你有多重?只要你踩到称重器上就可以精确的获知,随着科学技术的不断提高,人类研发的精密电子秤已经可以称量到0.05g以下,可以说一根头发丝的重量都可以测量出来。
那么你是否想过一个问题,质量极大的星球,人类是如何测量出它们的质量呢?难道是要在宇宙中放一个超大的电子秤吗?这当然是不可能的,那么真实的测量过程是怎样的呢?
没有探测器的年代给星球测体重
在科技比较发达的现代社会,想要知道某一个星球的质量,我们只需要通过发射卫星探测器,就能够获取到其公转半径以及该星球的直径等数据,人们只需要将这些数据套用到牛顿万有引力定律中就可以获得比较准确的星球质量。
那么问题来了:在没有卫星探测器的时代,人类是用什么办法获得这些数据的呢?让我们一起来看一下前辈们的推理历史。
如果提到天文学界,开普勒这个名字相信大家都很熟悉,1619年开普勒石破天惊般的提出了“开普勒三大定律”,我们着重来看一下第三定律,内容是所有的行星的轨道的半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等。
这个看起来很费劲的定律在这里不需要你去理解,你只需要知道,开普勒提出的这第三定律,给了牛顿站在巨人肩膀上的阶梯。
开普勒提出的三大定律其实是没有准确的科学数据支持的,所以一直到70年后,牛顿才基于开普勒的经验定律,通过牛顿第二定律和万有引力定律,给予了开普勒第三大定律完整且科学的数据支持。
通过牛顿的定律我们因此得知,如果想要知道太阳的质量,那么只需要知道任意一颗行星到太阳的距离和行星围绕太阳的公转周期就可以了。
不得不说牛顿的结论给了早期没有探测器的人类方向,将庞大太阳的质量简化成了两个数值,接下来人们只需要想办法获得这两个数值就可以举一反三的测出宇宙中任何星球的质量了。
现代的我们依赖科学的力量,殊不知没有前辈们投入的心血,现代社会也没法发展到这样的高度。
太阳质量怎么“称量”出的?
我们已经得知,想要测量出太阳的质量,只需要获得日地之间的距离以及地球的公转周期即可,但是在测试的过程中人们发现了一个大问题,就是我们无法在大白天给太阳找一个背景参照物。
我们拿测量地球和月球之间的距离举例,如果我们想要得知地月距离,只需要在黑龙江放置一个观测点,然后在海南放一个观测点,由于两个地点位置不同,那么看到的月球位置也不同,这就会出现一个视差角。
如果你把黑龙江、海南和月球三点看作是一个三角形,那么三角形的顶点就是视差角,已知黑龙江到海南的直线距离和视差角的度数,那么通过三角函数就很容易计算出地月的距离。
说回前面提到的,这里的月球位置是以其它星座和星系的位置作为参照物的,但是太阳没有这个条件,怎么办呢?
聪明的哈勃想到了金星凌日这个办法。金星凌日可以简单的理解为金星来到了地球和太阳的中间,就好比是月食,只不过金星离得太远无法把太阳遮挡住,只能在太阳上留下一个黑点,所以以这个黑点作为参照物人们开始了太阳质量的计算。
已知地球和金星的公转周期比是1:0.72,所以我们在地球上安置两个观测点来观察金星凌日这个小黑点在太阳上的位置,分别是A和B,已知地球上两个观测点的直线距离,我们就可以知道A和B之间的距离,从而就获得了太阳的直径。
要知道在金星凌日并不是每年都会发生的,上一次发生在2012年,下一次发生的时间大约要到2150年以后了,所以在1769年的金星凌日时期,英法连仗都不打了,停下来认真计算太阳的大小。
开普勒让我们获得了测量的方向,牛顿给这个方向确定了精确的公式,而另一位科学家卡文迪许又给牛顿公式中的常数G确定了最终数值,再加上金星凌日的数据,人类终于知道太阳的质量为1.989×10³⁰千克。
罗马不是一天就建成的,在那个没有探测器的时代,太阳的质量承载了好几代人的心血,这种精神值得高速发展的现代人类认真学习。
中国古代也有独门技巧
西方人在研究太阳质量这一点上就花费了近百年的时间,可以说这些结论和数据为现代天文学铸造了坚实的地基。不过相信很多小伙伴已经发现,在这一点上好似没有中国人的影子,难道中国如今的天文学发展也是依靠外国人的信息数据?
答案必然是否定的。要知道早在公元前28年,处于西汉时期的中国人就已经有了人类历史上第一次关于太阳黑子的记录。而西方第一次针对太阳黑子的记录却在公元807年,足足比中国晚了800多年。
不仅是太阳黑子,中国人第一次发现彗星的存在,竟然可以追溯到公元前1034年,同样西方第一次发现彗星比中国晚了1000多年。
关于中国天体测量的最早记录,同样可以追溯到5000多年前,那个时候的中国人就有了观测天体的意识,并且根据长期观察日月星辰方位和四季的变化,创新性的发明了最早的观测天体仪器——浑仪。
后续的几千年,不同时期的中国人基于浑仪又进行了多次更新,整个项目足足领先了世界300多年,是世界天文史上绝对的领先者。
在现代天文学领域,恒星和行星的区分认知已经成为入门级的知识,但是人类历史上第一次对于恒星的划分,依旧出现在中国,并且是在5000多年前的秦朝,秦代的人民为恒星划分星区,也就是中国人所熟悉的二十八星宿。
到了唐朝,那时的科学家就已经发现了恒星移动的现象,并以此创造出了一款名为“复矩图”的仪器,通过这款仪器,进行了世界上首次子午线的实测,可见中国古代的天文学在世界上的领先地位。
一直以来,现代人都吃惊且崇拜着中国古人的智慧,在那个以小农经济为主的古代社会,中国人却能用各种在今天看来很科学的方式进行天文观测,并且还能将观测到的结果运用到农业领域,这是十分难能可贵的。
作为一个现代人,看到眼前这些承载中国古人的天文成就,心里始终的无比的激动和自豪。
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