牛顿，开普勒模型和黑洞

无论你是否相信在平坦的地球，日心模型或你认为地球是一个大的，球形十二面体与所有强大的电磁口述生活本身，奈尔·德葛拉司·泰森的话总是适用于您。“要科学素养是让自己知道什么时候别人是满的废话”（泰森，2017年）。没有什么你相信的事情，科学永远是能够证明自己的行动，除非它的好，“胡说”。这正是16^th世纪物理学家约翰内斯·开普勒在研究地球、月球和宇宙整体时相信。通过这样做，他发展了他的行星运动3定律，并成为历史上第一个和可以说是“真正的”天体物理学家(Walding, Rapkins, Rossiter, 1999)。这样一来，开普勒就能够对现代天体物理学做出有史以来最大的贡献之一。他的行星运动定律回答了日心说模型提出的许多异常现象，然而，他们努力确定太阳施加的自然力是什么(Walding, Rapkins, Rossiter, 1999)。这个问题在社会中一直是一个突出的问题，直到1687年，令人难以置信的自负，但天才的内科医生艾萨克·牛顿加入了争论。利用开普勒行星运动定律，牛顿得以推导出他的宇宙基本定律，就像任何傲慢的、看不起社会的数学家一样，他用自己的名字来命名这些定律(艾萨克·牛顿:发现万有引力的人，n.d.)。牛顿创建定律的篡夺开普勒所带来的,因为它在所有工作条件和开普勒的问题无法回答,不过,如果我们真的想看到一位傲慢的科学家做了另一个傲慢的科学家,我们必须开始这一切开始的地方,开普勒行星运动定律(艾萨克·牛顿:发现地心引力的人，北达科他州)。

通过使用他已故导师的数据，约翰内斯·开普勒观察到了宇宙的自然对称性，并发现每颗行星并不是完美的围绕太阳的球形轨道。这挑战了当时的先入为主的观念，因为当时社会的大多数人认为行星的轨道是完美的形状——圆形。(美国国家航空航天局，2009)通过理解这个概念，开普勒意识到行星的轨道是椭圆形的，而不是球形的。这改变了整个天体物理学，因为圆有一个中心焦点，而椭圆有两个中心焦点。这意味着两个焦点之间的距离将决定行星轨道的椭圆程度，而不是仅仅是一个完美的圆(High School Physics Explained, 2017)。测量一个行星的椭圆轨道被称为它的偏心度。如图1所示，水星的轨道比冥王星的轨道更圆，这在理论上意味着它的偏心率应该比冥王星的偏心率低。这是事实，因为冥王星的离心率为0.25，比水星的离心率为0.21大(高中物理解释，2017)。这被证明是一个相当筑坝发现它也不仅认为太阳是太阳系的中心,但是,它反对传统物理学家的信仰,然而开普勒没有停止分析数据后发展中一个行星运动定律,他停止后3^{理查德·道金斯}法律。进入开普勒2ⁿ和3.^{理查德·道金斯}行星运动定律。

通过分析，计算和理解第谷·布拉赫的数据，开普勒能够得出这样的结论太阳行星的椭圆轨道内撒谎的焦点问题之一。(Walding, Rapkins, Rossiter, 1999)。通过上述分析，他能够推导出一个行星速度不是恒定的，它实际上是变化的基础上来自太阳的距离。这意味着如果一条线是从太阳到地球绘制，那么地球将在同一时间内扫出的区域，无论其距离。考虑图2，它表明，在太阳，近日点最接近的点，是在相同的时间点从行进太阳，远日点最远。这是不可能的，如果一个行星的轨道是常数较大的距离将等同于更大的旅行时间。这种内在规律和第谷·布拉赫的数据的进一步分析帮助建立开普勒3^{理查德·道金斯}，可以说是最大的法律，和声的定律（开普勒三定律，日期不详）

