太陽離我們那麼遠,科學家是怎麼給太陽稱重的?這下搞明白了

网瘾少女 2022/11/11 檢舉 我要評論

你是不是有這樣的疑問呢?天上的太陽離我們那麼遠,夠不著也摸不著,科學家是怎麼知道它的質量的呢?

科技發達的今天,我們想知道太陽有多重,已經不是什麼難事了?我們只要在網絡上搜索一下就會立刻知道答案。太陽的質量是2×10^30千克。太陽的質量有2000億億億噸,2后面跟著27個零。毫無疑問,太陽的質量是一個大到我們難以理解的天文數字。

在日常生活中,我們想知道一個物體有多重,只要把它放在秤上稱一下就可以了。即便是一頭大象,曹沖也有辦法把它稱出來。可是太陽呢?它在高掛在天空中,夠不著也摸不著。我們平時用到的辦法是沒法稱出它的質量的。因此,給太陽稱重得用到一桿特別的「秤」才行。這桿特別的秤就是牛頓萬有引力定律。

我們在高中的物理課本上學過萬有引力定律。1607年,英國物理學家牛頓發現了萬有引力定律。牛頓萬有引力定律告訴我們「任何兩個質點都存在通過其連心線方向上的相互吸引的力。該引力大小與它們質量的乘積成正比與它們距離的平方成反比。」它的公式是這樣的。

牛頓認為,地球和太陽之間的引力,與地球對周圍物體的引力是同一種力,遵循著相同的規律,即萬有引力定律。因此,它可以用來計算出太陽的質量。于是科學家利用萬有引力定律制造了一桿可以給宇宙天體稱重的「秤」,就是下面這個公式。

公式中的π就是圓周率,R是地球公轉軌道的半徑(單位是米),G是萬有引力常數(6.67259×10^-11(牛·米^2)/(千克^2)),T是地球圍繞太陽的公轉周期(單位是秒)。這個公式告訴我們,只要我們知道了地球圍繞太陽一周需要的時間和太陽到地球的距離這兩點,就能計算出太陽的質量了。

我們一起來用這桿「秤」稱一下太陽的重量吧!地球圍繞太陽的公轉周期約為365.24219 天,也就是31556925.216 秒。我們把地球公轉軌道看作是圓形,其半徑就是日地平均距離,也就是149598023000米。圓周率π我們取近似值3.14159。這樣,我們把這些數值代入公式中,只需要借助一個計算器就可以很輕松地計算出太陽的質量了。

太陽的質量原來是這麼來的啊!你是不是覺得很簡單呢?計算出太陽的質量對于我們來說一點都不困難。理由很簡單,正如當年牛頓所說的那樣:

我不知道在別人看來,我是什麼樣的人。但在我自己看來,我不過就像是一個在海濱玩耍的小孩,為不時發現比尋常更為光滑的一塊卵石或比尋常更為美麗的一片貝殼而沾沾自喜,而對于展現在我面前的浩瀚的真理的海洋,卻全然沒有發現。如果說我比別人看得更遠些,那是因為我站在了巨人的肩上。

我們能夠輕而易舉地計算出太陽的質量就是因為我們也「站在了巨人的肩膀上」了。為什麼這麼說呢?我們看看給太陽稱重時所用到的參數就知道了。地球的公轉周期,日地平均距離以及萬有引力常數,這些數值已被歷代的科學家測量得非常精確了,我們直接拿過來用就行了。

而歷史上的科學家在測量這些數值時可是費了一番周折的。例如,關于太陽離我們有多遠的問題,科學家得到今天的精確數值用了將近300年的時間。1672年,法國天文學家卡西尼和他的同事在兩個相距甚遠的地方分別對火星進行了觀測,通過計算火星到地球的距離而進一步得出了日地距離,計算結果約為1.4億公里。卡西尼也因此成為了精確測量日地距離的第一人。但是卡西尼測量的日地距離和現在測得的結果還是有一定的差距的。

1716年,已經60歲的英國天文學家艾德蒙哈雷設計了觀測金星凌日的新方法,并認為這種觀測能夠精確地推算出日地距離。遺憾的是,金星凌日可不容易遇到。距離哈雷最近的下次金星凌日發生在45年后的1761年。哈雷是等不到這一天了。后來的科學家利用1761年和1769年發生的兩次金星凌日,計算出太陽到地球的距離為1.52~1.54億公里。上個世紀的60年代,當大功率的雷達被制造出來后,科學家又得到了更加精確的日地距離數值。

在計算太陽的質量時發現,我們只需要知道地球的公轉周期和它到太陽的距離就可以了。細心的朋友們也許發現了其中的奧妙:一個天體只要有另一個天體繞著它轉,我們是不是就能夠計算出它的質量呢?我們是不是可以通過這個方法來計算出行星的質量呢?你別說,還真可以!

如果一顆行星身邊有衛星繞著它轉,我們只要測出這顆衛星的公轉周期和它到行星的距離就可以像計算太陽的質量那樣來計算出行星的質量了。我們舉個例子,來計算一下木星的質量。

木星的身邊有多顆衛星,我們就以木衛一來計算木星的質量吧!木衛一到木星的平均距離為42.17萬公里(4.217×10^8米)。它圍繞木星一周需要1.769天(152853秒)。這樣我們就可以計算出木星的質量了,結果為1.898×10^27千克。

那麼問題來了!如果一顆行星沒有衛星怎麼辦?就像金星和水星那樣。我們怎麼給它們稱重呢?這個問題也不難解決,既然金星和水星沒有衛星,那麼我們就給它送去一顆人造衛星。例如,往金星發射一顆探測器,讓它圍繞著金星轉動,就能計算出金星的質量了。

科學家是如何給太陽和八大行星稱重的,現在是不是搞明白了呢?這個方法是不是很有趣呢?

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