发现天文学天文科学发现的方法论基础
在我们的例子中,行星是自然界中存在的客观事物,它们的运动有自己的特点。 当这些特征的出现被人们看到时,人们就会感知到这些特征。 此外,人们将行星的运动视为客观事物,其模式反映在大脑中。
托勒密的反思是一种直观的反思。 他描述了他所看到的令人感动的事情。 既然行星在天球上运行,那就让它们绕着我们转吧。 用圆圈来表达是最方便、最“美丽”的。 至于对映体、本轮、均轮,都是为了描述方便而采用的数学形式。 托勒密不知道它们是否真实地反映了行星的运动。 。 现在我们清楚托勒密的想法并不正确。
哥白尼追求正确的反映,用地球的自转和公转来解释行星的运动。 在哥白尼的理解中,采用了圆形轨道。 因此,纯粹客观的行星在人类头脑中有一个形象——圆形轨道:圆均轮上有本轮,本轮上方有本轮。 哥白尼用 34 个圆形轨道组成了他的太阳系。
在牛顿的理解中,力学原理反映了行星运动的规律。 这样,哥白尼认识上的错误就被暴露出来,日心说也从根本上被修正了。
相对论天体力学利用相对论来反映客观行星及其运动规律。 正是由于这种反思的正确性,人们才对行星运动现象有了充分的认识。
正确反思——科学真理
通过案例分析,我们得知:
(1)法律是客观的,独立于人而存在。 大自然在人类认识之前就已经存在了。
(2)自然——它运动的物质——刺激人类的感觉器官并产生感觉和知觉。
(3)感觉和知觉虽然是由自然界的直接刺激而产生的,但它们并不是自然界物质运动的规律。 它没有正确地代表自然。
(4)人脑必须处理感受和知觉,积极思考,通过现象掌握事物的本质。
(5)同时,用科学的语言来表达大脑所掌握的事物的本质。
这种科学的语言表达是客观事物及其规律在大脑中的反映。 如果这种反映是正确的,我们就有了科学真理。
科学真理是客观事物及其规律在人类头脑中的正确反映。
哥白尼理论、牛顿力学理论、相对论力学理论都不同程度地反映了行星运动的客观物质及其规律。 然而,这三种理论理解的真相是不同的。 哥白尼学说是正确的,但它只是一个与地心说竞争的更美丽的和谐思想,是行星运动的粗略反映,现在只保留了历史地位。 牛顿力学理论的正确性比哥白尼理论有很大提高。 更正确的反映是相对论力学理论。
牛顿力学理论现在被认为是关于行星性质及其定律的科学真理。 在需要更精确的情况下,人们应用相对论力学理论,因为相对论力学是更正确的科学真理。
不正确的反映
我们日常所感受到、感知到的现象并不等于真理,也就是说,它们并不能正确反映客观规律。 共同点是,人类所感知到的现象与客观规律有很大差异。 我们看到,人类感知到的是天体绕着地球转。 这种感知的现象并不反映天体运动的规律。
对行星的认识是一样的,对恒星的认识也是一样的。
看起来不移动的恒星被称为“固定”恒星。 这是来自感知的图像。 在不精确测量的时代,这似乎是一个正确的反映,但在精确测量的时代,“星星是不动的星星”是一个不正确的反映。
曾几何时,天文学界普遍流传一种观点:火星上存在纵横交错的“运河”。 这是你在观察火星时得到的感知。 如果这种看法是正确的反映,那么火星上将会存在高度文明的生物。 地球人必须准备好与火星人互动。 这太鼓舞人心了。 然而,最终发现这种反映是错误的。 火星上没有“运河”,火星不具备高级生命生存的条件。
从不正确的反映到正确的反映:理解“以太的正确反映”是一个过程,一个渐进的、曲折的过程。 从不正确的反思到正确的反思,就是科学研究寻找科学真理的过程。
我们以理解科学研究、探索真理的过程为例来考察人们对“以太”的认识。
“以太”这个词起源于古希腊。 它最早出现在神话传说中:黑暗之神伊利波斯与夜神尼卡斯结合,诞生了精灵神宙斯。 这就是以太。 当时,以太代表了弥漫宇宙的精神能量。
在希腊哲学家的思辨中,以太不是一个物理概念,而是一个哲学概念。 他们不需要观察,不需要实验,也没有经验事实作为证据。 他们只是从思想层面分析物质,探究物质的本源,推论以太。
哲学迟早会影响自然科学,以太概念也是如此。
16世纪末,吉尔伯特仔细研究磁体和磁铁,发现了地磁倾斜现象,得出地球是一块大磁体的结论。 除了进行实验之外,吉尔伯特还试图揭示磁性的本质。 但由于他对微观世界一无所知,所以他只能大胆想象。 他认为磁铁有灵魂,灵魂蕴含在磁铁中,并由磁铁散发出来。 他发现“以太”这个词完美地代表了这种磁性灵魂:磁性以太包裹着附近的铁质物体,将它们拉向自身。 推而广之,地球还包含并发射引力以太,它包围地面上的物体并将它们拉向地球。
吉尔伯特的想法显然受到了朴素的唯物主义哲学的影响:一个物体在它不存在的地方就无法发挥作用。 所以,磁铁周围或地球周围一定有物质。