在1619年，伽利略有什么只能被称为“摇摇他的袜子”，因为他不能理解开普勒发展的理论(Walding, Rapkins, Rossiter, 1999)。开普勒的三^{理查德·道金斯}定律描绘了行星的周期与其半径的关系:“轨道周期的平方与半长轴的立方成正比。”(开普勒三定律，n.d.)。通过进一步测试、分析和发展这个模型，开普勒能够创建一个公式，该公式使用比例概念来绘制轨道周期，并最终推导出以下公式;

此法是能够很容易地找出围绕一个特定的星球上任何地方的对象的时期。例如，如果我们希望找到木星半径关于地球的周期和半径，我们可以利用开普勒第三定律;

这三条定律确实破灭然而当时的信念，有一个问题一直困扰开普勒的想法，他无法证明他的发现。数据显示，计算和其他的研究表明但是开普勒定律的工作，没有物理学家会阐述为什么它的工作或者是什么力量保持这些行星的轨道是椭圆形，直到艾萨克·牛顿加入战局（高中物理解释，2017年）。

通过滥用苹果的夸张故事，牛顿才得以开发出回答问题，重力的想法开普勒定律不能（尼克斯，2015年）。通过对开普勒定律，数据和计算的解释，牛顿是能把自己的重心朝着概念行星运动扩展和合成的思路来回答问题，这开普勒定律不能因此篡夺了他的发现。如果我们真正想要了解的主谋艾萨克牛顿是，我们必须在原点开始。他相应出版的书。

在他1687年的书中，《自然数学的自然法则，牛顿观察到的物体的质量，并通过它施加（美国国家航空和航天局，2009年）的相对力量之间的相互关系。这样做时，他能够识别更大的物体的质量，在强施加引力了。有了这个接地在重力的理论，牛顿是能够处理月球为对象并置其加速度与地球上的物体。通过了解他的第一运动定律，移动中的物体将保持运动和静止的对象往往停留在休息，除非由外力作用，牛顿知道，椭圆形路径的原因是外力作用的结果在以其他方式对象时，它会继续在一条直线路径（美国国家航空和航天局，2009年）行驶。然后，他合成的这个想法与他的重力对象的知识保持他们的轨道因重力的其他对象（开普勒三定律，日期不详）作用于他们的向心力。这项最新发展导致了形成一种新的模式，其中重力是一个常数和力依赖于两个质量那名反比于它们之间的距离的平方的乘积。

用这个推导出来的方程，牛顿可以计算出作用在两个有质量的物体之间的重力。例如，这个公式可以用来计算地球和月球之间的重力。

Kepler proposition that the sun moved planets by releasing “rays like wheel-spokes” which kept planet’s within their orbits was an interesting concept but it had little to no scientific backing which made many astronomers curious as to how this worked (Walding, Rapkins, Rossiter, 1999). By identifying that each planet exerted its own force of gravity that was dependent on its mass, Newton developed upon Kepler’s ideas and eventually usurped him by finding out that it was in fact the centripetal force of gravity exerted by the sun that caused planets to stay within their orbits (Kepler’s Three Laws, n.d.). This meant that the equation could be further derived to not only prove Kepler’s Law, but enhance it. The following equation was then derived by Newton;

通过获得这个公式，理解引力的向心力是在行星什么行动，艾萨克·牛顿不仅建立在开普勒奠定了基础，篡夺了他的发现，证明了他的法律工作。在因为现在是一个理由，以行星是如何留在轨道和一个确切的证据证明他的法律的功能他规律的认识这帮助物理学家。

总而言之，开普勒是一位杰出的物理学家，对于一个坚信地球是宇宙中心的人来说，他的发现、思维过程和发现只能被称为革命性的。他的行星运动三定律回答了日心说模型提出的许多异常现象，并彻底改变了整个天体物理学，然而，它留下了一些未解的问题。通过推导、分析和理解开普勒定律和数据，牛顿能够得出引力在天体物理学中起着至关重要的作用，同时也能够证明开普勒第三定律的行星运动。这是建立在开普勒的想法和理解之上的，但回答了开普勒无法回答的两个异常，从而篡夺了他的发现，并从整体上改善了天体物理学。尼尔·德格拉斯·泰森曾经说过，“科学素养就是让自己知道别人在胡说八道”(泰森，2017)。这一观点可能适用于日常的平地球，但如果要理解牛顿是如何、何时或在何处取代了开普勒，就不能称之为“扯谈”。

