行星運動不規律?柏拉圖祭出「拯救現象」,要求學者解釋實現

2021-01-11 魚兒讀書會擺尾

本文參加百家號科學#了不起的天文航天#系列徵文

古希臘人通過長期的天文觀測,已發現水星、金星、火星、木星和土星在天空上相對於恆星背景而言,通常往往是在自西向東地穿行,這被稱為行星的「順行」,但有時也會作自東向西的穿行,這被稱為行星的「逆行」。此外,行星在順行轉為逆行或逆行轉為順行的過程中,常會在若干天內在恆星背景上某點靜止不動,這被稱為「留」。對於太陽和月亮,它們相對於恆星背景始終在自西向東穿行,但這種穿行有時快、有時慢,運動速度並不均勻。

對此,柏拉圖認定行星遵循著某種規律性,像恆星一樣沿著絕對完美的路徑運行。因此他給他的門徒們提出了一個任務:研究行星現在這個樣子究竟是由哪些均勻圓周運動疊加而成的。這就是著名的「拯救現象」方法。為了實現柏拉圖所要求的「拯救現象」,應用發達的幾何學,不同的古希臘學者對順行、逆行、留等現象提出了不同的解釋。

其中第一種解釋稱同心球體系,它是由位於希臘本土的柏拉圖學派的歐多克斯在公元前4世紀上半葉提出的。歐多克斯認為,除了最外層的恆星天球每天均勻地繞位於宇宙中央的地球轉動一周外,水星、金星、火星、木星和土星這五顆行星以及太陽和月亮的運動都分別可用一組同心球來表示。例如對於某顆行星M的同心球體系而言,它出4個同心球組成,行星M位於最裡面的一個同心球上,由此向外的每個同心球的軸都支撐在其外面的那個同心球上,各個軸之間又具有不同的傾角。

歐多克斯認為,同心球體系中的各個球在以不同的速度作勻速圓周運動,但組合起來卻構成了某行星在恆星背景上的順行、逆行、留等複雜的視運動。對於太陽、月亮的不均勻運動也可用類似的同心球體系來解釋。從數學上講,歐多克斯這—模型的實質是把任一曲線運動或不均勻運動用許多勻速圓周運動的疊加來表示。歐多克斯提出,太陽、月亮各需要3個球,五大行星每個各需要4個球,因此連最外面的恆星天球在內—共需要27個球。

歐多克斯只是把他的同心球體系當做解釋天體運動的輔助工具,而並不認為這些同心球是客現存在的物質實體。到了公元前4世紀下半葉,柏拉圖學派的著名學者亞里斯多德則把這些同心球當做實際存在的殼層,而且認為各組天球彼此相連,形成了一個總的同心球體系。為了使某一天體的特有運動不致直接傳給在它裡面的天體,他還在各組天球層之間插進一些反向運動的新的球層,以抵消上面那組天球所特有的一切運動。結果,亞里斯多德使天球層的總數達到55個之多。亞里斯多德還認為,所有這些天球都像水晶一樣透明,甚至比水晶更透明,從位於宇宙中心的地球上的人看去,根本無法覺察到這些天球的存在。亞里斯多德的這一理論常被稱為水晶球體系。

公元前3世紀,阿利斯塔克對行星的順行、逆行、留等現象提出了第二種解釋。亞歷山大帝國在其創建者亞歷山大大帝去世後便告分裂,他的幾位將領把帝國瓜分,其中託勒密·蘇特做了埃及王,史稱託勒密王朝。託勒密·蘇特和他的繼承者都十分重視科學,花費大量金錢在其首都亞歷山大城建立研究院式的學府,還設立了天文臺和圖書館,並招聘許多希臘學者前往進行自然科學研究,從而形成了古希臘天文學中成果最豐碩、延續時間最長的亞歷山大學派。

亞歷山大學派的天才學者阿利斯塔克巧妙地測定了太陽、月亮、地球三者的距離和大小之比,儘管他的測量誤差很大,但他還是發現了太陽遠比地球要大得多,他認為如此碩大的太陽不應該繞著小小的地球轉動,並進而提出了古代的日心地動說:太陽位於宇宙中心安然不動,地球和諸行星都在以不同的速度圍繞太陽轉動,行星在恆星背景上的順行、逆行、留等現象是地球和行星共同圍繞太陽轉動而產生的合成效應。地球除繞日轉動外,本身還每天繞其自轉軸自轉一周,天體的東升西落正是由此而造成的。

公元前三世紀末,著名數學家和天文學家阿波羅尼對行星的順行、逆行、留等現象提出了第三種解釋。這種解釋可稱之為本輪均輪說。阿波羅尼認為地球位於宇宙的中央,行星P在一個小圓(稱本輪)上繞中心O作勾速圓周運動,而該本輪的中心則又在一大圓(稱均輪)上繞地球作勻速圓周運動。兩種運動的合成構成了行星順行、逆行、留等複雜的視運動的現象。

