体现,壁画中,目光热切的圣徒凝视着一个以地球为中心的天球仪。 虽然教堂强烈支持地心说,1543年,哥白尼出版了他的《天体运行论》最初的版本以一张靶标模样的插图开头,那是太阳神在一些摇摆的同心圆环中央 感谢编辑在引言中声称这只是假说,这本书才得以躲过了梵蒂冈审查官的审查。 与哥白尼的《天体运行论》不同,伽利略不曾采取过预防措施。1610年,伽利略出版了第一本望远镜时代的书《星际使者》。毫无疑问,在书中,他支持那个波兰前辈哥白尼。最初,罗马教廷顺利接受了《星际使者》,但到了1633年,他们要求伽利略停止支持哥白尼。但就像奥塔维奥莱奥尼为他所画的肖像画中坚定的目光所预示的:伽利略有一颗不肯妥协的灵魂。作为回应,他于1633年发表了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》,这篇表面上折衷的东西最终羞辱性地舍弃了古代的宇宙观。 伽利略的展区摆满了引人注目的遗迹,伽利略的第一台望远镜,《星际使者》与《对话》的第一版,甚至他的一根手指,(伽利略的学生曾将他的一根手指取下来供奉起来,这是中世纪时期对待圣人表示尊敬的一种方式。月球草图也是伽利略展区的重要展品,这些草图由伽利略及其继承者们如波兰人赫维留(Johannes Hevelius)等绘制。)依靠不断发展的强大的望远镜的帮助,天文学家们对月球表面给出了更详细的描述,这是人类绘制天体图像的一个分水岭。在利用望远镜看清了天的物质本质的同时,伽利略对天的神圣意义产生了怀疑。 当然,象征主义手法并未消失,本次展览中最有冲击力的作品是鲁本斯那幅令人毛骨悚然的农神食子(1636-1638),这幅画的部分灵感来自伽利略的观测。就像古罗马的壁画所展现的,绘画具有能在现实与想象中穿梭的能力,但随着理性认知的扩张,这种能力消失了。就在那一天,伽利略拿起自己的望远镜对准了天空,他看到了未来那只是科学、宗教与艺术之间分裂的开始,在后来的启蒙运动中,这种分裂得到了加速。这场展览是个极好的机会,身处其中,我们看到了上述三者短暂的重新融合。
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望远镜是人类探索太空的翅膀
xbyang 2009-7-16 09:02
  2009年北京市高考语文的作文题是:我有一双隐形的翅膀。那么,究竟什么东西可以算是人类探索太空的隐形翅膀呢?在我看来,它就是望远镜。望远镜可以让我们的视野抵达深邃的太空,看到遥远星球的美丽风光。   人类对天空的关注同文明的历史一样久远。为了制定与农业生产、祭祀活动相关的日期和时令,古代的天文学者需要观测太空,从太阳、月亮和群星的活动中寻找答案。除了进行肉眼观察之外,不少普通人探索太空的隐形翅膀是想像力。在人们的想像中,太空并不虚无,那里有天堂和凌霄宝殿,是一个人们可以无忧无虑生活的地方。   伽利略可以算是第一个看到天堂的人。他在400年前首次把望远镜对准了太空,他看到的景象却大大出乎人们的意料。他并没有看到什么天堂,却看到了荒凉的月球,那里有高山和峡谷,却没有一丁点支撑生命的绿色。伽利略还利用望远镜让人们真切地知晓地球并非宇宙的中心,地球不过是围绕太阳公转的一个普通天体而已。   伽利略利用望远镜对太空的探索不仅仅是天文学的一次重大革命,也改变了整个人类的发展进程。伽利略利用望远镜观测太空,否定了主宰人们思维2000多年的地心说,改变了人们的宇宙观。这不仅令当时的罗马教廷十分恼怒,更是令当时的学者十分震惊。学者们通过伽利略的实践,意识到先进工具的重要作用。   学者们的觉醒大大地促进了科学仪器在研究中的应用,对近代科学的出现起了极大的推动作用。由于近代科学的出现和科学仪器的广泛应用,人类文明的发展进程大大加快,人们的生活水准也越来越高。   为了纪念伽利略在400年前所做出的重要贡献,联合国把2009年定为国际天文年。联合国希望通过发起一系列全球性的活动,激发人们探索太空的热情,帮助人们认识自己在宇宙中的位置,更加有效地保护可以维系生命繁衍的地球环境。   仿佛是为了回馈我们对太空的观测热情,百年难遇的日全食将在我国长江中下游地区出现。在2009年7月22日那天,让我们把目光投向天空,观看这场近年来最壮观的天文盛宴。 (《科学画报》2009年第七期)
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美国宇航局“大天文台”为伽利略庆生
eloa 2009-2-19 09:56
laosun 发表于 2009-02-15 8:35 伽利略在1609年第一次将他的望远镜指向了天空,这标志着近代天文学的开端。为庆祝宇宙探索四百年,2009年被命名为国际天文年。 2月15日恰逢伽利略的生日,美国宇航局将它的大天文台(great observatories)哈勃空间望远镜、斯皮策空间望远镜、钱德拉X射线天文台的精美照片分赠给美国超过100家天文馆、博物馆、自然科学中心和学校。 这些选定的场所将展出一幅9平方英尺的旋涡星系M101的照片,它是由哈勃的可见光、斯皮策的红外光、钱德拉的X光拍摄的结果合成的一幅多波段照片。这好比是同时用你的眼睛、夜视镜和X光视觉机同时看上去的效果。国际天文年设在华盛顿美国宇航局总部的首席科学家Hashima Hasan说。 