發(fā)生于16和17世紀(jì)的科學(xué)革命,是一個(gè)前所未有的學(xué)習(xí)和發(fā)現(xiàn)的時(shí)代。在此期間,由于物理、數(shù)學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、天文學(xué)等領(lǐng)域的新突破,奠定了現(xiàn)代科學(xué)的基礎(chǔ)。提到天文學(xué),最有影響力的學(xué)者肯定是哥白尼,他創(chuàng)立了宇宙的日心說模型。
根據(jù)對行星運(yùn)動的持續(xù)觀測,以及此前來自古典時(shí)代和伊斯蘭世界的理論,哥白尼提出了宇宙的日心說模型,地球、行星和恒星都圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣,他解決了古典地心說模型所產(chǎn)生的數(shù)學(xué)問題和矛盾,奠定了現(xiàn)代天文學(xué)的基礎(chǔ)。
雖然哥白尼不是首位提出,在太陽系中地球和行星圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的人,但是他們的宇宙日心說模型卻是新鮮而及時(shí)的。舉例來說,它提出的時(shí)間點(diǎn),正是歐洲天文學(xué)家們絞盡腦汁解決普遍接受的托勒密宇宙模型中所出現(xiàn)的數(shù)學(xué)和觀測問題之時(shí),地心說模型在公元2世界被體系化了。
此外,托勒密模型是首個(gè)對宇宙如何運(yùn)轉(zhuǎn)提出完整詳細(xì)解釋的天文系統(tǒng)。哥白尼的模型不僅僅解決了托勒密體系所出現(xiàn)的問題,而且在沒有解釋地心說模型所需的復(fù)雜數(shù)學(xué)工具的前提下,提出了宇宙的簡化視圖。隨著時(shí)間的推移,該模型贏得了廣泛的支持者,促使它成為公認(rèn)的天文學(xué)公約。
托勒密(地心說)模型
地心模型,即地球是宇宙的中心,太陽和所有行星都圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn),這是自古以來就被廣泛接受的宇宙模型。在古典時(shí)代晚期,這個(gè)模型被古希臘和古羅馬天文學(xué)家體系化了,如亞里士多德(公元前384-322年),他的物理學(xué)理論成為行星運(yùn)動的基礎(chǔ),托勒密(公元前100前后-170年左右),提出了數(shù)學(xué)解決方案。
地心說模型基本上可以歸結(jié)為兩個(gè)常見的觀察。首先,對古代天文學(xué)家來說,星星,太陽和行星日復(fù)一日圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)。第二,從地球上觀察者的角度看,地球沒有移動,使得它成為太空中一個(gè)固定點(diǎn)。
地球是圓的,這一學(xué)說在公元前3世紀(jì)成為公認(rèn)的事實(shí),這個(gè)觀點(diǎn)被納入了地心說。因此,在亞里士多德年代,宇宙地心說模型是指,地球、太陽和所有星星是球體,而且太陽、行星和恒星都做完美的圓周運(yùn)動。
直到古埃及-希臘天文學(xué)家克勞迪 托勒密,在公元前2世紀(jì)發(fā)表了他的天文學(xué)著作《天文學(xué)大成》,這個(gè)學(xué)說才得到完善。借鑒數(shù)百年的天文學(xué)傳統(tǒng),從巴比倫到近代,托勒密認(rèn)為地球是宇宙的中心,所有星星都與宇宙中心保持適當(dāng)?shù)木嚯x。
在這個(gè)系統(tǒng)中每個(gè)行星都循著兩個(gè)圓形系統(tǒng)運(yùn)動——本輪和均輪。地球并不在均輪的中心,而是偏離一定的距離,以此來解釋季節(jié)的長度變化。本輪也被認(rèn)為是周轉(zhuǎn)圓,它的中心循著均輪的大圓繞地球運(yùn)行。本輪的作用是解釋行星為什么會逆行,從地球上觀察,行星在天空中運(yùn)行的路徑會周期性的改變運(yùn)動的方向,看起來似乎速度減慢,向后移動,然后再次向前移動。
遺憾的是,這些解釋沒有考慮到所有被觀測行星的自身特點(diǎn)。最為明顯的是,行星逆行圈的大小(尤其是火星)有時(shí)候比預(yù)期的大,有時(shí)候小。為了解決這個(gè)問題,托勒密提出了等分——行星軌道中心附近的點(diǎn)。對站在這個(gè)點(diǎn)上的觀察者來說,行星的本輪總是在勻速運(yùn)動,在其他位置的時(shí)候移動速度不均勻。
在1000多年的時(shí)間里,這個(gè)系統(tǒng)在羅馬、中世紀(jì)的歐洲和伊斯蘭世界始終都是公認(rèn)的宇宙模型,以現(xiàn)代的標(biāo)準(zhǔn)來看,這是非常不實(shí)用的。在托勒密模型中,每一個(gè)行星都需要一個(gè)本輪圍繞均輪運(yùn)轉(zhuǎn),還引入一個(gè)點(diǎn)叫“等分點(diǎn)”,位于均輪中心的另一側(cè)對于每一個(gè)行星都設(shè)計(jì)一個(gè)“本輪-均輪”體系。
