超市中便捷高效的电子秤,仅需轻轻一触,便能瞬间知晓物品的重量。然而,倘若我说要将太空中悬浮的巨大行星放上这个秤,你又会如何做呢?
现代人尚且无法想象怎么跨越遥远距离,准确“称”出巨大行星的重量,这件事情却让古人做到了!
巧妙代换“质量”与“重量”
在行星的世界里,质量与重量是两个既相关,又截然不同的概念。
在地球上,我们的重量会随着地球引力和外部环境(如月球引力)的变化而波动;
而质量,则是物体固有的、恒久不变的属性,代表了物体内部所含物质的总量,不受位置或所受引力的影响。
面对行星质量这一看似遥不可及的谜题,科学家们巧妙地避开了直接测量的重重困难。他们借助万有引力定律这一自然界的伟大法则,以及天体力学理论,开辟了一条间接估算行星质量的新途径。
古代科学家,如何测量行星质量?
早在公元前3世纪,希腊天文学家阿里斯塔克斯就断言,太阳不仅远比地球庞大,而且还是整个宇宙的中心舞台。阿里斯塔克斯提出太阳质量远比地球庞大的观点,在当时的社会中引起了巨大轰动。
他还仅凭肉眼,通过观察月亮、太阳与地球之间角度的微妙变化,大胆地估算出地球至太阳的距离。
阿里斯塔克斯认为地球至太阳的距离,是地球至月亮的20倍之遥。尽管阿里斯塔克斯的数据与后来精确测量,约400倍存在较大差距,但在那个科技尚未萌芽的时代,完全依赖于精确的几何计算和细致的观测,是对未知世界的一次勇敢探索。
17世纪,当意大利科学家伽利略,首次将望远镜对准夜空,揭开木星卫星运动的神秘面纱,整个科学界为之震动的景象!伽利略的发现开启了探索行星质量的大门,促使科学家开始思考行星质量的奥秘。
随后,英国科学巨匠牛顿横空出世,他提出万有引力定律,为行星质量的计算铺设了坚实的理论基础。通过观测行星对其卫星的引力作用,科学家能够计算出行星的质量。
牛顿的引力定律提出,质量越大,引力越强;距离越远,引力越弱。
用严格的物理语言复述,就是任何两个物体之间都存在着引力,这种引力的大小与两个物体的质量直接相关,成正比增长;而同时,这种引力又会随着两物体间距离的增加而迅速减弱,具体表现为与距离的平方成反比。
牛顿这一发现,彻底颠覆了我们对宇宙的认知,让行星质量这一曾经遥不可及的谜题,变得有迹可循。
在此之前,德国天文学家开普勒的轨道理论,特别是那著名的第三定律,为行星运动规律勾勒出了清晰的轮廓。这一定律描述了行星轨道周期,与轨道半径之间的关系。
现代测算方法:超越万有引力定律
现代行星的质量推算,通常依赖于其卫星的轨道运动。如果一颗行星拥有卫星,比如地球的月球或木星的伽利略卫星,科学家可以通过观测这些卫星绕行星运动的轨道周期,和轨道半径来间接计算出行星的质量。
即使在没有卫星的情况下,科学家也能通过行星对附近天体(如其他行星、彗星或探测器)的引力微扰,推测出行星的质量。这些微扰表现为,附近天体轨道的细微偏移。通过精密的观测和计算,科学家可以利用这些轨道偏移量,反推出行星的质量。
正是基于开普勒的轨道理论和牛顿的万有引力定律,科学家们才能通过精确测量,利用万有引力公式进行反向推导,计算出行星的质量。这种科学方法,既避免了直接对庞大行星进行“称重”的难题,还展示了物理学原理在天文观测中的强大应用。
中国古代天文学也不甘落后
尽管中国古代天文学在量化行星质量方面,未能达到现代科学的精准度,但其中国古代对天体运动的观察,却具有重要的历史价值。《周髀算经》是中国古代最早的天文学著作之一,约成书于公元前5世纪。书中,古人以非凡的观察力与计算能力,勾勒出了天体运动的图景。
《周髀算经》虽未直接触及行星质量的度量,却通过天体间的相对运动与周期性更迭,为后来的天文学理论奠定了基础。在《周髀算经》中,天文学家通过观测行星的运动周期、轨道等,建立了早期的“天文模型”,间接推测了行星的引力效应,从而在一定程度上涉及了行星的质量问题。
同时《墨子》一书中,提出的“光景”与“天文”理论。《墨子》虽未直接聚焦行星质量,但对天体位置与运动轨迹的精细观察,为古代天文学的数据宝库增添了宝贵财富。跨越至宋代,沈括的《天元纪略》则描绘了天体运动的周期性奥秘,其研究为理解天体的引力作用,和质量差异提供了理论支持。
古代中国,最接近行星质量思考的描述,出现在《淮南子》一书中。《淮南子》记载了“五星连珠”奇观,也提出了他们对天体“轻重”概念的朴素表达。
《淮南子》里的“轻重”,虽非现代意义上的物理质量,却巧妙地反映了古人根据行星运动速度,与亮度差异所做出的直观判断。《淮南子》显示,古代中国的天文学家通过长期观察,注意到行星在天空中,有时移动得更快,有时则显得缓慢,甚至会出现“逆行”的现象。
此外,行星的亮度也会发生变化,有时明亮得耀眼,有时则暗淡无光。在没有精密仪器的时代,他们凭借着肉眼观测和经验积累,揭开了这些现象与行星的位置、轨道及其与地球的相对距离的关系。
他们将行星的“轻重”,与其运动速度和亮度变化联系在一起。例如,行星在远离地球时,通常表现得较为“轻”,即运动速度较慢,亮度也较为暗淡;
而当它们接近地球时,则显得较为“重”,即运动速度加快,亮度也增强。这种理解,虽未触及到真正的物理质量概念,却反映了古人对天体运动规律的初步认识。
现代天体物理学揭示,行星的“轻重”实际上与它们在不同轨道位置上,受到的引力作用有关。根据现代天文学的解释,行星在围绕太阳运行的过程中,由于椭圆轨道的形状,与地球的距离不断变化。这种距离的变化,导致了行星在天空中表现出不同的速度和亮度。
当行星接近地球时,地球与行星之间的引力相互作用增强,因此行星的运动速度加快,反射的阳光也显得更为明亮。反之,当行星远离地球时,引力作用减弱,行星的运动速度放慢,亮度也随之减弱。
结语
行星“称量”,这一在古人眼中近乎神话的任务,在科学的照耀下变得可能。这种间接测量行星质量的方法,是科学技术的一次飞跃,更是人类智慧与想象力的一次胜利。
虽然“称量”行星的质量在传统意义上是不可能的,但通过古代科学家们的智慧和现代科学家的努力,我们已经能够通过精密的物理计算,准确地测定行星的质量。这种间接测量方法展示了科学思维的强大力量,以及人类在探索宇宙奥秘时所展现出的无尽智慧与想象力。
正是这种科学精神,推动着我们不断向未知领域迈进,揭开宇宙深处的重重谜团。