㈠ 查一些關於幾個物理學家的簡介
1.哥白尼
哥白尼1473年2月19日出生於波蘭維斯杜拉河畔的托倫市的一個富裕家庭。18歲時就讀於波蘭舊都的克萊考大學,學習醫學期間對天文學產生了興趣。1496年,23歲的哥白尼來到文藝復興的策源地義大利,在博洛尼亞大學和帕多瓦大學攻讀法律、醫學和神學,博洛尼亞大學的天文學家徳·諾瓦拉(de Novara,1454-1540)對哥白尼影響極大,在他那裡學到了天文觀測技術以及希臘的天文學理論。後來在費拉拉大學獲宗教法博士學位。哥白尼作為一名醫生,由於醫術高明而被人們譽名為「神醫」。哥白尼成年的大部分時間是在費勞恩譯格大教堂任職當一名教士。哥白尼並不是一位職業天文學家,他的成名巨著是在業余時間完成的。
在義大利期間,哥白尼就熟悉了希臘哲學家阿里斯塔克斯(前三世紀)的學說,確信地球和其他行星都圍繞太陽運轉這個日心說是正確的。他大約在40歲時開始在朋友中散發一份簡短的手稿,初步闡述了他自己有關日心說的看法。哥白尼經過長年的觀察和計算終於完成了他的偉大著作《天體運行論》。他在《天體運行論》(De revolutionibus orbium coelestium)中觀測計算所得數值的精確度是驚人的。例如,他得到恆星年的時間為365天6小時9分40秒,比現在的精確值約多30秒,誤差只有百萬分之一;他得到的月亮到地球的平均距離是地球半徑的60.30倍,和現在的60.27倍相比,誤差只有萬分之五。
1533年,60歲的哥白尼在羅馬做了一系列的講演,提出了他的學說的要點,並未遭到教皇的反對。但是他卻害怕教會會反對,甚至在他的書完稿後,還是遲遲不敢發表。直到在他臨近古稀之年才終於決定將它出版。1543年5月24日去世的那一天才收到出版商寄來的一部他寫的書。
在書中他正確地論述了地球繞其軸心運轉;月亮繞地球運轉;地球和其他所有行星都繞太陽運轉的事實。但是他也和前人一樣嚴重低估了太陽系的規模。他認為星體運行的軌道是一系列的同心圓,這當然是錯誤的。他的學說里的數學運算很復雜也很不準確。但是他的書立即引起了極大的關注,驅使一些其他天文學家對行星運動作更為准確的觀察,其中最著名的是丹麥偉大的天文學家泰壽·勃萊荷,開普勒就是根據泰壽積累的觀察資料,最終推導出了星體運行的正確規律。
雖然阿里斯塔克斯比哥白尼提出日心學說早1700多年,但是事實上哥白尼得到了這一盛譽。阿里斯塔克斯只是憑借靈感做了一個猜想,並沒有加以詳細的討論,因而他的學說在科學上毫無用處。哥白尼逐個解決了猜想中的數學問題後,就把它變成了有用的科學學說——一種可以用來做預測的學說,通過對天體觀察結果的檢驗並與地球是宇宙中心的舊學說的比較,你就會發現它的重大意義。
顯然哥白尼的學說是人類對宇宙認識的革命,它使人們的整個世界觀都發生了重大變化。但是在估價哥白尼的影響時,我們還應該注意到,天文學的應用范圍不如物理學、化學和生物學那樣廣泛。從理論上來講,人們即使對哥白尼學說的知識和應用一竅不通,也會造出電視機、汽車和現代化學廠之類的東西。但是不應用法拉第、麥克斯韋、拉瓦錫和牛頓的學說則是不可想像的。
僅僅考慮哥白尼學說對技術的影響就會完全忽略它的真正意義。哥白尼的書對伽利略和開普勒的工作是一個不可缺少的序幕。他倆又成了牛頓的主要前輩。是這兩者的發現才使牛頓有能力確定運動定律和萬有引力定律。
從歷史的角度來看,《天體運行論》是當代天文學的起點——當然也是現代科學的起點.