外太空吸尘器

“黑与白”这个词指的是清楚而直接的东西。像吃面包是黑白的，刷牙是黑白的，但理解黑洞背后的物理并不符合“黑白”的定义。直到今天，物理学家还在争论黑洞的性质，为了掌握最基本的东西，我们必须对什么使它“黑”，它们是如何形成的，以及光在接近黑洞时是如何变化的有一个牢固的理解。因此，从本质上把握了黑洞的“非黑即白物理学”的基本原理。

黑洞是一种相当复杂的物体，笼罩在神秘之中，然而，我们所知道的为数不多的事实之一是关于它们的形成。当我们宇宙中的一颗恒星坍塌时，黑洞就会出现。在一颗标准恒星中，其核心内部发生的核聚变所产生的力与作用在其上的外部引力保持平衡。这种平衡是它保持稳定的原因，然而，当一颗恒星死亡时，这种平衡会被打破，因为它倾向于外部引力。这导致它内爆，在不到一秒的时间内，恒星释放大量的能量，同时将其质量压缩成一个更小的物体(Kurzgesagt - In a Nutshell, 2015)。浓缩的物体，即残星的质量，是一个变量，因为它取决于母星的质量，然而，有许多恒星可以从残星形成，如红巨星，白矮星等。但这些恒星有一个共同点，那就是向外的引力和施加的内力处于平衡状态，从而阻止了质量进一步凝聚(可汗，n.d.)。这个假设一直是正确的，直到黑洞的话题出现，当一颗质量大于3倍太阳质量的恒星坍缩时，黑洞就形成了。当这种情况发生时，向外的引力比阻力强得多，没有任何力量可以阻止恒星的质量坍缩在自己身上(Kurzgesagt - in a Nutshell, 2015)。这个黑洞，或者换句话说，死亡的恒星，有一个相当可怕的开始，但更可怕的是围绕这些黑洞的误解。

人们普遍认为，黑洞是类似于我们保持我们的家庭中的怪物 - 传说中的真空吸尘器（速成班，2015年）。这种假设本身就是可笑的是，当涉及到一个真空吸尘器，物理和相互关系是黑白的，但是，当涉及到黑洞，没有这么多。我们认为，这个假设是正确的黑洞具有我们认为，因为这将吸收所有的物质进去，真空吸尘器（速成班，2015年）进行类似的东西大，强大的引力场。作为形成黑洞时，它遵循重力的从而使得其强度较弱的随着距离的增加（瓦尔丁，Rapkins，罗斯特1999）校长这一想法固有的缺陷。这是真实的到这样的程度，如果我们自己的太阳系中，太阳是由黑洞被替换，将有地球假设我们发现了另一个来源，产生的热量（速成班，2015年），没有剧烈的变化。重力的力还取决于你是沿着黑洞所在的位置。考虑图3，它显示一个黑孔的三个主要区域，视界，史瓦西半径与奇异性（瓦尔丁，Rapkins，罗斯特，1999）。在每个这些区域上的力作用在物体由于黑洞的变化，这意味着作为一个物体接近黑洞，作用在其上的力随着从奇点降低其距离

(Walding, Rapkins, Rossiter, 1999)。这意味着，当一个物体接近黑洞内的奇异点时，由于黑洞作用在该物体上的引力会增加，从而增加其逃逸速度，并使与它们存在相关的科学变得复杂(Walding, Rapkins, Rossiter, 1999)。

视界马克接近黑洞的任何对象的黯淡端。它定义的周围的黑洞空间的区域的边界。据了解，黑洞，其中v外_esc表示逃逸速度和c表示光速(Event Horizon, n.d.)。当物体接近视界时，逃逸速度增加，这意味着它继续越来越接近光速，直到它到达视界。在这一点上，逃逸速度等同于光速，这意味着唯一能够逃逸的物体是光本身。一旦一个物体通过了这一点，它就不可能逃脱，因为它进入了史瓦西半径(Walding, Rapkins, Rossiter, 1999)。