这些场所当然也会展出相应的三张分别由哈勃、斯皮策和钱德拉拍摄的M101,每张照片表现这个星系在不同波段的样子,这不仅仅可以说明每个天文台工作方式的不同,也体现了自伽利略以来天文学已经发展到了什么样的地步。 图:旋涡星系M101合成图像,右侧三张分别是斯皮策、哈伯和钱德拉太空望远镜拍摄。 M101是大熊座方向上大约220万光年远的一个旋涡星系。它比我们的银河系略大,但在很多方面都类似。哈勃的可见光像表现了由明亮的恒星和发光气体形成的旋涡,M101页因此得名风车星系。作为对比,斯皮策的红外照片透视了这些旋臂,揭示出这些闪亮的尘埃小道上,致密的气体云正在坍缩成新的恒星。钱德拉的X光像则揭示了星系的高能特征,如恒星爆炸的残骸或者黑洞周围物质的高速运动。三台望远镜的对比观测让天文学家和公众一起对星系有了深层的理解。 四个世纪以前伽利略作出的那些迷人的科学发现今天正在为使用美国宇航局的空间望远镜的科学家们所持续,Dennise Smith如是说,他是巴尔的摩的太空望远镜科学研究所负责本次展出的项目经理。美国宇航局的大天文台为我们送来这样精美的图像,让公众也能够可以分享探索宇宙胜景。 展览时间为2月14-28日,展出地点既有大城市也有小镇,并将举行有公众、学校和当地媒体参加的庆祝活动。 展览地点可以查询 http://hubblesource.stsci.edu/events/iya/participants.php 背景知识:美国宇航局的大天文台计划概念于1980年代提出,计划是四台大小相近、工作在不同波段的太空望远镜,分别以哈勃、康普顿、钱德拉、斯皮策四位美国科学家的名字命名,文中提到三台望远镜仍在运转。康普顿伽玛射线天文台于1991发射,后因陀螺仪失效于2000年6月4日退役,其部分残骸溅落于太平洋。 下图为大天文台计划的四台太空望远镜。 扩展阅读: 美国宇航局国际天文年计划:http://astronomy2009.nasa.gov/topics.htm
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[译]人类在宇宙中的位置
eloa 2009-2-19 09:55
laosun 发表于 2009-02-15 4:08 原载《自然》(Nature)2009年01月01日第457卷第28页 天文学领域的技术进步极大地帮助人们解开那些困扰人类的最宏大的问题,Owen ingerich为你详细评说。 整整四百年前,欧洲流传着一件令人吃惊的新发明的消息两个透镜放在一个管子里,就可以魔术般地放大遥远的景物。它的确切起源已经在论战的迷雾中迷失了,但确切的是,荷兰Middelburg市一个叫做Hans Lipperhey的人曾于1608年申请过专利。他的申请被驳回,因为这项不具名的创新已经人所共知。 17个月后,一位意大利数学教授写的一本小册子宣布他用这种新发明的窥镜(spyglass)有了神奇的发现。扉页上伽利略称之为perspicillum似乎在暗示这是他自己的发明,不过如果他在自夸的话也应该可以谅解,因为伽利略的工作把这种其他人只是用来取乐的玩具变成了一种科学仪器。1609年12月,他用自己的窥镜辨认出了月亮上存在环形山、山脉和平原。四百年后,为了纪念这些令人吃惊的发现,联合国将2009年命名为国际天文年(International Year of Astronomy)。 图注1:伽利略对月亮的观测产生了深远的影响. 1610年1月,伽利略已经发现了木星的四颗明亮月亮(英文是小写的moon,与他同时代的约翰斯开普勒把它们称为卫星(satellite))。年底之前,伽利略又发现金星的位相(如月亮一般的圆缺变化),证明它围绕太阳运动。 这些发现的意义是巨大的。尽管尼古拉斯哥白尼的《天体运行论》(1543)这部著作提出了日心系统已经将近70年了,但只是被作为一本计算行星位置的手册,从不被认为是对宇宙真实的物理描述。居住在一颗每24小时就旋转一圈的球体上,这件事连想想都会觉得可笑!况且如果地球每年围绕太阳运动的话,它又怎么能带着月亮一起运动呢? 正是伽利略的著作让人们从理智上相信日心系统是物理上的真实。伽利略发现月亮跟地球是相似的,人们曾相信它与地球这个充满了堕落与衰败的地方不一样,是由水晶般的以太构成的完美球体。于是那个永恒而轻盈的天空开始破碎。木星悠然自得地带着它的卫星,而人人都知道木星正在运动,那么一颗运动着的地球为什么非要用看不见的以太才能把自己的卫星月亮拴在身边呢?伽利略在这件事上充满技巧的辩论术在他1632年的著作《关于两大世界体系的对话》中体现地淋漓尽致,这本书虽没能充分证明地球的运动,但其说服力却足以让他深深地触怒了宗教裁判所。 关于天空的不同观点 大约两千多年以前的亚里士多德认为地球是由土、气、火、水四种元素构成的世俗世界,而天空则是由轻盈的球层构成的亘古不变的纯净的存在。教会观点认为地球是沉重的,居于宇宙中心的,人类的悲欢就在这里上演,这一点非常符合亚里士多德的宇宙火山喷出的烟尘和火焰表摩纳哥了地狱之火的存在,而上帝的领地和上帝选中的义人就居住在群星所在的天穹之外。甚至连支持高贵的哥白尼哲学的英国天文学家Thomas Digges也在他的著作《天球运动的完整表述》(A Perfit Description,1576)中,也把义人的居所放在了群星之间。 如此绝大部分教会权威们拒绝这种新的宇宙学也就在预料之中了。