天文學概述:從「日心說」到「大爆炸」

2020-12-03 哲學社

#科學史#

天文學史上將日心說稱為「哥白尼革命」,但是哥白尼本人提出這套理論的目的,並不是為了「革命」。而是要「恢復」古希臘完美天體的理念。託勒密的後繼者們,隨著觀測越來越多,計算出80多個本輪來。這種複雜性完全違背了畢達哥拉斯學習和柏拉圖主義「簡單、完美」的宇宙論。哥白尼要尋找一種更簡單的方式來描述複雜的天體運動。

經過18年的研究,哥白尼把80多個本輪,儉省到34個,但這仍不能算是簡潔的、和諧的、完美的天體運動。還沒等哥白尼進一步完善自己的理論,便已經與世長辭了。在奧西安德教士的監督下,以一種解釋天體運動的「數學模型」出版。後來遭到教會的禁止。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。進一步證明了金星是圍繞太陽轉的事實。

後來的發現還有很多,比如月球上面的環形山,比如銀河實際上是由很多遙遠的恆星組成,比如太陽黑子活動。伽利略用望遠鏡觀察到的天文現象,沉重的打擊了亞里斯多德那一套同心圓宇宙模型。用肉眼可見的事實,徹底否定了「地球是宇宙中心」這個觀點之下的所有宇宙論。

克卜勒:日心說的完善

克卜勒的第谷的助手,第谷在政府資助下進行了20多年的天文觀察,掌握了大量的精確數據,建立了一套介乎日心說和地心說之間的調和主義學說。太陽和月亮繞著地球轉,金木水火土圍繞太陽轉。只是可惜他的數學不太好,沒有辦法用詳實的軌道計算來發現這個「地靜日動」宇宙模型的缺陷。

當時發現有一個「恆星周年視差」的現象始終無法得到解釋,在重病期間第谷把這項任務交給了克卜勒。克卜勒深信宇宙是按幾何原理來構造的,他先採用「偏心圓-本輪」模型計算火星運行軌道,發現周年視差與觀察數據查了8分。基於對第谷的了解,他對第谷記錄的數據深信不疑,他繼續計算地球運動同樣有偏差。於是放棄了這兩種宇宙模型,開始採用哥白尼日心說宇宙模型來計算,有很快發現哥白尼所說的勻速運動是不存在的,天體在近日點和遠日點速度是不同的。

經過累年的計算,克卜勒提出三條關於行星運動的定律:1、行星軌道是橢圓的,太陽位於橢圓焦點。2、太陽與行星之間距離相同時間內掃過的面積相等。3、行星公轉周期的平方與軌道半徑的平方成正比。克卜勒不僅糾正了哥白尼「完美軌道」和「勻速運行」的錯誤,還為牛頓萬有引力定律的提出奠定了基礎。

牛頓:日心說的勝利

牛頓在科學史上是可以「封神」的人物,他的貢獻實在太多,這裡我們只討論關於宇宙論的那一部分——萬有引力。日心說日趨完善後,很多人百思不得其解,太陽是在宇宙中心,在我們頭頂上,而東西是往下掉?笛卡爾的漩渦理論曾風靡一時,後被可以進行數學計算的萬有引力定律所取代。

伽利略系統研究了自由落體運動、慣性、加速度等問題,既然改變一個物體的勻速直線運動需要藉助外力才能實現,那麼行星為什麼不沿著軌道進行「完美勻速」運行呢?是什麼力改變了行星軌道和運行速度?為什麼地球總是繞著太陽轉,而不會直線運動到外太空去?牛頓一開始認為月球和其他行星軌道跟伽利略的拋射定律相似。

蘋果落地的事件,給牛頓的啟發是,之所以石塊不能拋出地球的界限,很有可能跟蘋果落地受到的是同一種力。根據這種假設,利用伽利略加速度公式和克卜勒第三定律,牛頓得出物體下落速度的變化速率與該物體距離地心的平方成反比。運用這個發現計算月球加速度時候,相差太多,導致牛頓大失所望把這個問題擱置了十五年。後來推測可能的地球半徑數據不準確導致的。

在微積分創立之後,地球半徑也計算得比較精確了,牛頓這次的推算很順利。用了十八個月的時間,寫出《自然哲學的數學原理》。其中闡述了牛頓三大定律:1、如無外力,運動狀態保持不變。2、物體加速度和外力成正比,加速度方向和外力方向相同。3、作用力等於反作用力。這第三條就是發射火箭的基本原理。牛頓定律的出現,標誌著日心說的完全勝利。直到後來的「大爆炸」理論出現。

大爆炸理論的出現

「大爆炸」理論,經歷了三個步驟。1、哈勃,1922年發現「紅移現象」。1929年宇宙膨脹說。2、勒梅特,1932年原始原子爆炸假說。3、伽莫夫,1940年「熱大爆炸」假說,預言宇宙微波背景輻射,1964年證實。由於篇幅所限,要分開多篇來討論這個理論的形成和論證的過程。

