天文常識(shí)1001條
第二章 簡(jiǎn)要的歷史回顧：站在巨人的肩膀上
101 許多早期的關(guān)于宇宙的看法都是將地球擺在所有物體的中心。從古希臘到印度和中國(guó)，許多文化發(fā)展了地心說(shuō)或者被稱之為地球中心論這樣的對(duì)宇宙的觀點(diǎn)。這個(gè)幻想畢竟很強(qiáng)烈。地球感覺上非常像是固定的，天上的光每天每夜都繞著它轉(zhuǎn)。
102 最先受亞里士多德影響，許多古希臘人區(qū)分了天地的領(lǐng)域：天在上面地在下面。對(duì)于亞里士多德來(lái)說(shuō)，地球上的所有東西都由四種元素組成：土地，空氣，火和水。天上的太陽(yáng)，月亮和已知的五大行星也被裝在了水晶球里。這些球體被包含所有恒星的天球包含。它們都繞著地球轉(zhuǎn)圈。它們必須作圓軌道運(yùn)動(dòng)，亞里士多德說(shuō)，因?yàn)閳A是完美的。而天上的東西都是以完美的方式運(yùn)動(dòng)。這些天體和它們的水晶球是由五種元素組成的，或稱為五種精華。在它們下面屬于地球的領(lǐng)域。有一條恒定的規(guī)律，就是出生，死亡和腐爛。但是在天空的領(lǐng)域，所有的東西的都是純凈的，無(wú)瑕疵的，永恒不變的。天上在外表上看永遠(yuǎn)是平靜的，不變的。一切都是完美的。
103 亞里士多德的宇宙圖是優(yōu)雅的，但是不夠精確。古中國(guó)的天空觀測(cè)者不知道亞里士多德的這些論斷，因此也沒有受到亞里士多德的影響。他們觀測(cè)并且記錄下了天空的變化。這些包括被假設(shè)為無(wú)瑕疵的太陽(yáng)上的黑子的出現(xiàn)和消失。彗星像掃把一樣劃過天空，客星突然間發(fā)光，以至于白天也能看到。（西方人肯定也看到過這種現(xiàn)象，但是當(dāng)時(shí)最好的做法是保持沉默，不要讓自己的言論與哲學(xué)的偉人們矛盾）如果出現(xiàn)一次觀測(cè)，非常明顯并且非常持久，那么就不可能忽略掉它。
104 一些行星的表現(xiàn)不夠“規(guī)矩”。經(jīng)常搞觀測(cè)的人都知道在一定的時(shí)間在自己軌道上運(yùn)行的火星，木星，土星會(huì)停止它們一貫的向東行進(jìn)而改為一個(gè)U形的彎運(yùn)動(dòng)。即有的時(shí)候向西運(yùn)動(dòng)，然后再作一個(gè)U型彎運(yùn)動(dòng)。最后才改回到原來(lái)的向東行進(jìn)。更糟糕的是，這些退行，環(huán)形或者Z型運(yùn)動(dòng)幾乎沒有相同的形狀和大小。為了保留亞里士多德的天體運(yùn)動(dòng)的假設(shè)，大量的天文學(xué)家，哲學(xué)家和數(shù)學(xué)家在試圖保留亞里士多德的“宗教”假設(shè)（天上的物體必須做完美的圓軌道運(yùn)動(dòng)）的前提下試圖解釋這個(gè)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。
105 托勒密的復(fù)雜天球機(jī)器。公元二世紀(jì)，一位希臘的數(shù)學(xué)家，天文學(xué)家托勒密繼承了亞里士多德的理論體系，并且在外層行星的大球上加了一些小球（本輪）。這樣表示外層的行星在小球上運(yùn)動(dòng)，而它們的中心又在主水晶球上繞著地球轉(zhuǎn)動(dòng)。加上的這些小球（總共有80個(gè)）是為了解決觀測(cè)上出現(xiàn)的退行現(xiàn)象。用這種聰明的方法，托勒密和他的同事們就既能解釋外層行星的退行現(xiàn)象又能使它們符合圓周運(yùn)動(dòng)。這種模型在西方整整統(tǒng)治了14個(gè)世紀(jì)。
106 在16世紀(jì)，一個(gè)羞澀的波蘭傳教士發(fā)起了革命，并且改變了宇宙。在接下來(lái)的幾個(gè)世紀(jì)里，仍然有人對(duì)托勒密的大環(huán)套小環(huán)的復(fù)雜模型不滿意。尼古拉斯哥白尼有著數(shù)學(xué)功底和敏銳的洞察力，他準(zhǔn)備做點(diǎn)什么。他意識(shí)到他可以去除掉托勒密系統(tǒng)中的本輪，只要通過一點(diǎn)點(diǎn)改變就能使這個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)變得簡(jiǎn)單得多。這個(gè)辦法就是把地球從中心的位置剔除，把太陽(yáng)放在那里，并且讓地球也像其他行星一樣繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)。這樣的解決辦法很簡(jiǎn)單，但是要借助大量的數(shù)學(xué)。這就是所謂日心說(shuō)的宇宙模型。
