地心說到萬有引力，為探索天體運行的奧秘，為何用了一千五百年？

1957年，前蘇聯發射了人類歷史上第一顆人造地球衛星，拉開了太空時代的大幕，無數顆太空飛行器升空的背後是成熟的科學體系在支撐，然而當我們回望過去，在一段長達數千年之久的歲月裡，人類卻一直認為太陽是繞著地球轉，而地球則是萬物的中心。

人類早期對宇宙的認識手段很單一，就是憑藉肉眼進行觀測，想要在滿天繁星中找到宇宙奧秘，可實現這個目標並不容易，因為肉眼可見星星的數量大約有6000顆（這6000顆星星幾乎都是遙遠的恆星）。

在面對紛繁複雜的星群時，全球不同地區的文明都不約而同的選擇了一種方法——用圖案來區別這些星群。

比方說，在某塊區域內有的一群星星，其中有幾顆非常容易辨認（比如亮度），那麼我們就將這幾顆星連起來，得到一個劃線圖案，然後再根據圖案的形狀賦予一個名稱，名稱的來源可以是動物、神話人物、日常物品等等。

像我們現在所熟知的88星座，大部分都是從古希臘傳統星座演化而來，但也有近代以來命名的星座，比如用物品命名的顯微鏡座等。當然了，我國古代也將天上的星群進行劃分，其中最為核心的就是「三垣二十八宿」。其它地區的文明，也是類似的劃分方式，這裡就不多介紹了。

除此之外，在長期的觀察中，人們發現星座中星星的相對位置幾乎是不變的，也就是星座的圖案是長期穩定的，於是就認為夜空中數不盡的星星都是固定在一個被稱為天球的球體結構上，而我們所處的地球則是天球的中心，天球每時每刻都在以地球為中心而轉動。

相比於固定在天球上的星座，我們的先祖實際上感興趣的是天空中那些運動明顯的「星星」們：水星、金星、火星、木星、土星這五大行星，再加上天上的太陽、月亮。

滿天繁星，為什麼尤其對五大行星、太陽以及月亮感興趣呢？

首先，這些星球有一個共同點，就是它們在天空中的運動比較顯眼

太陽、月亮就不用提了，其中五大行星的運動軌跡似乎不太有章法，在長期的觀察中，人們發現它們運動時而加速，時而減速，甚至有時候還會逆行，並且行星的亮度也在變化。

火星逆行

其次，這一點是關於太陽以及月亮的，相比於五大行星，太陽和月亮在天空中所佔的視覺面積非常大

雖然它們的運動規律相比於五大行星規矩的多，但因為視覺面積大，因為呈現的細節則更為豐富，比如太陽東升西落時顏色的變化，月亮的月相變化，還有月食、日食什麼的。

以上幾點就是古人為何沒有將行星、太陽、月亮與固定在天球的星星歸為一類的原因，因此這些天體的運動以及變化就是古時候天文研究的一大重點。

地心學說的發展

從先前提到的天球模型就知道，最早的宇宙模型應該是以地球為中心，再結合當時的哲學觀點，任意天體都必須以正圓勻速繞地球公轉。然而勻速圓周運動僅僅是人們的希望，因為現實情況卻並不是這樣，人們通過長期的地面觀察，發現行星的運動速度和亮度都是變化著的。

面對這樣的情況，人們的第一反應就是去修正這個模型，而不是從另一個角度去思考這個問題，不過人們最終還是想出了解決辦法，將行星運動分為兩個勻速圓周運動，什麼意思呢？

也就是在原來的公轉基礎上（這個繞地球公轉的軌道稱之為均輪），行星還將按照均輪上的一點做勻速圓周運動，也就是大圓邊上又加進了一個小圓，稱之為本輪，見下圖

這樣的補救措施確實起到了作用，按照修正後的模型，行星在公轉的同時，還會繞均輪上的一點進行運轉（稱之為本輪），因此從地球角度，行星的視覺速度就不再勻速，還會周期性的出現逆行現象，行星亮度變化也能藉此解釋，地球與行星相距較近時，就比較亮，反之就比較暗。

可見觀測實際與理論預測是相符的比較好的，可是隨著觀測次數、時長的增加，一些不相符的現象又逐漸暴露出來，為此這個模型的修正工作一直在斷斷續續的進行著。

最終在公元140年，一位名叫託勒密的希臘天文學家，構建了一套複雜且精細的地心說模型。

這套模型上，以地球為中心，內外嵌套了80多個圓，而這麼多的圓都是為五個行星、一個太陽、一個月亮所服務，雖然看著複雜，卻也比較完美的解釋了當時的觀測現象。

然成也蕭何敗也蕭何，80多個圓本身就註定了這是一個極為複雜的系統，相比於後來的日心說，複雜程度簡直一個天一個地。

地球為中心，水星、太陽、火星

日心學說的發展

有朋友就疑問了，既然後來出現的日心說模型那麼簡單，為什麼沒有人早點想到呢？

這樣的人當然有了，大約在託勒密模型出現一兩個世紀後，一位名為阿利斯塔拉斯的希臘天文學家，就提出了所有星球都繞太陽公轉的觀點，按照這個觀點，很多天文觀測現象都能被很容易的解釋，完全不需要託勒密那一套地心模型。