不仅如此,罗马教廷的权威们还大发雷霆,因为伽利略这个业余的神学家竟然胆子大到告诉他们如何解释圣经。这显然是一场势力范围争夺战。伽利略被传讯至罗马,被允许他为极端的异端怀疑做无罪辩护,但仍被认定为能遵守禁令(教授哥白尼宇宙学),从而并被判处终身软禁。 图注2 Thomas Digges的日心说宇宙结构 伽利略的论证得到了开普勒的帮助,开普勒在理论天文学方面里程碑式的著作也出版于1609年。他很恰当地将之命名为《新天文学》,将重点放在了研究行星运动的物理原因上这与过去的天文学家们只是用严格的几何模型来说明天空中的事情。甚至开普勒的老师和指导迈克尔迈特林斯也敦促他要忘掉物理学,专心于天文学(也就是几何学)。但开普勒相信存在一个物理上实在的宇宙,他拥护哥白尼日心说甚至还在伽利略之前。 但日心说自哥白尼以来已经走下坡路了,露出了破绽。哥白尼对于行星的经度和纬度用了完全不同的几何模型来解释,而对于一个物理上真实的系统,同一个模型应该能够处理这两个坐标。根据哥白尼的观点,行星在圆周上运动(围绕太阳的偏心圆),当地球离太阳最近时其速度也不增加。正是开普勒对于物理真实性的追求促使他最终假定椭圆是行星轨道的基本形式,从而消除了困难。 与伽利略的望远镜观测一样,开普勒在行星理论的方面的进展也最终让哥白尼宇宙学被广泛接受。在《新天文学》的导言中,开普勒写道:可能会有人的信仰太脆弱,接受哥白尼就等于冒犯了他对上帝的虔诚,那就让他关起门来苦思冥想吧。他相信自己是最忠实地侍奉上帝,却不知道对于天文学家来说,上帝已经赐予我们用思维的眼睛观察地得更加清楚的权利。 无论过去还是将来,天文仪器都在人类努力寻找我们在宇宙中的位置上居于中心地位。这个努力所费不菲。第谷布拉赫吹嘘说他的观测(他没有使用望远镜,但利用象限仪及其他仪器相当仔细地提高了裸眼观测的分辨率)花费了丹麦国王超过一吨的黄金,这在16世纪是一笔巨大的财富。今天,制造大型望远镜要花费数十亿美元。有人争论说这样的仪器真如诗歌一样对人类进步最终起到作用(或者一样没用),但它们能够获得投资,恰如最伟大的诗歌,或者建造哥特式大教堂一样,宇宙学是人类精神的征程,是个人或国家值得骄傲之处。为了了解我们在复杂的时空之网中的位置,是值得花费大价钱的。 在那遥远的地方 开普勒还改进了伽利略的作品,用一个凸透镜物镜和一个凹透镜目镜代替了伽利略的两片凸透镜,从而取得更大的视场,也可以放置十字叉丝,而观测天文学的下一次巨大进步则是发生在将近两个世纪之后。接近18世纪末,威廉赫歇尔,一位充满灵气的从音乐家转行的业余天文学家,开始了看似唐吉坷德式的对宇宙三维结构的探索。在这个过程中,他发现了一颗新的行星天王星,这使他得以从业余转为专业人员。在作为天文学家最具创造力的那几年,赫歇尔开创了建造大型反射望远镜的方法,空前提高将光线收集能力。他最终数出来成千上万的星星,发现了数百个星团和星云,而后者则成为超越传统的裸眼所见的恒星天,通往更为广袤的外部宇宙之门。 一个世纪之后,感谢工程上的进步,人们发现了如何在玻璃镜面上镀银,并发明了照相术得以捕捉星星和星云的图像,天文学家们最终越过了这道门槛。1859年,在海德堡的一个化学实验室中,化学家罗伯特本生和物理学家古斯塔夫基尔霍夫发现了解开宇宙中化学元素构成之秘密的钥匙:通过不同的谱线辨认相关的元素。同时,富裕的慈善家慨解囊,天文学家们得以利用新的巨大望远镜做出了一系列让人们增强自我意识的发现。其中就包括银河系的巨大尺度,它比赫歇尔曾设想过的任何结果都要庞大得多。随后人们认识到银河系也仅仅是无数星系中的一个,而这些星系都是从几十亿年前的一次灾难性的大爆炸产生的,它们正在相互远离,相互之间的距离可以达到数百万年甚至数十亿光年。 我们所观察到的宇宙的尺度和年龄的飞速增长让人们产生了一种担心,正如古代的人类中心宇宙论破灭所引起担心的一样,人们会问:在近乎无限的时空旷野中,具有理性、能够进行观测的人类还有什么意义?这个存在论的问题在数十年间已经被反复提出,毫无疑问这也驱使我们心甘情愿地把纳税人的钱投入到将来的宇宙探索之中。 今天的,电子革命使CCD取代了照相底片,效率提高了近50倍,从而可以收集并处理数十亿字节的数据,并使用高速的自适应光学补偿大气变动,使天文学家可以最大限度地利用地面上的大型望远镜。宇宙中的恒星和星系居民们如今开始一一被列入统计表中,这远非从前可比。这也包括最近几年,对发现太阳系外的行星的统计。这些研究的成功会帮助我们回答接下来这个令我们关于宇宙的观念再次发生剧变的问题:我们是孤独的吗? 美国宇航局的开普勒号任务计划于2009年发射,是第一个专门设计用来寻找类似地球的太阳系外行星的飞行器。不要期待能够收到某个行星上的智慧生命发来的无线电信号。但其他令人兴奋的信号必定可以找到。今天的光谱仪可以窥见遥远行星上的大气,并从中寻找可能表征生命存在的化学元素的痕迹这即使对于能够在行星大气层中产生氧气的最基本生命形式也会有效。这些研究可以帮助我们回答接下来那个会再次改变我们宇宙观念的问题:我们是孤独的吗? 国际天文年可能标志着我们在理解人类在宇宙中的位置的又一次理性革命。它能否像伽利略和开普勒确立日心说那样对社会产生重大影响吗?时间会告诉我们一切。 注:Owen Gingerich是麻省坎布里奇市哈佛-史密斯松天体物理中心天文学和科学史荣誉退休教授,著有《上帝的宇宙》(Gods Universe) 原文见此 http://www.nature.com/nature/journal/v457/n7225/full/457028a.html