107 托勒密體系之所以很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)都有很高的地位是因?yàn)樽诮淘颉?/strong>哥白尼很小心，他沒有立即站出來(lái)說(shuō)他的新觀念是正確的。因?yàn)槟菢又荒苁巩?dāng)權(quán)者不高興，甚至威脅到自己的健康。他只是簡(jiǎn)單的把它帶給世界，作為一本“數(shù)學(xué)練習(xí)”帶個(gè)羅馬教皇統(tǒng)治下的世界。因?yàn)椴粶?zhǔn)備去冒險(xiǎn)，哥白尼直到去世的時(shí)候才將它發(fā)表。
108 意大利天文學(xué)家伽利略找到了支持哥白尼模型的證據(jù)。對(duì)亞里士多德和他的追隨者們，科學(xué)頂多是建立在科學(xué)實(shí)驗(yàn)的純粹推理上。而對(duì)于伽利略來(lái)說(shuō)，證據(jù)就在布丁里，如果你想知道天空的機(jī)制是什么，你的布丁就在天上。聽說(shuō)了一種可以使遠(yuǎn)處物體在近處看的很清楚的裝置（望遠(yuǎn)鏡）之后，伽利略造了許多自己設(shè)計(jì)的望遠(yuǎn)鏡，并且把它們對(duì)準(zhǔn)了天空。他記錄下月亮其實(shí)很不完美，不像眾多哲學(xué)家相信的那樣，月亮上既有高山又有深谷。伽利略還記錄了太陽(yáng)的黑子。并且發(fā)現(xiàn)了木星的四顆衛(wèi)星。最后，他觀測(cè)了金星，它像地球的衛(wèi)星月亮，并且也有相的變化。這個(gè)發(fā)現(xiàn)聽起來(lái)就是亞里士多德和托勒納米體系的喪鐘。因?yàn)槟芸吹浇鹦堑南嗟淖兓?，金星就必須繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)，而不是地球。然而伽利略的發(fā)現(xiàn)在他的那個(gè)年代并不受歡迎。更喜歡亞里士多德和托勒密體系的教廷迫使他放棄自己的觀點(diǎn)，并且在他的后半生軟禁了他。
109 兩位與伽利略同時(shí)代的人也幫助摧毀了亞里士多德的水晶球系統(tǒng)。伽利略有力的打擊了亞里士多德的宇宙體系，并且證明了哥白尼的理論是正確的。但是即使是哥白尼也沒有完全拋棄宇宙中所有的運(yùn)動(dòng)都是圓運(yùn)動(dòng)的觀念。第谷，伽利略同時(shí)代的一個(gè)人，在他的工作里沒有使用望遠(yuǎn)鏡，但卻給出了那個(gè)年代行星運(yùn)動(dòng)最精確的測(cè)量法。他的合作人，稍微有點(diǎn)神秘兮兮但卻是一位精明數(shù)學(xué)家的開普勒，通過觀測(cè)來(lái)檢查行星運(yùn)動(dòng)。他的工作比任何前人做的都要好。
110 開普勒首先提出行星繞太陽(yáng)作橢圓軌道運(yùn)動(dòng)。當(dāng)他檢查第谷數(shù)據(jù)的時(shí)候，他意識(shí)到行星不能像人們想象的那樣繞著太陽(yáng)作圓軌道運(yùn)動(dòng)，取而代之的應(yīng)該是橢圓軌道運(yùn)動(dòng)。開普勒還提出了今天所有行星遵循的行星運(yùn)動(dòng)三大定律。下面是開普勒的行星運(yùn)動(dòng)的三大定律：
1 行星繞太陽(yáng)作橢圓軌道運(yùn)動(dòng)，太陽(yáng)在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。
2 行星不是以恒定速度繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的，行星距離太陽(yáng)越近，運(yùn)動(dòng)的越快。
3 距離太陽(yáng)越近的行星，它繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)一圈所用的時(shí)間就越短。