然而事實證明，即便這樣先進的觀點早就被提出，但託勒密的地心說模型仍舊統治了人們的天文觀點長達一千四百多年，直到16世紀哥白尼提出日心說才逐步衰落，可這又是為什麼呢？

一些了解的朋友可能會知道這中間有宗教因素的影響，但除此之外，還有一個原因就是維護地心說的那幫人對日心觀點提出了不少質問，下面就舉兩個例子：

①如果地球正在繞著太陽公轉，那為什麼我們沒有感覺，甚至連風都沒有感覺到？

這個問題在我們今天看來，可能有些可笑，此外關於宇宙空間是否存在物質這個問題，我們實際上也是最近一百多年才清楚的，畢竟在愛因斯坦的相對論之前，近代的科學家們都認為宇宙中充滿了一種名為以太的物質

所以在一千多年前，沒法令人信服的反駁這個問題也就變得無可厚非了。

②如果地球繞太陽公轉，為什麼沒有觀察到恆星視差？

可能有朋友不大懂什麼是恆星視差，實際上換句話講，就是說你既然認為地球公轉，那麼在一個公轉周期中，地球所在的空間位置是不固定的，比如相隔半年的兩處位置，在兩處位置去觀察同一個星座，為什麼星座裡面星星的相對位置沒有發生變化呢？

也就是從不同觀察角度去看同一事物，為什麼沒有絲毫變化呢？（我們有句古詩，叫做「橫看成嶺側成峰，遠近高低各不同」，一個意思）

當時的人們沒法回答這個問題，實際上這個問題確實有難度，雖然我們現在知道背後的原因是因為那些星星距離地球太遠，即便是最近的比鄰星，其視差值也不過才0.77角秒左右，這單憑肉眼是絕不可能看出來差異的，事實上，我們在19世紀才測出了幾個距離相對比較近的恆星視差。

由此看來，出於宗教壓制和觀點本身的不完善等因素影響下，阿利斯塔拉斯提出的日心觀點沒有廣泛傳播也是意料之中的事情了。

哥白尼的出現

就這樣，託勒密建立的地心說幾乎是被完完整整的傳承了一千四百多年，直到16世紀，一位名為尼古拉·哥白尼的波蘭傳教士的出現。

在經過長期研究之後，哥白尼提出了我們現在所熟知的日心說理論，有以下幾個要點值得講一下：

①明確指出地球不是宇宙的中心

②行星都在圍繞太陽進行公轉，但月亮是在繞地球轉

③地球離星星的距離要遠遠超過地球離太陽的距離，因此夜空星座的移動，完全是因為地球自轉造成的

④行星的逆行以及亮度變化，是因為包括地球在內的所有行星都在繞太陽公轉所致，不同行星的公轉速度及公轉半徑是不一樣的，因此在視覺上就會產生逆行、亮度變化等怪異現象

⑤雖然日心說用太陽取代了地球原先的位置，但哥白尼並沒有放棄圓軌道的想法，甚至還保留了本輪等一些概念，雖然本輪要遠遠比託勒密的小（我們現在看來，這也是必然，因為行星真正的軌道並不是圓）

日心說和地心說比較

哥白尼將他的發現寫進了自己所著作的書——《天體運行論》，不過受限於當時的宗教環境，這本的出版變得異常小心，甚至直到哥白尼臨死前兩天才得到了該書出版的消息。

不過書籍的出版並不意味著日心說被廣泛流傳，實際上這本書所造成的影響很小，除了一些具有先進精神的科學家們，其餘的普通群眾根本不會關心這些東西。

而且值得注意的是，雖然哥白尼提出了日心說，但他並沒有解決先前所提到了那兩個關於地球公轉和恆星視差的問題，由此可見，日心說取代地心說是一個緩慢的過程，如果從16世紀出版算起，到19世紀觀測到恆星視差，這中間經歷了將近三百年的時間。

日心說解釋火星逆行

伽利略的觀測證據

而這三百年的時間裡，出現了以伽利略、克卜勒、牛頓為代表的重大貢獻者，他們分別從觀測和理論本質層面為日心說的發展，提供了強大動力。

先說伽利略，他是第一個用望遠鏡的觀測結果來支持並證明日心說的科學家（值得一提的是，望遠鏡的誕生時間是17世紀，也就是說在此之前的天文學家基本上只能用肉眼去進行觀測），下面就簡單舉兩個觀測例子：

