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照片怎么知道尺寸大小,太阳的体积大小和质量大小是如何知道的?哪位科学家发现的?

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太阳,大家几乎每天都能都能看得到。这个挂在天上的大火球,是金乌,是阿波罗,是万物生长的能量源。作为人类这种渺小的生命,能够对如此巨大的天体进行测量,绝对称得上壮举了。

测量太阳的体积和质量,尤其是在几百年前,科学技术尚且落后的年代,绝不是一两位科学家能够独立完成的伟大事迹。而这个故事,就要从1570年前后,丹麦伟大的天文学家第谷开始。

1576年,第谷在丹麦和瑞典之间建立了世界上最早的大型天文台。这一天文台的建立总共花费了超过2000斤黄金。第谷在这里工作了23年,得到了海量的极其精确的观测数据,为开普勒后来的工作打下了坚实的基础。

接下来的工作,则交于第谷的徒弟:开普勒。开普勒师从第谷,继承了来自第谷的海量观测数据,并根据这些数据,得到了之后影响深远的“开普勒三定律”:

其中,最重要的可以说是第三条:公转周期的平方,与到太阳距离的三次方成正比。知道了这个关系,我们就可以根据两个行星的不同周期,测算出两个行星到太阳距离的比例。而这里,伟大的天文学家哈雷,天才般得设计了“金星凌日”的测算方法。

那时候,我们已经根据地球和金星公转周期的不同,测算得知二者公转半径的比例大约是1:0.72。如果我们能够在地球上的A、B两点同时分别观测金星凌日,那么就能看到凌日的金星,这个小黑点,在太阳上的不同位置A`和B`。再得知A,B距离后,就可以算出A`, B`两个位置的距离,也就能够计算得到太阳的直径。

值得一提的是,1769年人们进行金星凌日的观测的时候,当时英法两国正在交战,但为了完成这项历史性的科学探测任务,法国政府特别下令海军不但不得攻击库克船长的奋进号(ENDEAVOUR),还必须保护其航行安全。正是在这种国际合作之下,数百年来未解的“天文单位”才得以在这难得的天象机会下见诸于世人。

得到太阳直径,再有太阳的视场角,也就能计算出地日距离了。

A * sin a = r

到此,我们已经搞清楚了太阳的大小。但是太阳的质量,就又是另一个故事了。

故事又是从第谷,开普勒师徒说起。他们观测了大量的数据,找到了开普勒三定律,这些结果被大名鼎鼎的牛顿给发掘出来,从开普勒三定律推导出了引力定律。

而之后的故事,更是在实验室里完成的。卡文迪许,第一个进行了精确的引力常数测量。他设计并制造了一台扭称,用这台扭称,测量得到了大小铅球之间的引力,进而得到了引力常量。

得到了引力常量,再根据刚才测量出来的地日距离,带入引力公式,

终于!终于!

就可以得到太阳的质量了!

地日距离:149,597,870,700米

太阳直径:1.392*10⁶千米

太阳质量:1.9891*10^30千克

罗马不是一日建成的,这些数据也不是一天测出来的。三个数字,看上去简单,实则凝聚了数代科学家,长达百年的努力。可以说是非常伟大了。

太阳的体积是算出来的。首先,我们从早上的太阳的样子就可以看出太阳具有一个圆截面,同时一年四季都是圆截面,我们认为太阳是一个球体。既然是球体,那么我们就可以用球的体积公式来计算太阳的体积——只要知道太阳的半径就可以了。而太阳的半径可以用相似三角形来做。具体我们需要用用实验观测的办法测出太阳离地球的距离。有这个距离,我们就可以通过视觉的半径用相似三角形的方法算出太阳的真实半径了。

至于太阳的质量,也是可以通过牛顿万有引力定律来估算的,因为地球绕太阳的运动是椭圆运动,水星绕太阳的运动也是椭圆运动。我们把这两个椭圆轨道测量出来,再把这两个椭圆轨道的时间周期测量出来。可以从两个方向定出太阳的质量——这背后当然就是开普勒第三定律。所以,我们可以把太阳的质量算出来。这个事情在牛顿伽利略时代就可以完成,精确算出太阳质量的人,我估计就是牛顿。