天文學概述:「日心說」和「地心說」的調和

2020-12-11 哲學社

#科學史#

克卜勒是第谷的助手,第谷進行了大量的天文觀測,也有不少新的發現,比如超新星、彗星等。第谷希望通過計算來論證,隨著地球的運動,而引起觀測上恆星位置的變化,但最終一無所獲。由此開始反對哥白尼的「日心說」。

地心日動模型

第谷對日心說和地心說的調和

第谷採用《天體運行論》的理論,並不能解釋彗星問題。於是在1583年出版了《彗星論》,提出一種介乎「地心說」和「日心說」之間的「地心-日動說」,首先他肯定了地球是不動的,太陽圍繞地球轉,其他行星圍繞太陽轉。這個宇宙模型同樣可以解釋「行星逆行」現象,而且解釋了為什麼彗星軌道不同於其他行星的問題,曾一度被接受。

第谷

克卜勒三大定律

第谷去世後,作為助手的克卜勒獲得了他的全部觀測資料,開始了複雜的計算。克卜勒設想,如果哥白尼是對的,所有行星都是圍繞著太陽轉,而運行軌道不是正圓,而是橢圓的,那麼每個行星的軌道都會是一直向前的,也就不需要進行複雜的本輪計算。克卜勒用了6年時間,通過第谷觀測火星的數據,用數學推理出第一定律和第二定律。後又用了9年時間,推導出第三定律。

克卜勒

克卜勒第一定律

行星軌道定律,又叫做「橢圓定律」。即:每一個行星,都是沿著各自的橢圓軌道圍繞太陽運行的,而太陽為主處於橢圓的焦點之中。在哥白尼看來,行星運動的軌道是正圓,速度是勻速的。克卜勒採用這種邏輯反覆計算了一年多,終無所獲。後來他發現這個「詭譎多端」的火星,不僅速度不是勻速的,而且軌道也不是圓的。

克卜勒第二定律

面積定律,即:在相等的時間內,行星與恆星的連線掃過的面積相等。也就說,處於橢圓軌道上的行星,與太陽之間的距離,有時候近(近日點),有時候遠(遠日點)。在最接近太陽的地方行星運行速度最快。在最遠離太陽的地方,行星運行速度最慢。

克卜勒第三定律

周期定律,即:所有行星的軌道半軸三次方與周期二次方的比值都相等。且距離太陽位置越遠,其運行周長越長。由這個發現可以推導出,行星和太陽之間的引力與半徑的平方成反比,這是牛頓定律的一個重要的理論基礎。

克卜勒三大定律的提出,不僅終結了亞里斯多德和託勒密所構建起來的「地心學說」,同時也改進了哥白尼提出的天體勻速運動的「日心學說」。克卜勒定律對天文研究具有普遍的意義,不僅適用於太陽系,他對具有中心天體的引力系統,如行星-衛星系統和雙星系統都成立。

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    完善日心說理論的任務,只能由後來者繼承了。伽利略:地心說的否定《天體運行論》發表之後,只被少數數學家青睞,影響力是及其有限的。伽利略聽說荷蘭人發明瞭望遠鏡,於是自己嘗試著製作,並成功發現了木星的四顆衛星。這個偉大的發現,使得伽利略對哥白尼的日心說無比信服。後來伽利略進一步觀察發現了金星跟月球一樣,也有相位變化。
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    關於日心說,地心說,我們小時候的教材,科普書籍,傳遞給我們的觀念,幾乎都是這樣——先進正確的日心說,推翻了錯誤落後的地心說,提出者哥白尼引發了天文學的革命,從此掀開了近代科學的革命云云。哥白尼提出的日心說,跟人們觀測到的數據,並不吻合。因此,在哥白尼最初提出日心說的四五十年裡頭,人們並不接受日心說。直到六十年後,克卜勒用橢圓形軌道取代圓形軌道,日心說的數據才跟觀測高度吻合。再加上伽利略發明了天文望遠鏡,觀測到木星原來有四顆衛星,這為日心說提供了很有力的證據。哥白尼的日心說,才逐漸被人們接受。
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  • 地心說被取代,證明科學可以被推翻?你的理解錯了
    他們會舉出「地心說」的例子,說歷史上地心說是佔據了思想界1500多年的理論體系,還不是被更新的日心說「推翻」了嗎?這樣推導下去,今天所有的科學知識,或者科學理論,在明天也許就像當年的「地心說」一樣,被「未來科學」所推翻。比如,科學界不是堅決不承認特異功能、巫術醫學、易術玄學嗎?說不定未來這些東西就成為了新科學,從而取代今天的所有科學。
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    在過去眾多科學家建立的科學體系下,我們可以輕鬆地認識這個世界和宇宙,但對古人來說並沒有這麼容易。推翻「地心說」難嗎?哥白尼去世前才敢發布日心說,布魯諾被燒死。現在的人類大多知道太陽才是太陽系的中心,地球只是圍繞著太陽運動的眾多行星中的一顆而已。
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    其中,人們從地心說到日心說的宇宙觀轉變尤為艱難。這就要談到歐洲文藝復興時期的一位巨人——哥白尼,他提出的日心說顛覆了人們長達1500年對宇宙的認識。這在當時與被羅馬教會奉為真理的地心說背道而馳,以至於他的擁護者布魯諾因為傳播「日心說」而被教會活活燒死在羅馬鮮花廣場。儘管教會這座大山阻礙了日心說的發展,但隨著時間的檢驗,新理論必將取代舊理論。
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    哥白尼是在什麼背景下提出「日心說」?韋斯特曼有兩個關於哥白尼的問題要問:一、是什麼原因、什麼背景促使哥白尼提出了「日心說」?二、「日心說」提出後,為什麼會出現哥白尼追隨者(哥白尼派)?這導致了把全書分成了兩個相等的部分。
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    但是這個日心說提出之後呢,並不能得到大家的認可,主要就是當時的社會,宗教在掌管著社會的行政文化大權。原來大家認為這個地心說地球是不動的,但如果是日新說的話,這個地球就相當是漂浮的,是不是就不可靠了?好,所以日新說出來之後和地心說,就出現了這種爭議,那麼這個期間呢,克卜勒進行天文觀測就發現了第一定律,第二定律,第三定律。
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    哥白尼(來自Pixabay)上篇文章的結尾我們提到,《哥白尼問題:佔星預言、懷疑主義與天體秩序》一書的作者羅伯特﹒S﹒韋斯特曼認為哥白尼提出日心說是為了更好的佔星(大致和咱中國人說的算命是一個意思),而非通常人們認為的那樣,即哥白尼具有反叛精神,提出日心說是為了引爆科學革命。
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    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。圖:哥白尼「日心說」,來源:Sciencenet圖:克卜勒行星運動定律,來源:Wikipedia克卜勒行星運動定律是簡單且直截了當的:
  • 來,我們一起看看地心說與宗教究竟是什麼關係
    4、基督教分為:天主教(代表:羅馬教皇),新教和東正教。我們國家所講的基督教主要是指新教。02這裡所指的地心說地心說是指由亞里斯多德建立,經過託勒密充分論證而形成一套宇宙觀主要包括是的,就是那個我們熟知並且被批判得一塌糊塗的地心說。
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