开普勒也将同样的想法应用于太阳系。 他相信太阳系充满了以太,太阳的能力就是通过以太推动围绕太阳运行的行星。
笛卡尔反对物质世界和精神世界,认为物质一定不属于人,而是连续的,因此物质宇宙一定是一个致密而实体的体。 在这样的世界中,只有物体接触时才会发生运动,并且不存在物体可以通过的“真空”。 笛卡尔认为,天体之间存在着一种原始物质,它是看不见的,但却充满了空间。 这就是以太。 天体可以在其中自由运动。 以太在不断地剧烈运动,卷起一个又一个漩涡。 太阳位于一个大漩涡的中心,周围的漩涡驱动着行星。 地球和行星周围带有小漩涡。 落向地球的石头、行星吸引卫星都是由以太的漩涡效应引起的,就像河里的浮草被卷入漩涡一样。
牛顿提出了以太的另一种想法。 他假设行星际以太的存在。 对于天体来说,距离天体越远,以太压力越大。 因此,以太压力将物体压向天体——这就是万有引力的原因。
然而,涡流理论和压力理论都经不起数学推演和实践验证。 很快,就没有人再提起这件事了。
以太借用自希腊哲学家,作为磁介质来解释磁力,作为引力介质来解释引力。 然而,17世纪的人们并不那么渴望了解磁力和引力的本质。 对他们来说,以太是可有可无的。
但在光学领域却并非如此。 由于牛顿粒子假说与胡克-惠更斯波动假说之间的争议,迫切需要探索光的本质。
粒子论中的难题是解释光的衍射,牛顿的以太压力假说仍然勉强适用。 但为什么不同颜色的各种光粒子的速度相同呢?
波动理论的困难在于解释光的直线行进。 菲涅耳用数学证明,由于光的波长比障碍物的尺寸小得多,所以它会直线前进,从而解决了这个问题。 光的波动理论取得了巨大的成功。 那么,光波是如何传播的呢? 为了将光视为在类似于刚体的介质中传播的机械运动,需要一种介质 - 以太。 由于当时人们只知道机械波,胡克不得不在1669年将光波视为机械波的一种。但由于传输光的以太是刚性的,就像弹性固体一样,并且渗透在以太的内部。对于所有物体来说,轻介质的这一必要特性如何与行星运动不受阻力的事实相协调呢? 许多聪明的物理学家为此绞尽脑汁,为以太想象出许多奇妙的性质(如体积弹性模量为零、剪切弹性模量无穷大等)。
当人们努力解释机械光介质时,法拉第发现了空间的电学和磁学特性。 和笛卡尔一样,法拉第永远不会承认远距离载流导线对小磁针的影响,但他也不相信吉尔伯特关于磁铁发出灵魂的说法。 他想象在磁极或电荷周围的空间中存在一些力线或一些粒子链。 离开源头后,这些链可以在太空中自由移动,作用于远处的电线或磁铁。
1865年,精通数学的麦克斯韦将法拉第的思想写进了电磁场方程。 它表明变化的电磁场以波的形式在空间传播,电磁波的速度仅与介质的电学和磁学性质有关。
就这样,麦克斯韦用笔尖证明了无所不在的以太在某种意义上已经与空间本身合二为一了。
由于电磁波以与光相同的速度传播,麦克斯韦得出结论,光是一种电磁现象。 只有一种以太可以传播光和电磁波,没有必要发明几种不同的以太。
于是,具有机械性质的以太概念被具有电磁性质的以太概念所取代。 人们再也不用担心以太奇妙的机械性能了。
然而,另一个问题让研究人员更加困扰,那就是物体相对于以太的运动:运动的物体会驱动以太吗?
这个问题与光速的测量密切相关。 虽然麦克斯韦从他的方程计算出了电磁波的速度,但它是电磁波相对于以太的速度还是相对于观察者的速度? 它根本没有出现在等式中。
不过,不言而喻的是,当时人们所说的光速是指光相对于以太的速度。 这是很自然的,因为他们将光比作声音。 声速是以空气为参考系测量的。 移动的物体不会移动空气。 当人相对于空气静止或移动时,测量到的声速是不同的。
经典力学需要一个绝对的参考系,人们长期以来一直在寻找它的物理现实。 光以太弥漫在宇宙中,无所不在,可以让物体毫无阻碍地在其中穿行,是理想的物质。 人们以绝对静止的光以太作为绝对参照系。
移动的地球不会移动以太。 这是1728年布拉德利发现的光行差的理论推论。1893年罗杰的重量旋转实验也表明移动的物体不会移动以太。
由于移动的物体不会移动以太,因此当人相对于以太静止或移动时,测量到的光速应该是不同的。 1881年,迈克尔逊用干涉仪进行了实验,观察地球相对于以太的运动。 1887年,迈克尔逊和莫利极大地改进了实验技术。 实验结果指出,地球与以太之间不存在相对运动。 1902年,克劳顿和诺勒利用电容器检测地球相对于以太的运动,发现没有以太漂移:运动的地球随着以太一起运动。
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