2.伽利略
伽利略(Galileo Galilei,1564-1642),義大利物理學家、天文學家和哲學家,近代實驗科學的先驅者。
1590年,伽利略在比薩斜塔上做了「兩個鐵球同時落地」的著名實驗,從此推翻了亞里士多德「物體下落速度和重量成比例」的學說,糾正了這個持續了1900年之久的錯誤結論。
1609年,伽利略創制了天文望遠鏡(後被稱為伽利略望遠鏡),並用來觀測天體,他發現了月球表面的凹凸不平,並親手繪制了第一幅月面圖。1610年1月7日,伽利略發現了木星的四顆衛星,為哥白尼學說找到了確鑿的證據,標志著哥白尼學說開始走向勝利。藉助於望遠鏡,伽利略還先後發現了土星光環、太陽黑子、太陽的自轉、金星和水星的盈虧現象、月球的周日和周月天平動,以及銀河是由無數恆星組成等等。這些發現開辟了天文學的新時代。
伽利略著有《星際使者》、《關於太陽黑子的書信》、《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》和《關於兩門新科學的談話和數學證明》。
為了紀念伽利略的功績,人們把木衛一、木衛二、木衛三和木衛四命名為伽利略衛星。
人們爭相傳頌:「哥倫布發現了新大陸,伽利略發現了新宇宙」。
3.布魯諾
科學的殉道士---喬爾丹諾·布魯諾(公元1548~1600年),出生於義大利那不勒斯附近的諾拉鎮。大概他幼年喪失父母,或者家境貧寒,所以由神甫養育長大。這個窮孩子自幼好學,15歲那年當了多米尼修道院的修道士。全憑頑強自學,終於成為當時知識淵博的學者。
4.開普勒
約翰尼斯·開普勒(Johannes Kepler)
公元1571年~公元1630年11月15日
行星運動定律的創立者約翰尼斯·開普勒於公元1571年出生在德國的威爾德斯達特鎮,恰好是哥白尼發表《天體運行論》後的第二十八年。哥白尼在這部偉大著作中提出了行星繞太陽而不是繞地球運轉的學說。開普勒就讀於蒂賓根大學,1588年獲得學士學位,三年後獲得碩士學位。當時大多數科學家拒不接受哥白尼的日心說。在蒂賓根大學學習期間,他聽到對日心學說所做的合乎邏輯的闡述,很快就相信了這一學說。」
在蒂賓根大學畢業後,開普勒在格拉茨研究院當了幾年教授。在此期間完成了他的第一部天文學著作(1596年)。雖然開普勒在該書中提出的學說完全錯誤,但卻從中非常清楚地顯露出他的數學才能和富有創見性的思想,於是偉大的天文學家泰修·布拉赫邀請他去布拉格附近的天文台給自己當助手。開普勒接受了這一邀請,1600年1月加入了泰修的行列。泰修翌年去世。開普勒在這幾個月來給人留下了非常美好的印象,不久聖羅馬皇帝魯道夫就委任他為接替泰修的皇家數學家。開普勒在餘生一直就任此職。
作為泰修·布拉赫的接班人,開普勒認真地研究了泰修多年對行星進行仔細觀察所做的大量記錄。泰修是望遠鏡發明以前的最後一位偉大的天文學家,也是世界上前所未有的最仔細、最准確的觀察家,因此他的記錄具有十分重大的價值。開普勒認為通過對泰修的記錄做仔細的數學分析可以確定哪個行星運動學說是正確的:哥白尼日心說,古老的托勒密地心說,或許是泰修本人提出的第三種學說。但是經過多年煞費苦心的數學計算,開普勒發現泰修的觀察與這種三學說都不符合,他的希望破滅了。
最終開普勒認識到了所存在的問題:他與泰修、拉格茨·哥白尼以及所有的經典天文學家一樣,都假定行星軌道是由圓或復合國組成的。但是實際上行星軌道不是圓形而是橢圓形。
就在找到基本的解決辦法後,開普勒仍不得不花費數月的時間來進行復雜而冗長的計算,以證實他的學說與泰修的觀察相符合。他在1609年發表的偉大著作《新天文學》中提出了他的前兩個行星運動定律。行星運動第一定律認為每個行星都在一個橢圓形的軌道上繞太陽運轉,而太陽位於這個橢圓軌道的一個焦點上。行星運動第二定律認為行星運行離太陽越近則運行就越快,行星的速度以這樣的方式變化:行星與太陽之間的連線在等時間內掃過的面積相等。十年後開普勒發表了他的行星運動第三定律:行星距離太陽越遠,它的運轉周期越長;運轉周期的平方與到太陽之間距離的立方成正比。
