| 单词 | 大体力学 |
| 释义 | 【大体力学】 又称理论天文学、动力天文学，是天文学的一个老分支，研究天体的运动和形状。现在所研究的天体范围，已扩大到太阳系和恒星系统的所有自然天体和人造天体；所研究的运动是指力学运动，包括天体在空间的移动和绕自己质量中心的转动。对一般课题，是以牛顿力学为基础进行研究的，但对一些精度很高的课题，要用广义相对论或其它新的引力理论为基础，这是新形成的研究领域“相对论天体力学”的内容。天体力学是一个二级基础学科，但有广泛的应用；除传统的编历用于航海航空外，人造天体的运动理论已成为航天学科和大地测量学的一项基本内容，在军事和经济建设中都有大量应用。 牛顿(I．Newton)以前的天文学，主要研究天体(日，月和大行星为主)在星空中的视位置和视运动规律，是经典天体测量学领域。经过对大行星视运动的长期观测研究，逐步总结出行星绕太阳的一些运动学规律；1609～1619年间，开普勒(J．Kepler)提出了最精确的运动学规律，即著名的开普勒“行星运动三大定律”：行星绕太阳运动轨道为椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点；行星向径扫过的面积与时间成正比；行星轨道半长径立方与公转周期的平方成正比。另外，在中世纪结束后出现了力学萌芽。达·芬奇(L．da Vinci)在机械研究中肯定了力的存在，伽利略(G．Galileo)在实验中得到力学的一些基础量和重要结果，惠更斯(C．Huygens)进一步研究了曲线运动，给出离心力公式。在这样的历史条件下，天体运动的力学理论的出现成为必然。1666年，牛顿认为行星绕太阳运动的原因是相互存在引力；而且推出行星在圆轨道上运动时，引力应同离心力平衡，利用开普勒的三定律可得到引力大小与距离平方成反比。这就是万有引力定律的主要内容。但牛顿认为还有两个问题未解决：行星轨道不是圆而是椭圆；行星不是质点而是大物体，地球半径未测准而不能准确解释月球运动。直到1685年，牛顿用新数学方法推出了椭圆轨道也符合引力与距离平方成反比的规律；球对称大物体的引力与质量集中在质心的质点相同；并用新的地球半径值验证月球轨道也符合较好。故在惠更斯鼓励下，又在哈雷(E．Halley)的资助下，于1687年出版了历史性名著《自然哲学的数学原理》。牛顿力学正式诞生，用它研究天体的运动和形状的天体力学也同时诞生。但牛顿并未提出天体力学这个学科名称，只在二体问题范围内得到普遍的圆锥曲线轨道，用于解释行星和彗星的运动。从地球的自转肯定了扁球体形状，从月球轨道的变化萌发了摄动的概念。但这已标志着天文学从研究天体视运动发展到研究天体真运动：是天文学发展史上的第1次大飞跃。18世纪后期到19世纪初是天体力学的奠基时期，主要代表为欧拉(I．Euler)、克莱洛(A．C．Clairaut)、达朗贝尔(J．D．Alembert)、拉格朗日(J－L．Lagrange)和拉普拉斯(P．S．Laplace)，最后由拉普拉斯集其大成，建立起经典天体力学。其主要内容：摄动理论；并对当时已发现的各类天体分别提出了运动理论和历表计算方法，精度符合当时的观测水平。拉普拉斯在1798年第1次提出了天体力学这个学科名称，他写道：“用万有引力定律研究太阳系及宇宙中类似系统的固体和流体的平衡和运动的理论，组成了天体力学”。他在1799～1825年内出版的历史性巨著《天体力学》(Mecanique Celeste，共5卷16册)就是经典天体力学的代表作。到此为止，天体力学奠基完成。不久(1846)，由勒威耶(U．Leverrier)用天体力学理论计算而发现了海王星，标志天体力学已初步成熟，成为当时天文学的主流。19世纪后半叶，有3个因素促进这段时期成为发展高潮：(1)照相和分光技术用于天文观测，使天文学不仅能研究天体的力学运动，也能研究天体的物理本质，由此诞生了天体物理学，是天文学发展史的第2次飞跃；(2)发现大量小天体包括小行星、彗星和天然卫星，研究大行星的摄动理论不适用，要求改进研究方法；(3)航海和大地测量精度要求提高，需要更准的天文历表。这次高潮延续到20世纪初，主要成果有：(1)建立了适用于各种类型天体运动的新摄动方法，具体内容参看摄动理论条；(2)创立了历书天文学，包括建立各大行星和月球的摄动理论及相应的运动表，还有天文常数系统的建立，是天体力学和天体测量学的共同研究领域；(3)创立了天体力学定性理论，即以数学定性理论为基础，用于研究天体运动和形状的定性课题，如轨道和形状稳定性，周期轨道的存在性，终结轨道等；(4)形成天体力学数值方法，即用数值解法来解出天体运动方程和其它关系式，逐步成为与摄动理论、定性理论并列的第3种基本研究方法。