第 1 課 : 總 論 ── 宇宙:一個比你想像還大的空間
教授者:陳輝樺
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天文學

探究我們所在的時間與空間裡的知識,它或許是個比你想像還大的時空結構,和見得著與看不到的物質所組成;它的變化現象會令你驚嘆不已。

我們期望搜索探討的主題:

  • 行星、原恆星與恆星。
  • 星系、星雲和星系團。
  • 生命 的起源、外星生物與外星文明。
  • 白矮星、中子星和黑洞。
  • 宇宙的起源與膨脹。

課程目標

本課程的目標:

  • 學習認識現已知的天文學發展。
  • 瞭解與運用學會的科學方法。
  • 練習關鍵性的科學思維。
  • 認識自然的運行規則。
  • 熟悉我們以地球的觀點所看到的自然規律。
  • 培養樂觀與開放的心胸。

科學性思維

科學探究時你所需的做為:

  • 觀察:經常觀察大自然的現象、並察覺它們的變換過程。
  • 提問:如何、為什麼、何時、何處、怎樣、‧‧‧。
  • 客觀:不必急於下結論,靜思其規則所在。
  • 推敲:善用歸納、推論和直覺找尋問題所在。
  • 表述:怎樣表述問題現象的發生、思維的過程、推測可能的答案等。
  • 評估:近可能地作些數理的推導計算。
關鍵性的科學思維,涵蓋修正你先前的錯誤假設 (Assumptions),目的不是在證明假說 (not to prove a hypothesis)、而是用於測試此假說 (to test the hypothesis)。

課程哲理

本課程目的是想教你『何謂天文學?』,而不是告訴你『天文學』僅有的知識。

子曰:『學而不思則罔;思而不學則殆。』
── 論語  為政篇

學習動機

省思一下你想上此課程的動機何在?

  • 你真的對天文學的內容有興趣?
  • 你僅是學分的需要,而這門學科看起來很容易拿到學分。
  • 你僅是對天文學討論的內容好奇而已。
  • 你想擴大自己的視野、‧‧‧。
  • 無論如何,祝你「心想是成!」達成你的期望。

基本觀念:
光速

所謂的『光速』,指的是電磁波 () 在『真空』當中『行進』的速度。

光速 =
186,000 英哩/每秒
=
300,000 公里/每秒

它是目前我們已知最快的速率,且是個常數 (定數)


光速與時間乘機的概念

我們可以光速的行進時間來瞭解空間的的大小。例如:

地球和月球的距離 1 秒鐘
地球和太陽的距離 8 分鐘
太陽到冥王星的距離 6.5 小時
   
太陽到最近的恆星 (比鄰星) 距離 4.3
太陽到銀河系的中心 35,000
太陽到仙女星座 2,200,000

光年

『光年 (Light Years)』是個距離的單位,其大小是光在真空中行進一年,所走的長度大小。

  • 一光年 (ly) = 9.5 x 1012 公里
光年不是時間單位、也不是速度的單位,而是天文上用以表示恆星間距離的基本單位。

科學數字的指數表示法

科學數字經常遇到很小的數字、或是很大的數字,為了表示上的簡明和方便,我們常以 10 的指數來簡明表示此數字的大小關係。

例如:

0.001
= 10-3
0.005
= 5 x 10-3
0.1
= 10-1
0.5
= 5 x 10-1
1.0
= 100
5.0
= 5 x 100
100.0
= 102
500.0
= 5 x 102

課程中提及的物體

這個課程裡,會經常提及物體名稱的定義:

  • 行星 (Planets) 如我們所居住的地球
  • 衛星 (Moons)、彗星 (Comets)、小行星體 (Asteroids)
  • 『恆星 (Stars)』:如
    • 原恆星 (Protostars)、恆星 (normal stars)、紅巨星(red giants)、白矮星 (white dwarfs)、中子星 (Neutron stars)、黑洞 (black holes) 等。
  • 星際氣體雲、星際塵埃。
  • 『星系 (Galaxies)』:如
    • 星系、球狀星系、螺旋星系、棒旋星系、無線電星系、活躍星系等。
  • 似星體 (Quasars)、伽瑪射線暴 、黑暗物質、黑暗能量。

課程中提及的理論

這個課程裡,會經常提及的理論:

  • 大霹靂 (Big-Bang theory) 描述宇宙的起源。
  • 狹義相對論:說明 20 世紀初,愛因斯坦提出的『時間 (Time) 和空間 (Space) 』是時空中的不同維度概念。
  • 廣義相對論:介紹 20 世紀初,愛因斯坦提出的『時空結構與物質分佈的關聯』。
  • 電磁波:依據 19 世紀中葉,馬克斯威爾提出的『電磁波』理論,將電磁波依據其波長和頻率的不同,分成無線電波、微波、紅外光、可見光、紫外光、X 射線和伽瑪射線等波段。
  • 韋恩定律:物體表面熱輻射的波長分佈,主要集中的波峰與物體表面絕對溫度成反比之關係。
  • 卜朗克定律:說明光子的輻射和吸收都呈基本量子能量。

課程中提及的自然現象

這個課程裡,會經常提及的自然現象:

  • 光的折射、反射、干涉、繞射和漫射等。
  • 重力透鏡、愛因斯坦十字、愛因斯坦環、重力海市蜃樓等。
  • 紅位移、藍位移等都卜勒效應。
  • 能量的輻射與吸收、作用力的排斥與吸引、物體的膨脹與收縮等。
  • 日食與月食、公轉與自轉、合與衝、順行與逆行等。
  • 旋轉盤面、黃道 (面)、銀河盤面、星系盤面、行星環面等。

課程中提及的單位

這個課程裡,會經常提及的單位:

  • 時間單位:秒、分、小時、星期、年等。
  • 長度單位:費米、奈米、埃、毫米、公尺 (米)、公里、天文單位 (AU)、光年 (ly)、秒差距、地球直徑 (D)、太陽直徑 (D) 等。
  • 質量單位:公斤、公克、公噸、地球質量 (M)、太陽質量 (M)等

課程建議
參考網頁
AEEA 天文教育資訊網 日誌庫主題分類
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