開普勒定律對行星繞太陽運動做了一個基本完整、正確的描述,解決了天文學的一個基本問題。這個問題的答案曾使甚至象哥白尼、伽利略這樣的天才都感到迷惑不解。當時開普勒沒能說明按其規律在軌道上運行的原因,到17世紀後期才由艾薩克·牛頓闡明清楚。開普勒對此運動性質的研究,我們可以看到萬有引力定律已見雛形。開普勒在萬有引力的證明中已經證到:如果行星的軌跡是圓形,則符合萬有引力定律。而如果軌道是橢圓形,開普勒並未證明出來。牛頓後來用很復雜的微積分和幾何方法證出。
牛頓曾說過:「如果說我比別人看得遠些的話,是因為我站在巨人的肩膀上。」開普勒無疑是他所指的巨人之一。
開普勒對天文學的貢獻幾乎可以和哥白尼相媲美。事實上從某些方面來看,開普勒的成就甚至給人留下了更深刻的印象。他更富於創新精神。他所面臨的數學困難相當巨大。數學在當時遠不如今天這樣發達,沒有計算機來減輕開普勒的計算負擔。
從開普勒取得的成果的重要性來看,令人感到驚奇的是他的成果起初差一點被忽略,甚至差點被伽利略這樣如此偉大的科學家所忽略(伽利略對開普勒定律的忽視特別令人感到驚奇,因為他倆之間有書信往來,而且開普勒的成果會有助於伽利略駁斥托勒密學說)。如果說其他人遲遲不能賞識開普勒成果的重大意義的話,他本人是會諒解這一點的。他在一次抑制不住巨大喜悅時寫道:「我沉湎在神聖的狂喜之中……我的書已經完稿。它不是會被我的同時代人讀到就會被我的子孫後代讀到——這是無所謂的事。它也許需要足足等上一百年才會有一個讀者,正如上帝等了6000年才有一個人理解他的作品。」
但是經過幾十年的歷程,開普勒定律的意義在科學界逐漸明朗起來。實際上在17世紀晚期,有一個支持牛頓學說的主要論點認為開普勒定律可以從牛頓學說中推導出來,反過來說只要有牛頓運動定律,也能從開普勒定律中精確地推導出牛頓引力定律。但是這需要更先進的數學技術,而在開普勒時代則沒有這樣的技術、就是在技術落後的情況下,開普勒也能以其敏銳的洞察力判斷出行星運動受來自太陽的引力的控制。
開普勒除了發明行星運動定律外,還對天文學做出了許多小的貢獻。他也對光學做出了重要的貢獻。不幸的是他在晚年為私事而感到憂傷。當時德國開始陷入「三十年戰爭」的大混亂之中,很少有人能躲進世外桃源。
他遇到的一個問題是領取薪水。聖羅馬皇帝即使在較興隆的時期都是怏怏不樂地支付薪水。在戰亂時期,開普勒的薪水被一拖再拖,得不到及時的支付。開普勒結過兩次婚,有十二個孩子,這樣的經濟困難的確很嚴重。另一個問題是他的母親在1620年由於行巫術而被捕。開普勒花費了大量的時間設法使母親在不受拷打的情況下獲得釋放,他終於達到了目的。
開普勒於1630年在巴伐利亞州雷根斯堡市去世。在「三十年戰爭」的動亂中,他的墳墓很快遭毀。但是業已證明他的行星運動定律是一座比任何石碑都更為久佇長存的紀念碑。
5.第谷
第谷(Tycho Brahe),1546年12月14日生於斯坎尼亞省基烏德斯特普的一個貴族家庭。其父是律師。1601年10月24日,第谷逝世於布拉格,終年57歲。
第谷於1559年入哥本哈根大學讀書。1560年8月,他根據預報觀察到一次日食,這使他對天文學產生了極大的興趣。1562年第谷轉到德國萊比錫大學學習法律,但卻利用全部的業余時間研究天文學。1563年他寫出了第一份天文觀測資料——「木星合土星」,記載了木星、土星和太陽在一直線上的情況。1565年第谷開始到各國漫遊,並在德國羅斯托克大學攻讀天文學。從此他開始了畢生的天文研究工作,取得了重大的成就。
第谷的一生在天文觀測方面所取得的成果,為近代天文學的發展奠定了堅實的基礎。第谷的最重要發現是1572年11月11日觀測了仙後座的新星爆發。前後16個月的詳細觀察和記載,取得了驚人的結果,徹底動搖了亞里士多德的天體不變的學說,開辟了天文學發展的新領域。
1576年在丹麥國王弗里德里赫二世的建議下,第谷在丹麥與瑞典間的赫芬島開始建立「觀天堡」。這是世界上最早的大型天文台,在這里設置了四個觀象台、一個圖書館、一個實驗室和一個印刷廠,配備了齊全的儀器,耗資黃金1噸多。直到1579年,第谷一直在這里工作20多年,取得了一系列重要成果,創制了大量的先進 天文儀器。其中最著名的有1577年以二顆明亮的彗星的觀察。他通過觀察得出了彗星比月亮遠許多倍的結論,這一重要結論對於幫助人們正確認識天文現象,產生了很大影響。
