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实验数据精度对物理学理论发展的影响 精选

已有 5415 次阅读 2009-12-5 13:30 |个人分类:未分类|系统分类:科研笔记

实验数据精度对物理学理论发展的影响(一)

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一、物理学诞生时期的理论走向---椭圆轨道确立了日心说

普遍认为,物理学的真正建立是一场起自哥白尼终于牛顿的革命导致的必然结果【补充参考文献目录】。
因此,尽管从现在看,哥白尼及其后的开普勒的主要工作是在天文学领域,但是由于给出其学说的动力学解释的任务属于物理学领域(这个任务由牛顿利用力学定律和万有引力定律完成),因此哥白尼日心说的确立过程同样也是属于物理学史的研究范畴的。
1543年,哥白尼出版了其天文学名著《天球运行论》,这标志着日心说的正式确立补充参考文献目录】。
然而,哥白尼的日心说仍然存在着几个明显的缺陷和隐患,其中一个就是认为行星围绕太阳运行的轨道仍然是圆形。
自古希腊甚至更早,出于美学和简单性的考虑,人们认为天体运行轨道是完美的圆,以至于柏拉图在提出著名的“拯救现象”的任务(以解释行星的逆运动)的时候,限定了天体的真实运行轨迹必须是圆形【补充参考文献目录】。
哥白尼虽然用太阳取代了地球的中心位置,但是他仍然保留了圆轨道,这导致了其。
而从数学上作一个简单考虑,根据傅立叶级数的基本原理可知,任何一个周期性运动的轨道,都可以用一系列振幅不同的圆轨道迭加以任意精度无限逼近【补充参考文献目录】。从这个意义上说,哥白尼学说的精确性不会比托勒密地心说更高,而却面临着动力学上似乎无法克服的困难。哥白尼在《天球运行论》中表现出的谨慎态度--日心说更多的是作为一个方便的天文学计算模型而不是对宇宙体系的更真实更精确的描述来出现的也基本说明了这一点。
考虑到当时与地心说和日心说同时存在的还有第谷的折中性质的宇宙模型--地球仍然居于中心,太阳绕地球运行,而其他行星围绕太阳运行。如果从对科学理论的合理性角度来考虑的话,第谷的学说反而是当时的最科学的理论---既能够自然的描述行星的逆运动,给出同样精度的天文学计算结果而又避免了当时无法解决的地动问题。

如果将这三个模型的各个性质按等级打分,作一个简单对比,将会更直观的体会出上述结论

               美学性   合理性   简单性  精确性  精密性    综合得分

托勒密地心说     5        5        3       4       1          18

第  谷折中说     4        5        4       4       2          19

哥白尼日心说     5        3        4       4       3          19

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               美学性   合理性   简单性  精确性  精密性    综合得分(满分15分)

托勒密地心说     3        3        2       3       1          12 (80%)

第  谷折中说     2        3        3       3       2          13 (87%)

哥白尼日心说     3        1        3       3       3          13 (87%)

(注:其中的精密性主要是考虑了不同模型中各个行星与太阳的远近顺序的任意性--在日心说中这种排序是唯一的,而地心说中这种顺序则是可以相当任意的)。【补充参考文献目录】

因此,由于亚理士多德的崇高威望和托勒密地心说的有效性,在哥白尼提出日心说以后,相信这一学说正确性的人并不多,而且大多是出于实用性或某种信仰和美学上的另类考虑---例如著名的伽利略,而拥有当时最精确的行星运动观测数据的第谷并不赞同日心说。

布拉赫第谷虽然拥有最精良的天文观测设备,但是由于宇宙观和数学能力的不足,他未能给出正确的行星运行轨道,这一任务幸运的落到了 开普勒的身上。开普勒高超的数学能力和大胆的想象力,无疑是完成这一任务的最佳人选。

在开普勒《宇宙的和谐》一书中,他使用了三维空间的5个正多面体的外接球来拟合行星的轨道,毫无疑问他使用的正是哥白尼的日心说体系。因此当第谷将积累多年的火星观测资料交给开普勒,并让他来证实自己的折中模型时,开普勒反而利用这些资料来为自己和哥白尼的日心说寻求支持。

另一个幸运的是,火星轨道是当时所有行星中最偏离圆轨道的,因此当开普勒经过艰苦分析,为火星建立了一个圆轨道模型后,他发现模型的理论计算数据与观测数据相差小于8弧分。尽管这已经是一个非常了不起的成果了,但是开普勒知道,第谷的观测数据精度平均达到了4弧分,有些极其细致的观测数据甚至到了1弧分或更小,已经非常接近人类肉眼观测的极限。于是他毫不犹豫的抛弃了自己的这一成果。
又经过了漫长艰苦的反复检验、计算,纠错,开普勒终于得到了以下结论:
行星围绕太阳运行的轨道并不是正圆,而是椭圆。
这是一个令人震惊的划时代的事件。

玻尔说过,谁不为量子力学感到震惊,谁就不懂真正的量子力学。

量子力学颠覆的只不过是200多年的经典力学, 而椭圆轨道颠覆的是人们对圆轨道的近2000年的盲目信仰!

从这个意义上说,开普勒是天文学革命真正的领导者和推动者。

而导致这一革命的导火索只不过是火星轨道观测数据的那个不到4弧分的小小误差!



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