111 一個(gè)叫伊薩克牛頓的天才把開普勒的工作推進(jìn)了一步。在伽利略去世的那年，伊薩克牛頓出生了。開普勒提出了行星繞太陽(yáng)作橢圓軌道運(yùn)動(dòng)而不是圓軌道運(yùn)動(dòng)，這符合事實(shí)，但他自己卻不知道為什么。牛頓發(fā)明了數(shù)學(xué)的一個(gè)分支——微積分學(xué)，并且以它為工具，以一種今天我們稱之為引力的力來(lái)解釋物體的運(yùn)動(dòng)。
112 牛頓很可能從來(lái)沒有像傳奇中說(shuō)的那樣被蘋果砸到。但是他很可能確實(shí)看到過蘋果從樹上掉下來(lái)，這激發(fā)了他對(duì)引力的思考。那么這種看不見的力既然能到達(dá)樹上把蘋果拉到地上，為什么它不能到達(dá)月球把月球拉到地球上來(lái)呢？用數(shù)學(xué)描述引力的行為，牛頓可以證明相同性質(zhì)的力確實(shí)控制著蘋果，月球以及宇宙中其他所有運(yùn)動(dòng)物體。通過極其敏銳的洞察力，牛頓說(shuō)明了引力是普遍存在的力，并且用數(shù)學(xué)語(yǔ)言給出了這個(gè)統(tǒng)治宇宙中所有運(yùn)動(dòng)物體的力的精確表達(dá)式。他不只說(shuō)明了我們?cè)诘厍蛏辖?jīng)受的物理現(xiàn)象與宇宙中其他地方也是一樣的，還表明了人類有能力了解這種力。
113 除了萬(wàn)有引力定律，牛頓還描述了三大運(yùn)動(dòng)定律。
1 如果沒有外力作用，一個(gè)物體將保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)。
2 如果一個(gè)拉力或推力作用在一個(gè)物體上，它將改變物體的速度或速度的方向。
3 如果一個(gè)物體對(duì)另一個(gè)物體施加力的作用，那么它將受到等量的反向的力的作用。
這些定理控制一切，從曲棍球到賽車，從宇宙飛船到繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的行星。
114 在20世紀(jì)初期，愛因斯坦又突破了牛頓的體系。在1913年，阿爾伯特愛因斯坦出版了他的狹義相對(duì)論。在書中，他表示牛頓定律在平時(shí)的低速世界里是適用的，但在高速世界里它就被破壞了，即當(dāng)速度接近光速的時(shí)候。這個(gè)理論的一個(gè)基本假定是光速是不變的。光速與光源的運(yùn)動(dòng)速度和觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)。這看似荒謬，但已經(jīng)被大量的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)證實(shí)。并且它引出了三個(gè)與觀測(cè)者速度相關(guān)的物理量---質(zhì)量，長(zhǎng)度和時(shí)間。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)以接近光速的飛船朝你飛來(lái)的時(shí)候，它的質(zhì)量變大，在行進(jìn)方向的長(zhǎng)度變短，并且飛船上的時(shí)間與停在你旁邊的飛船相比慢很多。盡管同樣的奇怪，但這也被證實(shí)了，并且應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)的計(jì)算中。
115 幾年過后，愛因斯坦出版了他的廣義相對(duì)論。廣義相對(duì)論解決牛頓力學(xué)里引力的問題，并且指出一個(gè)物體影響它旁邊另一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)，不僅僅是因?yàn)橐?，它的質(zhì)量也彎曲了它周圍的空間。更進(jìn)一步的還有，物體的質(zhì)量不止影響空間，還會(huì)影響時(shí)間，使時(shí)間變慢。這同樣使人很困惑，但這已經(jīng)被證實(shí)是一個(gè)很有效的理論。
116天文學(xué)的進(jìn)步是很多人努力的結(jié)果。對(duì)于他的成就，牛頓說(shuō)：“如果我比別人看得更遠(yuǎn)，是因?yàn)槲艺驹诹司奕说募绨蛏稀?#8221;比牛頓早的時(shí)代和晚的時(shí)代里都有很多科學(xué)巨人，你可以閱讀他們的傳記或書籍來(lái)了解我們這個(gè)神奇的宇宙。
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