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第九回     雨行差和光行差

(2007-12-06 11:04:18)
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知识/探索

 

 

第九回     雨行差和光行差

 

嗯,以太我已经弄清楚了。它不就是充满真空并传递电磁力的那个东东吗?同时也是传播电磁波的介质。好象你说了这么一句:“从光行差现象的观测结果来看,地球是从以太中穿行而丝毫不带动以太”,什么是光行差呀,为什么地球不能带动以太?

诸位,你们看,天空乌云密布,马上就要下大雨了。正好路边有一辆大巴,我们上去避避雨吧,也好让大巴送我们一程。好了,大巴已经开动了,请大家把玻璃窗关好,免得雨飘到车里来了。

大伙们请注意哪!已经开始下雨。你们看!雨点打在玻璃窗上的雨迹是从前向后斜的。为什么会是这样的呢?因为在汽车上看雨点有两种运动,一是垂直下落运动,二是汽车不能带动雨点,它和窗外景物一起有一个向后倒退的运动。这两种运动的合成的雨点当然是向后偏斜的。所以,在一个完全没有风的下雨天,人们由于走动就必须将伞稍微向前倾斜一定的角度才能将雨完全挡住,也就是这个道理。这种现象我们可以把它叫做雨行差。

如果雨滴是从汽车的顶棚上掉下的,这种雨滴是被汽车所带动,它就是垂直下落而不向后偏斜了。

光行差的形成与雨行差是类似的,听完下面的布拉德雷与光行差的故事就一定会明白。

牛顿力学的成功使越来越多的人接受哥白尼的日心体系,但令人烦恼的是,日心地动学说所必然导致的恒星周年视差总也没有被观测到,有些著名的观测天文学家如老卡西尼,直到1712年临死都不同意哥白尼的学说,原因也是未观测到恒星周年视差。大名鼎鼎的天文学家第谷也是这样。因此整个18世纪,观测天文学都在致力于发现这个至关重大的视差。尽管这种努力到了19世纪上半叶才成功,但在探索的过程中却获得了几项重大发现,其中两项归功于布拉得雷。

布拉德雷(1693—1762年)出生于英国格洛斯特郡的舍博恩,早年就读于牛津大学,布拉得雷的舅父榜特是舍伯恩修道院的院长,长于天文,布拉得雷跟随观测,对天文学产生了非常浓厚的兴趣,进而深入钻研,并于1715年和1718年发表了两篇天文学论文,从而声名大震。由于其卓越的数学才能深受牛顿和哈雷赏识,1718年被选为英国皇家学会会员。1721年任牛津大学天文学教授。

布拉德雷的早期理想也是观测恒星周年视差。按照哥白尼的日心体系,地球每年绕太阳一周公转,地球上的观察者必定可以看到较近的恒星相对于较远的恒星背景有一个周期性的位移,位移的方向与地球轨道的向径相平行。1725年,布拉德雷利用一台212英尺长的望远镜确实发现了恒星位移。观测结果表明,通过格林威治天顶的天龙座γ星每年有约20弧秒的微小周期性位移。但奇怪的是,该位移的方向并不像预想的那样与地球轨道向径平行,而是垂直,相差90度。

布拉德雷很久想不通这是怎么一回事。到了1728年,有一天他在泰晤士河上划船,发现船上飘着的旗帜飘动的方向不仅取决于风向,还取决于船前进的方向,这启发他解开了那奇怪的位移之谜。

道理其实很简单,在一个完全没有风的下雨天,人们由于走动就必须将伞稍微向前倾斜一定的角度才能将雨完全挡住,这个角度只取决于雨的下落速度和人的步行速度。人走得越快,雨伞就必须向前倾斜得越厉害。

光的情况与此极为相似。光从某颗恒星沿某个方向以速度c射到地球上,同时地球以30公里/秒的速度绕太阳运转。望远镜就像雨伞一样,必须朝地球前进的方向略微倾斜,才能使光线笔直地落到透镜上。望远镜这个略微的倾斜导致了一年之中恒星的视位移,而位移的方向恰好与地球轨道的径向垂直。布拉得雷把这个20弧秒的小小的倾角称为“光行差”。其实把地球比作汽车,把光比作雨点,光行差也就是雨行差了。

由于汽车不能带动雨点才能产生雨行差,所以只有地球不能带动光才能产生光行差。而光又是在以太中传播的,可推得地球也不能带动以太。当然啦,火车呀,汽车呀什么的就更不能带动光或以太了。

根据光行差的大小,布拉德雷可以重新计算光速。上个世纪时,丹麦天文学家罗伊默曾经依据木卫食推算过光速,这次布拉德雷可以得出更准确的数值。结果表明罗伊默的光速值基本上是对的。光行差的发现不仅证明了地球是运动的,而且也提供了测量光速的另一种方法。

布拉德雷虽然没有发现恒星周年视差,但证明地球在运动的目的已经达到。由于恒星出人意料地遥远,恒星周年视差还得等一百年才被发现。

为了观测光行差,布拉德雷系统细致地给整个星空定位,在这一过程中,他还发现恒星的赤纬除光行差外还有一处微小的变化。这显然是地球自转轴有微小的周期性移动所致,他称之为地球的章动。1732年,他提出章动的原因是月球对地球各处引力不平衡造成地轴摆动。为了进一步研究章动问题,布拉德雷将自己的恒星观测精确到了2弧秒,在这样的精度内还没有发现恒星周年视差,足见恒星是相当遥远的。1748年,布拉德雷公布了自己多年来对恒星的观测资料,系统分析了光行差和章动现象。为此皇家学会授予他柯普利奖章。

1733年,布拉德雷测量了木星的直径,发现比地球直径大得多;1742年,哈雷去世,布拉德雷被任命为格林威治天文台第三任台长。据说,当国王准备给他提高薪水时,他拒绝了这一好意,他害怕皇家天文学家的薪水太高必导致许多投机钻营者觊觎,反而使真正的天文学家得不到这一职位。

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