公元前2世紀,著名天文學家、亞歷山大學派的依巴谷對太陽在恆星背景上穿行速度(即太陽的周年視運動)的不均勻性作出如下解擇:太陽實際上是在正圓軌道上作勻速運動的,但由於地球並不正好位於此軌道的中心,而是離中心略有偏離,也就是說太陽是在一個偏心的圓軌道上繞著地球轉動,所以從地球上看去,太陽的周年視運動才是不均勻的。這種解釋被稱為偏心圓模型。

相關焦點

  • 學者:行星圍繞太陽的運動是慣性 不需要萬有引力
    早在十七世紀初,克卜勒根據前人第谷·布拉赫的觀測數據,總結出太陽系行星運行規律,並提出行星運動三大定律。這三大定律分別涉及太陽系行星的軌道形狀、運行速度以及運行周期,對行星運動的軌道規律進行了說明。  克卜勒的行星運動三定律真正使太陽成為太陽系行星軌道的中心,也讓科學家開始思考,為什麼行星會圍繞著太陽運動?是什麼支配著它們的運動?
  • 高考知識物理考題:關於行星運動的規律,下列說法符合史實的是?
    高考知識物理考題:關於行星運動的規律,下列說法符合史實的是?A.克卜勒在牛頓定律的基礎上,導出了行星運動的規律B.克卜勒在天文觀測數據的基礎上,總結出了行星運動的規律C.克卜勒總結出了行星運動的規律,找出了行星按照這些規律運動的原因D.克卜勒總結出了行星運動的規律,發現了萬有引力定律
  • 探索天體運動的規律,解析公式背後的意義
    闡述牛頓力學三大定律牛頓力學三定律:第一定律說明了力的含義:力是改變物體運動狀態的原因;第二定律指出了力的作用效果:力使物體獲得加速度;第三定律揭示出力的本質:力是物體間的相互作用。曾經,我們拋出一枚足球,在草地上滾動一段時間就停下來了。有學者說,是因為受力,足球才會運動,拋出後,沒有手給它力,所以足球不一會兒就停下了。
  • 毛澤東曾把《甲申三百年祭》列為延安整風運動文件
    《甲申三百年祭》的系統總結,恰給了毛澤東思考如何加強正處於上升期的中國共產黨建設、防止驕傲情緒滋長以極好的歷史參照,他決定向全黨推薦學習。於是,他指示在延安《解放日報》全文轉載《甲申三百年祭》,並要求各解放區印成單行本作為整風文件進行學習。
  • 物理學規律在其他天體上也同樣適用嗎?還是只適用於地球?
    他們也曾經試圖去解釋宇宙的各種現象,以及地球上的各種現象。古希臘時期關於這個這部分的討論尤其多。今天,我們就來聊一聊這個問題。天界完美不變?總的來說,哥白尼革命之前,古希臘哲學家們認為天界是天界,大地是大地,兩者之間有不同的物理學規則,連構成的物質都是不同的。
  • 克卜勒傑出的德國天文學家,他發現了行星運動的三大定律
    該書論及日月食甚詳,記述1567年的所謂「日食」為「四周有光環溢出,參差不齊」,由此可見這不是日環食,而是日冕現象。不久他又出版了《彗星論》一書,他認為彗星的尾所以總背著太陽,是由於太陽光排斥彗頭物質所致。這是提前兩個半世紀預言了輻射壓力的存在。克卜勒晚年根據他的行星運動定律和第谷的觀測資料編制了一個行星表,為紀念他的保護人而定名為《魯道夫星表》。
  • 開啟天文學新篇章:克卜勒行星運動定律
    1609年,一位名叫約翰內斯·克卜勒的德國數學家,發現了行星距太陽的距離和行星的軌道周期之間,存在一種簡單關係。圖:克卜勒,來源:Wikipedia這個關係成為了未來舉世聞名的「克卜勒行星運動定律」的基礎。儘管這些定律在當時並不是什麼新鮮事物,但它們的確改進了哥白尼「日心說」理論,並解釋了行星的速度是如何變化,以及行星軌道的路線是橢圓形而非周轉圓。
  • 探索太空,有時得向行星借力
    執行深空探測任務的太空飛行器往往先要大幅加速才能飛出地球引力空間,又要大幅減速才能被目標天體捕獲,飛行途中還要多次進行軌道修正,整個過程耗費大量燃料。如果任務的能量需求超出太空飛行器推進系統能力,往往就要藉助引力彈弓來給太空飛行器「加把勁兒」。  「事實上,宇宙中天體的運行軌道被其他天體引力改變是常見的天文現象,原理就是牛頓第二定律和克卜勒運動定律。」