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纪念达尔文
热度 1 xinyumri 2009-2-13 12:39
今天是达尔文诞辰 200 周年 纪念日,今年也是 《物种起源》发表 150 周年的纪念年。 新年伊始,许多杂志便纷纷在第一期的版面以大篇幅或封面故事来缅怀这位科学巨人。 其实,纪念活动早在三年前便已经紧锣密鼓地拉开了序幕。纽约自然史博物馆策划的名为“达尔文”的展览,无论从深度还是广度上,都是迄今为止关于达尔文和进化论的展览之最。该展览于 2006 年初在纽约自然史博物馆首展,途经波士顿科学博物馆、芝加哥菲尔德博物馆、多伦多皇家安大略博物馆,最后于 2008年 十月落脚到伦敦的自然史博物馆,在达尔文的故乡加入到对这位科学巨人缅怀的行列中。 巧合的是,今年对天文学界也同样是个大年,因为四百年前伽利略开始用望远镜观测天体,人类从此开始了建立于观察和实验基础上的现代科学。 和伽利略相比, 达尔文要幸运的多。虽然他的学说对宗教有着更大的颠覆性,但他在死后便得到了葬入西敏寺教堂的待遇。所以尽管进化论至今仍然饱受争议,在进化论的普及上科学仍然在和宗教寸土必争地争夺着领地,但若是纵向地看这段历史,文明还是有了巨大的进步。 天文和生物学,堪称是两门最古老的科学。 2009 年,它们以如此奇妙的方式相遇,再一次提醒我们先哲们曾经走过的道路,也是人类共同走过的风风雨雨。先哲们如今早已化为星辰,镶嵌在人类文明璀灿的星空上。而我们这些尚以地球为家的人能做的,便是继续睁大好奇的眼睛,仰望星空,关注地球,悉心领悟苍穹和生命带给我们的启示。
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[水煮物理]之六:扒掉皇帝的新衣
热度 1 penrose 2008-11-9 15:08
之六:扒掉皇帝的新衣 (连环画《皇帝的新衣》) 中国有句古话:舍得一身剐,敢把皇帝拉下马!可见,碰碰至高无上的皇帝是一种多么恐怖的事情。即便是皇帝被骗子蒙蔽穿了一件无法看见的衣服,也无人敢直言一句,最后只有一个无知的小孩喊出了皇帝在裸奔。那位小孩的命运不可而知,肯定是倒霉到家了。此等事情在学术界想必屡见不鲜,因为学霸们、权威们、先知们的思想总是统领某个或者整个领域。比如亚里士多德,他的思想便统领西方自然科学千年之久,堪称自然科学的皇帝。然而皇帝总有出错的时候,比如穿上了骗子的新衣。只是在科学领域,不只是存在一两个敢说真话的人,像我们前面提到的哥白尼和布鲁诺就是其中代表。我们还有更大胆的同学,他不仅仅说皇帝的新衣是假的,而且亲手在众人面前,扒掉了皇帝的新衣,让众人看到,一个赤裸裸的皇帝,不过如此!这位胆大包天的同学,便是伽利略,近代自然科学的先驱者。 (伽利略) 亚里士多德的教义里有那么一条:重物下落是物体的自然属性,物体越重,趋向自然位置的倾向性也就越大,所以下落速度也越大。即到物体下落速度与物体重量成正比。这条教义一直到16世纪仍然为人们所笃信,因为好像理所当然。不过从没有人怀疑过,这位哲人无非是转了转脑子就蹦出的这么句话,没想到成了金科玉律。事实上,早在伽利略之前,就有三人怀疑此语,只是他们没有流传下实验记录。而伽利略,作为实验物理的奠基人,第一次做了那个闻名遐迩的自由落体实验比萨斜塔实验。实验的设计很简单,让一个小铁球和一个大铁球同时在斜塔高出释放,看谁先落地。实验的思想却很精妙:假如小球下落慢v1、大球下落快v2,那么把两个球绑在一起的话,必然小球要拖慢大球的下落速率,于是这样的下落速率介于两者之间vv1+v2,可是两个在一起的质量大于任何一个m=m1+m2m1,m2,若看成整体那它们的下落速率应该大于其中任何一个vv1,v2。很显然,从同一个前提假设出发推出了一个矛盾的命题结论,亚里士多德的命题肯定有问题的。据说,伽利略在公众面前做了这个落体实验,证实了两个球是同时落地的,于是证明物体的下落速率与其质量无关。有人也一直怀疑伽利略到底干过这个事情没,事实上,即使如此的实验,也很难判定的,因为抓重球的那个手会释放的慢一些,所以可能会导致与亚里士多德完全相反的结论重球反而下落慢!这可不是人们所能接受的解释。只能说,比萨斜塔实验是伽利略一次成功的表演,真正扒掉皇帝的新衣的实验,乃是更为巧妙的斜面实验。 (比萨斜塔) 1632年和1638年是伽利略的丰收年,他在这两年里分别出版了两部《对话》:《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》支持了地动学说,首先阐明了运动的相对性原理;《两门新科学的对话》讨论了材料抗断裂、媒质对运动的阻力、惯性原理、自由落体运动、斜面上物体的运动、抛射体的运动等问题,给出了匀速运动和匀加速运动的定义。这两部《对话》奠定了力学的基础,而关于物体运动的相关讨论和实验研究,更是开创了用实验事实说话的物理学研究风格。更重要的是,关于运动的相对性原理和惯性的讨论,启发了后来的牛顿、爱因斯坦等人,后来关于惯性质量和引力质量的讨论引出了物理学史上最伟大的革命。而这一切的开端,就在于伽利略哪个精巧的斜面实验。 (伽利略的斜面实验) 斜面实验在现在看来非常简单:只要测量斜面上铜球滚下相同距离所需要的时间就可以。伽利略发现铜球滚下1/4距离所需要的实验正好是全程时间的一半,最终确认铜球滚下的距离与所用的时间平方成比例,并且对于不同高度的斜面均能成立。由此可以推广到90斜面,即自由落体运动,物体下落高度应该和所用的时间平方成正比。可是,这个实验有许多致命的问题。测量长度恐怕问题不大,因为只要测量斜面的几分之几而已,用根棉绳就可以做到,可是测量时间呢?读者恐怕会笑用个钟表不就可以嘛!事实上,您错了。那个年代根本没有钟表,因为钟表的发明其实起源于伽利略在后面的几年里关于单摆的等时性等后续研究中。 (钟摆计时器的发明原理是单摆的等时性) 没有表也要计时,这正是伽利略聪明之处,正如欧姆发现欧姆定律的时候,根本就不可能有电流表电压表一样(那时甚至连电流电压是啥都还不清楚!)。一种说法是伽利略用自己的脉搏计时(聪明吧?),只要数脉搏的个数,认为任意两个脉搏之间等时间间隔就可以,不过若您要是有哮喘,那就完了。《对话》里的记录是伽利略发明了漏水计量时间的方法,在一个大水箱戳个小洞,接下所须计量的时间内所有漏出的水,然后称量它们的比重,只要得到不同时间漏出的水的重量之比,就可以得到时间之比!这简直太绝了。不过这一招,其实在公元前二世纪咱大汉王朝就用过了,而且发明了最原始的计时工具漏壶,此待《水煮物理》下期后话。我更喜欢另一个传说,伽利略能精确计时,在于他有个懂音乐的老爸。伽利略小时候就跟老爸学小提琴,因此音乐节拍感非常强,所以只要在做实验的时候,哼支小曲就可以计量时间了,何不乐哉!传说终归还是传说,也就平时吹牛乐呵乐呵罢了。伽利略在斜面实验之后,对物体的运动问题做了大量思考,得出了许多有用而准确的结论。他对时间计量的发明,更是开拓了人类如何记录和度量时间的先河。中国人会日晷、漏壶、沙漏、燃香计时,可偏偏没有发明出机械计时,与其说是遗憾,不如说是孔子的吃饭哲学堵塞了读书人的脑子,实属必然。 (伽利略发明的机械定时器)
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【水煮物理】之六:扒掉皇帝的新衣
luohuiqian 2008-11-9 15:04
之六:扒掉皇帝的新衣 (连环画《皇帝的新衣》) 中国有句古话:舍得一身剐,敢把皇帝拉下马!可见,碰碰至高无上的皇帝是一种多么恐怖的事情。即便是皇帝被骗子蒙蔽穿了一件无法看见的衣服,也无人敢直言一句,最后只有一个无知的小孩喊出了皇帝在裸奔。那位小孩的命运不可而知,肯定是倒霉到家了。此等事情在学术界想必屡见不鲜,因为学霸们、权威们、先知们的思想总是统领某个或者整个领域。比如亚里士多德,他的思想便统领西方自然科学千年之久,堪称自然科学的皇帝。然而皇帝总有出错的时候,比如穿上了骗子的新衣。只是在科学领域,不只是存在一两个敢说真话的人,像我们前面提到的哥白尼和布鲁诺就是其中代表。我们还有更大胆的同学,他不仅仅说皇帝的新衣是假的,而且亲手在众人面前,扒掉了皇帝的新衣,让众人看到,一个赤裸裸的皇帝,不过如此!这位胆大包天的同学,便是伽利略,近代自然科学的先驱者。 (伽利略) 亚里士多德的教义里有那么一条:重物下落是物体的自然属性,物体越重,趋向自然位置的倾向性也就越大,所以下落速度也越大。即到物体下落速度与物体重量成正比。这条教义一直到16世纪仍然为人们所笃信,因为好像理所当然。不过从没有人怀疑过,这位哲人无非是转了转脑子就蹦出的这么句话,没想到成了金科玉律。事实上,早在伽利略之前,就有三人怀疑此语,只是他们没有流传下实验记录。而伽利略,作为实验物理的奠基人,第一次做了那个闻名遐迩的自由落体实验比萨斜塔实验。实验的设计很简单,让一个小铁球和一个大铁球同时在斜塔高出释放,看谁先落地。实验的思想却很精妙:假如小球下落慢v1、大球下落快v2,那么把两个球绑在一起的话,必然小球要拖慢大球的下落速率,于是这样的下落速率介于两者之间vv1+v2,可是两个在一起的质量大于任何一个m=m1+m2m1,m2,若看成整体那它们的下落速率应该大于其中任何一个vv1,v2。很显然,从同一个前提假设出发推出了一个矛盾的命题结论,亚里士多德的命题肯定有问题的。据说,伽利略在公众面前做了这个落体实验,证实了两个球是同时落地的,于是证明物体的下落速率与其质量无关。有人也一直怀疑伽利略到底干过这个事情没,事实上,即使如此的实验,也很难判定的,因为抓重球的那个手会释放的慢一些,所以可能会导致与亚里士多德完全相反的结论重球反而下落慢!这可不是人们所能接受的解释。只能说,比萨斜塔实验是伽利略一次成功的表演,真正扒掉皇帝的新衣的实验,乃是更为巧妙的斜面实验。 (比萨斜塔) 1632年和1638年是伽利略的丰收年,他在这两年里分别出版了两部《对话》:《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》支持了地动学说,首先阐明了运动的相对性原理;《两门新科学的对话》讨论了材料抗断裂、媒质对运动的阻力、惯性原理、自由落体运动、斜面上物体的运动、抛射体的运动等问题,给出了匀速运动和匀加速运动的定义。这两部《对话》奠定了力学的基础,而关于物体运动的相关讨论和实验研究,更是开创了用实验事实说话的物理学研究风格。更重要的是,关于运动的相对性原理和惯性的讨论,启发了后来的牛顿、爱因斯坦等人,后来关于惯性质量和引力质量的讨论引出了物理学史上最伟大的革命。