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地心說
天文學算是人類文明中比較古老的一門學問了。四大文明和海洋文明都各自在這個領域取得巨大的成果。其中在海洋文明中,通過幾代哲學家和數學家的努力,最終拿到了一套模型,這就是大名鼎鼎的地心說模型。這個模型是在託勒密時代大功告成的,並且被後世所接受,在整個西方的學術圈中流傳了1400多年。
通過地心說模型,我們就會發現,古人很早就發現了有一部分特殊的天體會動。只不過,他們沒有足夠的證據證明地球本身在動,因此,他們假設地球是不動地,以地球為絕對參考系來看其他的天體,就會認為其他的天體都在繞著地球運動。同時,當時的學者其實已經發現天體走的軌跡並不是完全的圓,但由於他們對於「天界完美」的信仰,還是用各種圓來套,這使得地球說成為極其複雜的一套理論。至於「天體會繞著地球轉」,當時認為天界都是由「以太」構成的,這種物質就會使得天體走出「圓」的軌跡。
牛頓的萬有引力定律
後來,哥白尼首先對地心說提出了質疑,並提出了日心說模型。伽利略發現並不是所有的天體都繞著地球轉,並提出地球可以動的理論。而幾乎在同時,克卜勒發現了行星繞著太陽的軌跡其實是橢圓。克卜勒的師傅第谷觀測到了超新星和彗星的現象,證明了天界並不是完美的。
經過這四個人的努力,地心說的地位其實搖搖欲墜,全靠教會支撐著。不過,克卜勒的發現也遺留了一個很重要的問題,那就是為什麼行星繞著太陽轉的軌跡是橢圓?
後來,牛頓在1687年發表了著作《自然哲學的數學原理》。在這本著作中,牛頓提出了著名的牛頓力學理論和萬有引力定律。
牛頓認為,地球之所以繞著太陽轉並且軌跡是橢圓,是因為地球受到了太陽的引力作用。他還給出了萬有引力的關係式,引力與物體的質量成正比,與兩個物體之間的距離的平方成反比。
牛頓的這條理論很好解釋了前輩們遺留下來的問題,並且能夠非常準確地描述天體的運動,還可以用來預測天體的位置。後來,有數學家僅僅利用牛頓的理論,通過紙和筆就找到了海王星。所以,牛頓的理論被學術界廣泛認可,並且他也成了科學史上的地位最崇高的科學家之一。
雖然牛頓的理論已經很牛了,但是學者們還是發現了一個問題,這個問題也被稱為水星的近日點進動。學者們發現,水星的運動軌跡確實是橢圓,只不過這個橢圓並不是固定的,而是橢圓自身也在動。這其實也是牛頓的萬有引力定律的瑕疵,一直以來學者們都無法解決。那這究竟是咋回事呢?到底是哪裡出了問題?
愛因斯坦的廣義相對論
解決這個問題的科學家是愛因斯坦,他在1915年提出了著名的廣義相對論。在牛頓的理論當中,做了一個基礎假設,這個假設認為時間和空間是割裂開的,時間就是時間,空間就是空間,兩者並沒有什麼關係。除此之外,牛頓還認為物體的運動狀態並不影響時間和空間。說白了,任何人看到的一米長都是一樣的長得,任何人感受到的一秒鐘都是相同的一秒鐘,這也被稱為牛頓的絕對時空觀。
不過,愛因斯坦通過光速不變原理和洛倫茲變換推導出了全新的理論,也就是狹義相對論。在狹義相對論當中,他發現時間和空間不能獨立,或者我們可以說時間和空間在某種程度上看是等價的,兩者應該被並成為:時空。基於狹義相對論,愛因斯坦進一步推廣得到廣義相對論,他認為,根本不存在引力,地球繞著太陽轉的現象是由於時空彎曲造成的。
廣義相對論被提出時,大多數的科學家都無法接受。不過,後來在1919年,天文學家愛丁頓帶隊觀測日全食,從而證明了廣義相對論是正確的,這才使得愛因斯坦的廣義相對論被逐漸接受。
同時,在廣義相對論當中,就可以非常好地解釋水星近日點進動的問題。
總結
按照目前的學術圈的主流認同,也就是愛因斯坦的廣義相對論,地球繞著太陽運動的原因是時空彎曲造成的,太陽壓彎了周圍的時空,地球沿著時空的測地線在運動。