大歷史觀:從宇宙大爆炸到當下

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    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。
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    到了中世紀後期隨著觀察儀器的不斷改進,人們能夠更加精確地測量出行星的位置和運動,觀測到行星實際位置與這個模型的計算結果存在偏差,這個模型的弊端逐漸顯現出來然而,由於人們對地心說的盲目信奉,他們非但沒有認識到這種狀況是由地心說本身的錯誤造成的,卻試圖通過增加本輪的方式對地心說進行補救。這種方式一開始還能勉強應付,後來小本輪增加到八十多個,卻仍然不能精確地計算出行星的準確位置。
  • 哥白尼推翻了地心說,建立日心說,是現代天文學的起點
    1496年,23歲的哥白尼來到文藝復興的策源地義大利,在博洛尼亞大學和帕多瓦大學(Bologna University, University of Padua)攻讀法律、醫學和神學,博洛尼亞大學的天文學家德·諾瓦拉(de Novara,1454 -1540)對哥白尼影響極大,在他那裡哥白尼學到了天文觀測技術以及希臘的天文學理論。他40歲時提出了「日心說」。
  • 新地心說VS日心說
    或許我們需要大概了解一下地心說與日心說的主體…… 地心說地心說,又名天動說,公元2世紀時它被體系化了,是地動說對應的學說。該學說是一種認為地球位於宇宙中心的地球中心說,人類則住在半球型的世界中心。從13世紀到17世紀左右,地心說也一直是天主教教會公認的世界觀。
  • 從地心說,到日心說,人類的內心戲都經歷了什麼?
    哥白尼的「日心說」觀點符合現在現代天文學對太陽系的觀測結果。太陽在中心,其他行星包括地球都在圓形軌道上圍繞太陽公轉(圖4)。這一學說提出後並未被大多數天文學家採納。一方面是因為宗教的原因,而且也沒有很明顯的直接證據顯示地球是繞太陽公轉的;另一方面則是因為哥白尼的圓軌道說也不能精確描述行星的運動。
  • 從地心說到日心說,科學的進步離不開對真理的質疑
    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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  • 創新人物|哥白尼的日心說
    在哥白尼的「日心說」發表之前,「地心說」在中世紀的歐洲一直居於統治地位。
  • 宇宙是否真的起源於一場大爆炸?
    兩千多年前正是中國的先秦時期,有個山東人尸子(雜家的代表人物)是這樣描述宇宙(Universe)的:「四方上下曰「宇」,古往今來曰「宙」,就是說「宇」是指空間,「宙」是指時間,宇宙也就是空間、時間及所有物質的統一體。當時在中國有「天圓地方」之說,人們都認為宇宙是圓的(像個半圓的大鍋蓋),整個大地總體是平坦的,走到盡頭可能會掉進宇宙深淵。
  • 地心說還是日心說?
    原標題:地心說還是日心說?   哥白尼的學說創立之前,在天文學上牢固佔據統治地位的是託勒密的地心說。按照這一學說地球在宇宙的中央,其他日月星辰圍繞著地球旋轉。地心說與宗教神學相結合,形成一個以地心說為中心的宇宙體系。地心說雖然與人們多數的直觀經驗相符合,但在解釋行星運動時遇到了巨大的困難,特別是後來運用本輪、均輪的迭加來解釋行星運動使地心體系變得異常煩瑣複雜,這時就需要一個新的理論取而代之。
  • 宇宙起源於一場大爆炸,可信度有多高?
    當時在中國有「天圓地方」之說,人們都認為宇宙是圓的(像個半圓的大鍋蓋),整個大地總體是平坦的,走到盡頭可能會掉進宇宙深淵。直到2000年後的1543年,波蘭天文學家哥白尼在臨終時發表了《天體運行論》,才完整地提出了「日心學說」(Heliocentric Theory)的理論。這個理論認為,太陽是整個宇宙的中心,一切行星都圍繞太陽旋轉。地球也是一顆行星,自轉的同時又和其他行星一樣圍繞太陽轉動。
  • 迄今最重要的天文學發現
    這是天文學的基本概念。實際上,「日心說」實在是太具有革命性質,以至於哥白尼對發表它感到害怕。但是,當這個說法被接受後,它消去了許多古老天文研究中出現的問題,被視作第一個有關我們在宇宙中的位置的主要認識。我們意識到太陽是一顆恆星,不是一個神,而且我們並非是宇宙的中心。
  • 地心說被推翻、日心說被確立,對當時的歐洲產生了怎樣的影響?
    公元1513年,波蘭天文學家尼古拉·哥白尼提出了日心說,認為地球是圍繞著太陽而運轉的。但在此之前,教會一直認為地球為宇宙的中心,太陽則是以地球為中心運轉。雖然該事件為天文學內部的學術之爭,但哥白尼的日心說一經提出就被教會認定為是異教徒,而他的日心說也無疑是向教會的權威發起了挑戰。
  • 科普故事 | 哥白尼和日心說
    直到500多年前,波蘭的天文學家哥白尼才提出了自己的猜測,打破了人們一直以來的錯誤認識,提出了日心說的觀點:他認為地球不是靜止不動的,而是在圍繞太陽轉動。 哥白尼是個學識非常淵博的人,從小就非常喜歡天文學的他,閱讀了大量的資料,通過自己長期的 觀察,科學的測量和很多很多次的數學計算,提出了日心說的觀點。
  • 地心說還是日心說?宇宙無邊無際,它的中心在哪裡?
    從中國古代時的中央之國再到世界範圍內的地心說,每一個地球人仿佛都想把自己所在的位置當成整個世界乃至宇宙的中心。於是提出日心說的學者被燒死,人們沉迷在自己是宇宙中心的謬論中,知道有了第一顆朝宇宙中看去的眼睛。人們才發現宇宙的浩渺,但是有一個問題一直困擾著我們。