而这一切的开端,就在于伽利略哪个精巧的斜面实验。 (伽利略的斜面实验) 斜面实验在现在看来非常简单:只要测量斜面上铜球滚下相同距离所需要的时间就可以。伽利略发现铜球滚下1/4距离所需要的实验正好是全程时间的一半,最终确认铜球滚下的距离与所用的时间平方成比例,并且对于不同高度的斜面均能成立。由此可以推广到90斜面,即自由落体运动,物体下落高度应该和所用的时间平方成正比。可是,这个实验有许多致命的问题。测量长度恐怕问题不大,因为只要测量斜面的几分之几而已,用根棉绳就可以做到,可是测量时间呢?读者恐怕会笑用个钟表不就可以嘛!事实上,您错了。那个年代根本没有钟表,因为钟表的发明其实起源于伽利略在后面的几年里关于单摆的等时性等后续研究中。 (钟摆计时器的发明原理是单摆的等时性) 没有表也要计时,这正是伽利略聪明之处,正如欧姆发现欧姆定律的时候,根本就不可能有电流表电压表一样(那时甚至连电流电压是啥都还不清楚!)。一种说法是伽利略用自己的脉搏计时(聪明吧?),只要数脉搏的个数,认为任意两个脉搏之间等时间间隔就可以,不过若您要是有哮喘,那就完了。《对话》里的记录是伽利略发明了漏水计量时间的方法,在一个大水箱戳个小洞,接下所须计量的时间内所有漏出的水,然后称量它们的比重,只要得到不同时间漏出的水的重量之比,就可以得到时间之比!这简直太绝了。不过这一招,其实在公元前二世纪咱大汉王朝就用过了,而且发明了最原始的计时工具漏壶,此待《水煮物理》下期后话。我更喜欢另一个传说,伽利略能精确计时,在于他有个懂音乐的老爸。伽利略小时候就跟老爸学小提琴,因此音乐节拍感非常强,所以只要在做实验的时候,哼支小曲就可以计量时间了,何不乐哉!传说终归还是传说,也就平时吹牛乐呵乐呵罢了。伽利略在斜面实验之后,对物体的运动问题做了大量思考,得出了许多有用而准确的结论。他对时间计量的发明,更是开拓了人类如何记录和度量时间的先河。中国人会日晷、漏壶、沙漏、燃香计时,可偏偏没有发明出机械计时,与其说是遗憾,不如说是孔子的吃饭哲学堵塞了读书人的脑子,实属必然。 (伽利略发明的机械定时器) 更多相关博文请访问 【若水阁】(科学博客) : 之零:物理当然很有趣 之一:物理是谁他妈生的? 之二:物理的第一次 之三:有关吃饭问题 之四:裸奔之行为艺术 之五:偷窥上帝的秘密
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伽利略事件
eloa 2008-10-28 11:15
赵洋 发表于2008-10-28 星期二 1:03 文/ TIMOTHY MOY 译/ 赵洋 译者的话:明年是伽利略用望远镜观看星空400周年。对于这个被符号化了的科学巨人和生活中的普通人,我们了解的并不多。通过下文所述的伽利略事件,今天的我们会知道,科学与政治、科学与宗教、传说与真相之间的关系远比我们想象的复杂。当然,人无完人,我们不能因为伽利略在其他方面的瑕疵抹煞他对科学做出的杰出贡献。 过去几十年来,科学史家重新检视了伽利略事件罗马教廷于1633年对伽利略进行的审判。虽然学者们对于伽利略为何被宗教裁判所审问这件事还没有达成共识(这很自然),但几乎所有的历史学家都同意,伽利略并不是因为相信哥白尼的日心说才遭受审判。 此案的事实并无争议。1616年,伽利略前往罗马,为他此前关于日心说的著作和公开言论作辩护。在此之前,有一些批评者指控伽利略传播与《圣经》相左的观点。然而这时,许多甚或绝大多数的教职人员已经得出结论,哥白尼的日心体系在预言天体位置(因为历法改革的缘故,这对教会尤其重要)时具有很高的精确度,并且十分有用。但是仍然存疑的是,这个宇宙体系是否是对真实情况的正确描述?最关键的是,从没有人能够令人信服地证明哥白尼学说的基本假设地球是否以很高的速度绕太阳运转。其次,有一些《圣经》经文仿佛暗示地球静止地位于宇宙的中心。当时这是一个异乎寻常的棘手问题。当时的天主教会处于历史的紧要关头,正面临着新教改革的压力。教会对于任何有可能质疑其对《圣经》解释权的争论都特别在意。 当伽利略1616年在罗马逗留时,得到了来自某些有权力的自由主义神学家的支持。特别是枢机主教Roberto Bellarmine 和 Maffeo Barberini,他们辩解道,如果有一天哥白尼的宇宙体系被证明是正确的,那么教会将不得不重新解释那些看起来与之矛盾的经文。无论如何,他们都支持伽利略最后的妥协方案:在能拿出最终的证明之前,伽利略应该承认日心说仅仅是一种假设,并不把它作为对宇宙的真实描述加以推广。 证据的难题 时间到了1624年,伽利略认为自己已经找到了苦苦寻觅的证明。更妙的是,他的旧盟友,Maffeo Barberini此时已加冕成为教皇乌尔班八世。这一年,伽利略回到罗马,六次觐见了新教皇。在会谈中,伽利略向教皇保证,他已经找到了地球运动的证据。乌尔班对这种实证可能带来的影响更有兴趣。他忧虑的是教会该如何处理这一证明带来的神学方面的问题。他同意伽利略就日心说问题进行写作,但是不许他将日心说描述为事实(而仅仅是一个有用的假设),除非他真的能证明日心说。 1632年,当伽利略确信自己掌握着日心说所需要的证明,并且感到教皇本人已批准了他的工作后,便出版了他的《两种世界体系的对话》一书。