史瓦西半径是奇点和视界之间的距离。一旦进入，引力就会把物体拉到物理上无法逃脱的程度。想想黑洞GU-Muscae。它的质量是离太阳的7倍，半径为21000米(黑洞百科全书，n.d.)，计算一旦事件视界被突破，逃逸速度:

由于物体接近奇点时的逃逸速度大于光的速度，所以肉眼或其他肉眼无法感知任何东西。这是因为光本身无法逃离黑洞，这意味着它永远不会反射到我们的眼睛(速成班，2015)。这就造成了他们是黑色的错觉，我们看不见他们。这本质上是黑洞是黑色的，而黑洞的物理不是“黑与白”，但为了完全理解黑洞的本质，还有一件事必须考虑进去。它们惊人的巨大质量。

黑洞的质量如此之大，以至于它们不仅吸收光线，而且扭曲时空本身（Crash Course，2015）。爱因斯坦的广义相对论表明，当一个具有大质量的物体，类似于黑洞，扭曲空间时，它也扭曲时间。仅仅由于黑洞的绝对质量，它就可以扭曲时空，从而产生所谓的引力位移。早些时候已经确定，当物体接近视界时，它需要有一个接近的逃逸速度，如果不是以光速逃逸的话。这是由于重力随着距离的减小而变强。这与牛顿第二运动定律有着内在的联系，牛顿第二运动定律指出，物体加速度与净力的大小成正比，换句话说，F=ma（美国国家航空航天局，2009年）。这意味着，当作用在物体上的力增加时，其加速度将成比例增加，这意味着物体将加速。这显然意味着，从物体的角度来看，当它越来越接近奇点时，当它加速时会出现引力蓝移。然而，这与外部视角不同（速成班，2015）。如果你看到一个物体掉进黑洞，你会认为它会在瞬间坠落，但从你的角度来看，这需要相当长的时间。这是因为引力红移。当光越来越接近奇点时，它的能量会由于黑洞的引力而损失。这就从本质上延长了光的波长，由于光的能量与其波长有关，因此波长较长的光的能量较低。当物体经过视界时，由于光线在物理上不会反射，物体的这种拉长下落会突然结束，这意味着它不会进入你的眼睛，从而使它以最真实的形式变黑（Walding，Rapkins，Rossiter，1999）（速成班，2015）。

总之，黑洞的物理并不像“黑与白”早上吃烤面包，或者外出日常慢跑。The most basic of concepts such as a black hole’s birth, how light interacts around the high gravitational field and ultimately what makes them, well, “black”, is one of the only areas of the field that aren’t heavily debated (Khan, n.d.). For the most part, the nature of black holes are an anomaly to us, they cannot be observed by the naked eye and they push our understanding of physics to their limits however, understanding the bare basics of what makes them “black” assist in our grasping of the “not so black and white” physics of black holes.

参考文献

Rapkins, G.， Rossiter, D .， & Walding, R.(1999)。新世纪高级物理学:背景中的概念。牛津大学,墨尔本

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拒绝,大肠(2015)。一个苹果真的掉在牛顿的头上了吗?从https://www.history.com/news/did-an-apple-really-fall-on-isaac-newtons-head获取

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汗,s(无日期)。牛顿万有引力定律述评。从https://www.khanacademy.org/science/ap-physics-1/ap-centripetal-force-and-gravitation/newtons-law-of-gravitation-ap/a/newtons-law-of-gravitation-ap1获取

高中物理解释。（2017年1月22日）。开普勒三定律的解释[视频文件。从https://www.youtube.com/watch?v=kyR6EO_RMKE&t=624s检索

泰森，D.N.（2017年5月27日）。尼尔deGrasse泰森[资料Tweet]。从https://twitter.com/neiltyson/status/868497205308657665?lang=en检索

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