  • 也是英國的一場疫情,讓牛頓提出了萬有引力,統一了宇宙運動規律
    闡述了物體之間力的關係,解釋了太陽系的天體為什麼都繞著太陽不斷運轉,地球上的物體為什麼不會飛出地球,統一了地面上的物體與天體運動的定律。然而這個定律的提出卻醞釀了20年之久,牛頓是從1665年至1687年結合了伽利略、克卜勒、雷恩、哈雷、胡克等前輩科學家的力學理論上總結出來的成果。
  • 李國旺:國學中的哲學思想可以解釋資本市場發展規律
    3、《易經》的全息思想,統一了自然與社會交錯運動過程中自然現象與社會經濟發展的關係,從而為構建從自然現象中發現未來經濟規律提供了思路和發現機會的路徑。易理講究從天象規律、農業生產規律、政策規律和市場規律在時間周期上的統一。資本市場的供求關係受政策變化的影響,以產業發展為中心的經濟階段,往往是股票供應(IPO+增發)為先,投資者利益保護往往在政策行為中會提供不足。
  • 最喜歡柏拉圖式戀愛的四大星座
    所謂的柏拉圖式的戀愛,是一種精神上的完美並且理想式的戀愛觀念,追求自由平等的一種精神狀態。
  • 八大行星共線概率有多大?科學家認為行星連珠現象不是傳說
    告別了學校的你是否還記得太陽系的八大行星由內到外的排列順序?「水金地,火木土,天王、海王」這八個太陽的行星自然一刻不停的繞著太陽做公轉運動。神奇的是,他們「不謀而合」,頗有「默契」,繞著太陽沿著同一個方向自西而東的轉動,而且,它們八個處於同一個平面內,且都做著近圓運動。
  • 國外製作出「行星年齡計算器」
    本文轉自【快科技】;8月30日,據外媒報導,有國外網站設計了一個計算器,可以計算出你在太陽系其他行星上的年齡。報導稱,太陽系中的行星種類繁多,從金星到海王星,除了每個行星的環境都不相同,它們的運動方式也不相同,這意味著它們的一天和一年的時間也是不同的。
  • 別只信佔星術,也聽聽天文學的解釋
    為了看到水逆現象,你必須關掉軟體中那些不相關的元素,比如大氣層、地面、霧氣和模擬光速,然後,打開行星軌跡和行星標記,這樣出現在你面前的就是一幅純然的星空景象,不僅太陽和臨近的幾顆行星的運行軌道清晰可見,如果你打開星座連線和星座表示,還可以獲得更加豐富的感官體驗。在Stellarium軟體的星空圖上,可以看到太陽及附近行星的運行軌跡。
  • 科學家發現與地球大小相似的「流浪行星」
    儘管許多已知的系外行星與我們太陽系的行星並不相似,但它們有一個共同點——它們都圍繞著一顆恆星運行。 但茫茫宇宙間,還可能充滿了神秘的「流浪行星」,它們的引力不受任何恆星的束縛。 由波蘭天文學家領導的一個國際科學家小組,最近宣布他們發現了迄今最小的自由「流浪行星」——大約與地球一樣大。
  • 冥王星被踢出九大行星之列後,太陽系一個神秘規律再現!
    這樣一組數字,是否有什麼規律呢? 1766年,德國的一位中學教師提丟斯發現,這些距離與下面這個簡單的數列有關: 4+0×3,4+1×3,4+2×3,4+4×3,4+8×3,4+16×3,4+32×3 把這個數列除以10,就得到了行星到太陽的距離,見表1。
  • 三體人恐怖的亂紀元現象在宇宙中真實存在嗎?
    小說中把那個三星系統文明環境描述的令人毛骨悚然,那裡的三顆恆星的運行完全沒有規律,導致那裡的行星文明會沒有預兆突然跌入極寒凍斃的境地,又突然暴露在火焰般熾熱中,毫無規律可循。但那裡卻不可思議的孕育出了比地球更高級的文明。那麼宇宙中的三星系統真的是無規律可循,那麼恐怖可怕嗎?我們一起來討論一下。
  • 怎麼給行星起名字呢?古人認為五行元素是構成宇宙萬物的基本元素
    你有沒有想過水、金、火、木、土、天、海、冥王星這些大行星、矮行星還有小行星的名字背後到底有什麼規律呢?今天和大家來聊的是怎麼給行星起名字。說到行星大家最熟悉的應該是太陽系的大行星,尤其是金、木、水、火、土。為啥叫金木水火土呢?