这是一本写得很机智的书,书中内容以三个人物的对话展开Simplicio(主张地心说的亚里士多德主义者),Salviati(主张日心说的哥白尼主义者)和Sagredo(在这场辩论中持中立态度的博学智者)。在这场对话中,Salviati系统地驳斥了Simplicio的所有观点,并得出了伽利略所主张的,富有挑战性的关于地球围绕太阳运转的证明。Sagredo最终总结道,睿智的Salviati(其实就是伽利略本人在书中的投影)是正确的。亚里士多德错了。然后三人退下,享受餐点和美酒。 然而,仍存在着一个问题:伽利略的新证明没有意义。这个虚假的论辩是关于潮汐现象如何证明了地球绕太阳运动的。但是潮汐的起因并不是这个。当外界开始施加压力时,伽利略却根本不知道如何证明地球真的在运动。伽利略因此越过了那条十六年前划定的界限他正在推行一种与《圣经》不符的思想,却又没有提供关于其真实性的令人信服的证据。(为了保护自己,伽利略在书中加了一个序言,声明自己对日心说的态度是把它当作纯粹的假说。但仅仅是对《对话》的粗略阅读也会看出上述说法不过是一种托辞。)伽利略的批评者在罗马立即展开了对其论据薄弱环节的争论。批评者认为应该指控伽利略犯了严重罪行:他违背了教皇的命令,并且推广与《圣经》相左的学说。(作者的重要说明:不像后人通常认为的那样,伽利略从未被指控为异端。异端是一种更加严重的罪行,会给被指控者带来极其严重的处罚。读者应该明白这种处罚是什么。) 到了1633年,伽利略被召回罗马以回应这些指控。对他的审判是一场拉锯式的战斗,牵涉到了包括教会法律、神学、数学在内的许多技术细节,最后由类似于陪审团的机构来裁决。在随后的辩护书中,伽利略承认自己在没有充分证据的情况下,将日心说作为事实来推广是走得太远了。他承诺再也不这样做了。控辩双方同意达成一个顾全面子的折衷方案。然后,几乎就在最后一刻(原因仍是一个谜),宗教裁判所驳回了这个控辩合约,宣布了最终裁决。这个判决出人意料地刺耳:伽利略被判有罪,因为他是异端般地持怀疑态度(这虽然没有直接被称为异端那么糟,但仍然比违抗指令和推行与《圣经》向左的教义严重得多),并要求他公开发誓放弃对日心说的信仰。1633年6月,伽利略在宣布自己以前言论无效的声明上签了字。(作者注:我应该指出,伽利略从来没有被投入地牢监禁或者在审讯中受到拷打,虽然不少人有这样的错觉。按当时人的说法,他身处的环境其实相当令人羡慕。) 经过这次审判,伽利略回到了他在佛罗伦萨郊外的别墅。在那里他颇有为巧妙地渡过了生命中的最后十年。舒适的居家生活背后是软禁和不得写作物理方面文章的禁令。为了表明对他的判决是被何等严厉地执行,在他的余生里,伽利略经常住在托斯卡纳的贵族兼赞助人的宫殿中。不仅如此,他还公开违背了箝制言论自由的裁定,写出了《论两种新科学》一书。在该书中,他实际上发明了运动学和材料学(虽然伽利略的犯罪记录意味着这本书不可以在意大利出版,但它仍于1638年在荷兰出版了)。在纯学术层面而言,《论两种新科学》一书才真正堪称伽利略对现代科学的最伟大贡献。伽利略于1642年去世,在同一年,艾萨克牛顿诞生了。 伽利略受到的惩罚 事实列举得够多了。但是教会究竟为何如此苛刻地对待伽利略呢?有些学者认为这要归因于伽利略的运气不好。因为他恰巧在政治环境最糟糕的时候出版了他的《对话》。在17世纪初,天主教会竭力避免来自基督教界内部的造反(新教改革)。当天主教会受到攻击时,教会内部不少人都不喜欢放宽对天主教学说的限制。伽利略很可能成了一场更大规模战争的间接牺牲品。 另有历史学家指出了伽利略生平中为数众多的瑕疵。毫无疑问,在攫取社会地位和政治地位时,他是一个贪婪的往上爬的人。他在意大利文艺复兴时期宫廷里施展的政治伎俩为自己树立了不少有势力的敌手。他对哥白尼体系的证明(该证明并不正确)做出后,伽利略显然希望能够借此赢得巨大声望,攀到宫廷金字塔的最高峰:梵蒂冈教廷(他渴望成为教皇的官方数学家和天文学家)。他以自己对哥白尼体系的证明作为赌注,却输掉了赌局,承担了随之而来的一切后果。 还有一些学者暗示伽利略的失势应归因于他与教皇个人关系的滑落。有一些文件支持这样的结论,教皇乌尔班八世感到自己被伽利略的错误证明所出卖。更令其恼怒的是,伽利略曾把教皇与他的私人谈话通过Simplicio(那个书中的笨蛋)之口写入《对话》的最后部分。 我的个人观点是,伽利略卷入这么多麻烦的原因有很多。首先,他认为日心说是正确的,并成为这个学说的传道者。悲哀的是,有很好的理由证明哥白尼的日心说那时已经在天主教主教团内部取得成功,并且即将成为一种可以被接受的基本学说如果伽利略强行出版《对话》的话。其次,他觉得教会需要改革其整个知识结构已达到现代化的更新要求,并用新的知识体系来抵御新教徒的攻击。特别是伽利略认为科学已经取代了神学成为教会的首要理解模式,这时接受哥白尼学说将是合适的第一步。第三,他认为在教会正好表现软弱、处于守势的时候,自己可以在形成新学说方面发挥最重要的影响。最后,他觉得他自己,伽利略伽利莱,有足够的权威和智慧来把天主教转到这一方向上来。当你阅读他的著作,便会明显地感到伽利略相信自己在天文学和数学方面的技能给了他(和所有的科学家)一种特别的权威,使他可以做出神学方面的声明,并告诉罗马教廷应该怎样管理教会。坦白地说,得知宗教裁判所给他落槌定罪时我并不感到意外。 不幸的是,伽利略与教会之间的麻烦后来变成了一个科学与宗教间历史关系的通俗原型。没有什么可以比事实走得更远。