1599年丹麥國王弗里德里赫死後,第谷在波希米亞皇帝魯道夫十世的幫助下,移居布拉格,建立了新的天文台。1600年第谷與開普勒相遇,邀請他作為自己的助手,次年第谷逝世,開普勒接替了他的工作,並繼承了他的宮廷數學家的職務。第谷的大量極為精確的天文觀測資料,為開普勒的工作創造了條件,他所編著經開普勒完成,於1627年出版的《魯道夫天文表》 成為當時最精確的天文表。
第谷是一位傑出的觀測家,但他的宇宙觀卻是錯誤的。第谷本人不接受任何地動的思想。他認為所有行星都繞太陽運動,而太陽率領眾行星繞地球運動。他的體系是屬於地心說的。
可以說,作為丹麥天文學家的第谷,是近代天文學的奠基人。他的學生開普勒也是一位很傑出的天文學家。
第谷在一次決斗中失去了鼻子,因此安裝了一個著名的金鼻子。
6.托勒密
克勞迪亞斯·托勒密
克勞迪亞斯托勒密大約於公元90年出生在希臘。同當時許多偉大的學者一樣.他也來到亞歷山大求學。托勒密同斯特雷波一道為地理學和繪制學的研究奠定了基礎。托勒密在天文學、光學和音樂方面也頗有造詣。
斯特雷渡對地理學的興趣主要側重於實用方面——如何將世界展示在地圖上。托勒密的研究角度更為科學和理論化。他想了解整個世界——不僅僅是人類可以居住的地方,他還想知道地球是怎樣同茫茫宇宙相聯系的。
同絕大多數學者一樣.托勒密認為世界是球體,並提出以下幾點理由:
1、如果地球是扁平的,那麼全世界的人將同時看到太陽的升起和落下。
2、我們向北行進,越靠近北極,南部天空越來越多的星星便看不見了,同時卻又出現了許多新的星星。
3、每當我們從海洋朝山的方向航行時,我們會覺得山體在不斷地升出海面;而當我們逐漸遠離陸地向海洋航行時,卻看到山體不斷地陷入海面。
在托勒密時代,地理學家已經把喜恰帕斯畫的南北走向的線叫做經線,把與赤道平行的線叫做緯線。同喜恰帕斯一樣,托勒密也把地球分成360度。他還將每一度分成60分,每一分分成60秒。他發展了弦的體系,通過將其展現在平面上,讓人們對分和秒有更加直觀的概念。托勒密的這一體系使地圖繪制者能夠精確地確定物體在地球上的位置,並沿用至今。
托勒密知道,通過從太陽、星星那裡得來的測量數據,地球上的每個地方都能被精確地測得方位。他描繪了兩件用來測量角度的工具。被用來觀測星星的角度的儀器叫星盤(也叫星測儀)。它是一塊圓形的銅板或木板分割成若干角度,中心有一根可以轉動的指針。當指針指向一顆星星時,它的投影會在表盤上讀出星星的照射角度。托勒密還說,為了保證盤面的水平,星盤應放置在一個三角台座或基座上。托勒密描述的第二個儀器是成角日晷儀。它是由一塊方形的石頭或木塊,邊上插一根立柱製成。它被用來測量太陽每天的高度,而不是每小時的高度。如果我們把這個儀器放置在某一固定位置,並且堅持一年中每天都對太陽高度進行記錄,那麼我們就能夠准確地判斷出這個地方的方位。
在《地理學》的前言中,托勒密將地圖繪制分成兩種。地區圖編制著眼於小區域地圖的繪制,例如村莊、城鎮、農場、河流以及街道。地理學意義上的繪圖更加關注大范圍的地表現象,例如山脈、大江、大湖以及大城市。繪制這樣的地圖,需要藉助天文學以及數學方面的知識,從而達到准確無誤。
托勒密的投影圖
托勒密非常清楚,將球狀的地球表面畫到一張扁平的地圖上意味著許多誤差和扭曲,因此他創立了將球體圖形投射到平面上的技術。這一技術需要極大的耐心以及數學方面的知識。
在《地理學》一書中,托勒密將整個世界畫在27張地圖上。其中歐洲畫了10張,亞洲畫了12張,非洲畫了4張。托勒密畫每張地圖時,總是將地圖正上方定為正北,這便是我們現在上北下南、左西右東的由來。在這本書的最後,托勒密列出了地圖上所有的地名以及它們的經度和緯度。他的著作為以後地圖集的製作提供了典範,並且一直沿用了近2000年。
托勒密為科學繪制地圖奠定了基礎,然而直到許多年後,他在這方面所做的努力和成績才得到後人的承認和進一步的發展。