高翔
关于天文学第一性原理的思考(一)
2022-8-17 11:43
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        对于天文学第一性原理的思考,源于一个有趣的问题:五分钟如何让学生真正理解天文学?提出该问题的是著名物理学家、教育家、原中国海洋大学行远书院院长钱致榕先生。本着一分钟一条原理的原则,大致可选择如下五条。

        第一条:宇宙学原理

        早在伽利略时代,天文学家就认为:宇宙在大尺度上是均匀,各向同性的,所满足物理规律也是相同的。后来历经牛顿、爱因斯坦等物理学家的发展,总结成上述的宇宙学原理,这无疑是宇宙学的第一原理。

        古希腊时代的哲学家德谟克利特认为,世界的本源是原子和虚空。我们的宇宙看似充斥着恒星、行星、彗星、黑洞等各种各样的天体,但从大尺度上看,宇宙的平均密度是接近于零的,比地球实验室中所能实现的最好的真空密度还要小,这算是宇宙学原理特殊情况的最早论证。

        事实上宇宙学原理只是人们处理宇宙问题的一个假说,毕竟面对如此浩瀚的宇宙(可见宇宙的直径大约为930亿光年,约10^27米,而我们所处的银河系中大约有2000亿颗和太阳类似的恒星,宇宙中大约有超过2000亿个类似于银河系的星系。如果不化繁为简,事无巨细的考虑所有的细节,那将是天文学研究的灾难。毕竟即使科学本身也只是对复杂现实进行适当简化,并能够进行数学计算和逻辑推理的模型而已。

        从另一个角度来说,所谓“道法自然”,人类耗费四百多年从所在的行星——地球和所处的恒星系统——太阳系总结出的物理规律和天体参数,其实差不多就是对宇宙精确定量理解的全部(要知道即使像牛顿万有引力定律,也只是在太阳系中被精确的验证过)。因此当弱小的人类开始放眼宇宙时,所能掌控的武器也许只有这些定量规律和参数而已,假设规律和参数能适应于整个宇宙不失为一种合理的权宜之计。

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