对于中世纪和文艺复兴时期而言,甚至延续到18世纪启蒙运动时,其间绝大多数时候科学研究和教学的主要支持者是罗马天主教会。事实上,有一个科学史学家John Heilbron最近出版了一本名为《教堂中的太阳》的书,记载了在伽利略事件发生后,教会如何继续推动关于日心说证据的研究。其中甚至包括将整个教堂变成一个巨大的小孔成像照相机,以便数次测量一年中太阳圆面视直径的变化。由于数学上的缘故,用哥白尼体系算出的太阳视圆面直径变化结果将与用托勒密-亚里士多德体系算出来的略有不同。17世纪50年代和60年代由教会主持的观测实验显示,测量结果显然支持哥白尼的学说。 因此,甚至是关于科学与宗教之间冲突的经典故事也比大多数人意识到的还要复杂。于我而言,这类传说中最伟大的一个罪犯还在以某种方式折磨我们:他混淆了对世界的两种不同理解方式之间的边界,在一种世界观里被专家断言为虚假的信仰在另一种世界观里却被推崇为权威。 进一步阅读 Mario Biagioli, Galileo, Courtier: The Practice of Science in the Culture of Absolutism (Chicago: University of Chicago Press, 1993). Owen Gingerich, The Galileo Affair, Scientific American 247, no. 2 (1982): 132143. Giorgio de Santillana, The Crime of Galileo (Chicago: University of Chicago Press, 1955). 译注: 本文译自Science and Religion: Are They Compatible? 一书中的THE GALILEO AFFAIR一文。 该文作者Timothy Moy是新墨西哥州大学历史系副教授。2007年7月22日,他在夏威夷瓦胡岛参加学术会议时因为救自己的儿子而溺亡。 查看他的网页,他在著名的无神论杂志The Skeptical Inquirer发表过Science, Religion, and the Galileo Affair, The Skeptical Inquirer 25 (Sep/Oct 2001) pp. 43-45.一文,不知两篇文章有何异同。 转载原创文章请注明,转载自: 科学松鼠会 本文链接: http://songshuhui.net/archives/3374.html
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普朗克原理 (Planck's Principle)
nwpacific 2008-10-24 20:27
New scientific truth does not triumph by convincing its opponents and making them see the light, rather because its opponents eventually die, a new generation grows up that is familiar with it ------ MaxPlanck _____________________________________________ 必须说明,我们不可借助此原理宣扬伪科学。伪科学者是没有基本的或严格的科学训练的人。
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从伽利略到朱棣文
jlpemail 2008-9-11 21:16
从伽利略到朱棣文 重力测量点滴之三 有人把朱棣文用原子干涉仪进行的重力测量和先前的绝对重力测量仪器进行的测量结果的比较,称为现代比萨斜塔实验。这是有道理的。 这两个实验,都利用了自由落体规律。实验都表明,重力的作用,对于宏观的球体和对于微观的球体,是一视同仁的。 但是,朱棣文的实验,还使用了干涉技术。干涉技术多次被用于测量时间、距离或者重力。其他比如:迈克尔逊激光干涉技术、甚长基线干涉技术。他们利用了光、电磁波或者原子的物质波动特性,其实现远比伽利略时代的实验要复杂得多。 干涉技术只是实现测量目的的技术之一,测量量的观测还需要其他技术的配合。 而笔者关注的是,即使是原理简单的自由落体现象,其作用的发挥也是不断花样翻新的。谁能保证,以后不会有更奇妙的粒子,等待我们用于重力测量?精度再上一个台阶,不是没有可能的。 虽然相距 400 年,但可以说,伽利略是 16 世纪的朱棣文、朱棣文是 20 世纪的伽利略。他们的共同之处在于,极度重视物理科学的实验性、操作性;强调技术细节。原理十分简单的试验,其实现未必简单。可能会在一些不为人察觉的细节上出现纰漏,导致试验的失败。 在从 1564 至今的四百多年中,对重力测量的理论和实践施加了重要影响的人物不胜枚举。笔者兴趣所在,还是进行了这些特别试验的人们。从早期的数学摆、物理摆,到 20 世纪早期的气压重力仪、再到弹簧重力仪,直至现在的原子干涉重力仪器,许多能工巧匠留下了他们的闪光名字。 他们的思想和理念值得研究和推崇。
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