这个历史时期的主要代表人物为德洛内(C．E．Delaunay)、汉森(P．A．Hansen)、希耳(G．W．Hill)、纽康(S．Newcomb)和庞卡莱(H．Poincare)，前3人是新摄动理论的创立者代表，后两人为历书天文学、天体力学定性理论创始人。庞卡莱为集大成者，他的《天体力学新方法》(Methodes Nonvelles de la Me canique Celeste，3卷，1892～1899年出版)为这段时期的代表作。自20世纪50年代以后，3个因素又使天文学(包括天体力学)的发展形成高潮。一是人造天体出现，不仅天体增加了新成员而且航天技术成为天文观测的新手段，在大气层外可得天体全波段辐射，诞生了空间天文学；这是天文学发展史上的第3次飞跃。研究人造天体的轨道设计和运动理论，形成了天体力学的新领域——天文动力学。二是快速电子计算机的广泛应用，使大量天体的短时期定轨和预报课题可直接用数值方法算出；而且还促进了摄动理论和定性理论的进一步发展。三是新观测技术的出现，如甚长基线干涉(VLBI)技术、多卜勒(Doppler)测速技术、激光(Laser)测距技术等，测量精度比原有的照相定位技术提高2～4个量级。原有天文历表精度都不符合要求，必须更新，并扩大了天体力学的应用范围。按现存的本学科内容，现代天体力学可划分为下列10个研究领域(或三级学科)：(1)摄动理论：已比经典天体力学的分析方法有重大发展，具体内容参看摄动理论条。(2)天体力学定性理论：20世纪60年代以来结合动力系统的定性研究，在特解的稳定性、稳定区、轨道演化、运动范围、周期解族等课题研究中进展迅速。特别是由科耳莫哥洛夫(A．N．Kolmogorov)、阿尔诺德(V．I．Arnold)和莫泽(J．K．Moser)创立的KAM理论以及由厄隆(M．Henon)等创立的数值探索方法，是最突出的成果，带动大量课题更快发展。(3)天体力学数值方法：随着计算机的迅速改进和普及，天体力学中大量课题用数值方法可以解决，加快了这个领域的发展。主要内容是研究专用计算方法，对各重要课题建立软件包，还针对奇点附近情况以及长时间计算建立正规化和稳定化技术；而且还同分析方法结合建立了半分析方法。(4)天体形状和自转理论：由于人造卫星轨道研究不断精确，空间探测资料大量积累，近几年来对地球，月球和行星的形状，内部结构以及自转的研究不断深入，形成了行星(包括大卫星)动力学。另外，行星环多次发现，又为天体形状理论增加新内容。(5)天文动力学：是人造天体出现后的新研究领域，研究人造地球卫星、月球火箭、行星际飞行器等人造天体的发射段、过渡飞行段、轨道被动飞行段以及返航回收段的设计，运动理论和导航方案等课题。60～70年代形成发展高潮，成为航天科学的一个重要分支，并在大地测量学、地球物理学、空间天文学以及军事科学中广泛应用。(6)历书天文学：60年代以后有重大发展，由于新技术提高了观测资料的精度，以及行星际航行和长距离道弹导航的需要，欧美各国用20年时间完成了新历表系列。美国完成的DE200／LE200行星和月球历表，已在1984年起为很多国家(包括中国)采用；法国和比利时研制的ALE2000月球历表和VSOP82行星历表已在1986年采用。现在仍不符合最新精度要求，都在继续改进。同时有关在相对论框架下建立更精确的动力学参考系及相应天文常数系统等，也是当前热门课题。(7)多体问题：即牛顿引力下的质点组动力学，是天体力学和一般力学以及应用数学的共同研究领域，具体内容参见多体问题条。(8)恒星系统动力学：研究双星、聚星、星团、星系等的动力学课题，是与天体物理学的共同研究领域。(9)动力演化：研究各类天体及天体系统在力学作用下的运动演化，也是天体演化学的一个领域。(10)相对论天体力学：研究天体在广义相对论或其它新引力理论框架下的运动和形状课题，是1972年前苏联学者勃龙别格(V．A．Brumberg)首先提出此学科名称，80年代后得到承认，有较快发展，但整个学科基础理论尚在建立过程中。【参考文献】：1 Hagihara Y．Celestial Mechanics．MIT Press，Massachusetts USA，1970，1∶15～1042 易照华，孙义燧编著．摄动理论．北京：科学出版社，1981．1～503 Brouwer D，Clemence G M著．天体力学方法．刘林，丁华译．北京：科学出版社，1986．1～1504 易照华编著．天体力学基础．南京：南京大学出版社，1993．1～20(南京大学博士生导师易照华教授撰) |
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