①1610年，伽利略用自製的望遠鏡觀測木星，發現了木星擁有四顆衛星，這些衛星都在繞木星公轉

很顯然，這個結果與託勒密的地心模型嚴重不符，這些應當繞地球公轉的星體，怎麼會成為木星的衛星呢？

②望遠鏡下的金星竟然也像月球一樣，擁有「陰晴圓缺」，也有類似滿月、殘月等現象

關於這一點，咱們先從地心模型開始看起，在這個模型裡，太陽、金星、地球的位置關係：地球為中心，金星軌道在太陽軌道以內

也就是說太陽光在射向地球時，會被金星遮擋，考慮到金星除了公轉之外，還會按照本輪運轉，那麼在運行過程中，金星會有部分表面被地球看到，但遺憾的是，不論怎麼轉，金星都不可能露出完整的一個圓面

但伽利略通過望遠鏡卻實實在在的看到了金星「滿月」，這至少說明了一個事實，那就是金星在繞太陽公轉，無疑，這對日心說是一個強有力的證據。

可惜的是，在當時那個宗教環境，伽利略的一系列言行最終招致了教會的不滿，於是利用宗教法庭將其囚禁到死。

克卜勒的行星運行定律

但令人欣慰的是，當時不止伽利略一個人在「戰鬥」，同時期還有一個人，也在通過大量的觀測數據去支持日心說，他就是克卜勒。

從1600年開始，克卜勒利用他老師第谷幾十年積累下來的精準肉眼觀測數據，打算總結出一套在日心說的大基礎上，適用於所有行星的運行規律。

耗費了將近二十年的時間，最終成功總結出三條行星運動定律，被稱為「克卜勒三定律」，這三條定律如下：

①行星軌道為橢圓，太陽位於橢圓的一個焦點上

②在太陽與任意行星之間連線，連線在相同時間內掃過的面積相同

③行星軌道周期的平方和軌道半長軸的立方成正比

這三條定律是建立在大量精準的觀測數據之上，因此可信度極高，克卜勒利用這三條定律闡述了這樣一個事實：行星繞太陽公轉，但公轉軌道是橢圓而非正圓，並且公轉速度並非勻速，而公轉周期與半長軸存在定量關係

至此，我們可以說託勒密的地心說在理論上已經完全沒有使用的必要了，因為日心說不但比其簡潔，而且經過克卜勒細緻修正後，可以說以一種完美的形式呈現在世人面前。

蘋果樹下的牛頓

然而克卜勒的成果並不是人類對行星運動探索的盡頭，就在克卜勒去世的十二年後，1642年，一位小嬰兒在英國林肯郡出生（那年伽利略恰好離世），他的名字叫做艾薩克·牛頓。

說到這，想必所有朋友對這個名字都不感到陌生，因為這位小嬰兒日後將成為人類歷史上最偉大的科學家，沒錯就是最偉大的科學家，沒有之一。

實際上，這時候讓我們回顧牛頓之前的科學史，不論是託勒密提出的地心說，還是哥白尼的日心說模型，以及日後伽利略、克卜勒等人利用觀測數據完善後的日心說。

我們發現，這段長達一千五百多年的科學探索過程中，並沒有任何一個人觸碰到了行星運行背後的原理，為什麼行星要這樣運行呢？

可以說在牛頓出生的年代，科學家在行星運動規律的探索上，已經進入了一個瓶頸期，就差臨門一腳，而最後踏出這一步的正是艾薩克·牛頓。

1665年，受黑死病的影響，牛頓從劍橋回到了自己的故鄉，在家的那兩年，牛頓憑藉其在數學上的成果——流數術（也就是後來所謂的微積分），和力學上的發現，最後再加上前輩科學家打下的基礎，最終提出了萬有引力定律，當然了，很多故事都說萬有引力定律的導火索是一顆砸到牛頓腦袋上的蘋果。

然而「謙虛」的牛頓並沒有第一時間發表他的成果，而是藏了二十多年，最後還是在好友埃德蒙·哈雷的支持下，於1687年出版了科學巨著——《自然哲學的數學原理》，至此，萬有引力定律才浮出水面。

萬有引力定律告訴我們：宇宙中所有具備質量的物體，都會相互吸引，吸引力的大小與質量成正比，和距離的平方成反比。

隱藏在行星運行背後的原因終於被牛頓找到了，至此，不論在實際觀測上，還是理論解釋上，人類終於掌握了行星運行的奧秘所在。

縱觀地心說到萬有引力定律的發展過程，從地球為中心，到太陽取而代之，從公轉軌道正圓，到橢圓軌道，直到後來集大成者的牛頓提出萬有引力定律，補上了天體運行奧秘最核心的一塊拼圖，這十五個世紀，這一千五百個春秋，見證了人類試圖解釋並預測天體運動的艱辛歷程。

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