然而,這個(gè)模型確實(shí)比較準(zhǔn)確地預(yù)測了行星運(yùn)動,并在接下來的1500年里,被用來發(fā)展占星術(shù)和天象圖。到16世紀(jì),這個(gè)模型逐漸被哥白尼、伽利略和開普勒所支持的日心說模型所取代。
哥白尼(日心說)模型
在16世紀(jì),哥白尼開始設(shè)計(jì)他的日心說模型。哥白尼的工作是建立在古希臘天文學(xué)家的阿里斯塔克(西方公元前300多年,阿里斯塔克和赫拉克里特就已經(jīng)提到過太陽是宇宙的中心,地球圍繞太陽運(yùn)動)基礎(chǔ)上,并參考了馬拉蓋學(xué)派和多位伊斯蘭世界的著名哲學(xué)家的理論。16世紀(jì)初,哥白尼在題為《短論》的論文中歸納總結(jié)了他的天體運(yùn)動學(xué)說的基本思想。
1514年,哥白尼的手稿開始在朋友中流傳開來,他們中的許多人是天文學(xué)家和學(xué)者。這本四十頁的手稿記錄了日心說假設(shè)的思想,日心說假設(shè)共包含7項(xiàng)基本原理。具體包括:
不存在一個(gè)所有天體的共同中心;
地球是月球軌道中心;
所有天體都繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn),宇宙的中心在太陽附近;
地球到太陽的距離同地球和太陽到星星的距離之比是微不足道的,因?yàn)榫嚯x遙遠(yuǎn),我們觀看星星的視線幾乎是平行的,這時(shí)視差接近于零;
人們看到的行星向前和向后運(yùn)動,是由于地球運(yùn)動引起的;
地球圍繞太陽做圓周運(yùn)動,是環(huán)繞太陽的周年運(yùn)動。地球不止有一種運(yùn)動方式(地球除了旋轉(zhuǎn)外,還有某些運(yùn)動);
地球圍繞太陽的軌道運(yùn)動使行星的運(yùn)動方向上看起來是相反的。
此后,他繼續(xù)為更加細(xì)致的工作進(jìn)行數(shù)據(jù)收集,到1532年,他已經(jīng)接近完成了他的巨著–天體運(yùn)行論(關(guān)于天體運(yùn)動的革命)。在這本書中,他提出了他的七個(gè)主要論點(diǎn),以更詳細(xì)的表述和計(jì)算來支持他的論點(diǎn)。
由于害怕教會的懲罰(以及可能,擔(dān)心他的理論存在一些科學(xué)缺陷),哥白尼沒有公開他的研究,直到去世前一年。到1542年,在他死亡之前,這本著作才在紐倫堡出版。
日心說模型的影響:
盡管擔(dān)心他的觀點(diǎn)招來爭議,哥白尼理論的出版僅僅導(dǎo)致了來自宗教權(quán)威的輕微譴責(zé)。隨著時(shí)間的推移,許多宗教學(xué)者反對他的模型。但在幾代人的時(shí)間里,哥白尼的理論傳播的更加廣泛,而且為大眾所接受,同時(shí)也獲得了許多有影響力的支持者。
這些支持者包括伽利略(1564年-1642年),他利用望遠(yuǎn)鏡觀測太空,解決了日心模型的缺陷,同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了支持日心說的證據(jù)。例如,伽利略發(fā)現(xiàn)木星的衛(wèi)星,太陽黑子,以及月球表面凸凹不平,所有這些發(fā)現(xiàn)顛覆了行星是完美球體的概念,行星與地球并不類似。伽利略對哥白尼理論的支持導(dǎo)致了他被軟禁。
德國數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家開普勒(1517年-1630年)引入橢圓軌道概念,幫助改進(jìn)日心說模型。在此之前,日心模型還使用了圓形的軌道,它沒有解釋為什么行星在不同的時(shí)間以不同的速度繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)。通過展示地球在其軌道上的某一點(diǎn)上加速,其它點(diǎn)減速,開普勒解決了這個(gè)問題。
此外,哥白尼認(rèn)為地球在轉(zhuǎn)動的理論,將繼續(xù)激發(fā)整個(gè)物理學(xué)領(lǐng)域的重新思考。之前的觀點(diǎn)認(rèn)為外部的力量激發(fā)和維持這種運(yùn)動(例如風(fēng)能夠揚(yáng)起帆),哥白尼的理論有助于啟發(fā)重力和慣性的概念。這些觀點(diǎn)由牛頓表達(dá)出來,他的理論形成了現(xiàn)代物理學(xué)和天文學(xué)的基礎(chǔ)。
雖然進(jìn)展緩慢,日心說模型最終取代了地心說。從此,人類對宇宙以及我們在宇宙中所處位置的理解將永遠(yuǎn)的改變。
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