舉步維艱！從亞里斯多德到牛頓，宇宙理論的演變史

《宇宙起源》以不同的語言、文化和宗教流傳了幾個世紀。當早期人類開始觀察天空中的星星時，他們就開始思考星星在宇宙中的位置。這一發現最終產生了無數的宇宙模型，比如古希臘的宇宙、文藝復興時期的宇宙、牛頓的宇宙等等。儘管它們是不同的，但每一個假設都是人類心理的基本要素（好奇心）的結果。

天文學在西方世界的開端是亞里斯多德和託勒密的地心說。地心說是邏輯、觀察和數學推理的結果。該模型由數學家、天文學家克勞迪亞斯·託勒密設計，將地球置於宇宙的中心。這個模型有兩個主要的觀察結果：

首先，太陽繞地球公轉，這種現象在地球上每天都可以看到。這一假設得到了進一步的支持，即月球和行星除了繞各自的軸自轉外，還繞著地球旋轉。

第二，在地面觀察者的參照系中，地球似乎是靜止的。與流行的觀點相反，中世紀的哲學家、古希臘人和古羅馬人將地心說與球形地球結合起來，這與古老的扁平地球理論形成了鮮明的對比。然而，地心說並非沒有缺陷。早期的天文學家觀察到，行星似乎並沒有以精確的圓形軌道圍繞地球運行。一些恆星改變了它們在行星周圍的運動，這些恆星被稱為「逆行運動」。基督教會的神學家和哲學家聖託馬斯·阿奎那堅持認為，信仰和理性應該相互兼容、相輔相成。在13世紀，阿奎那將亞里斯多德和託勒密的思想與上帝的思想融合在一起。他們以地球為中心的宇宙很符合聖經的字面解釋，把人類放在上帝創造的中心。

直到16世紀初，日心說才出現。

哥白尼，現代天文學之父，是第一個提出日心說的人。他的理論是以古希臘的宇宙模型為基礎的。1543年，哥白尼發表了日心說的天文模型。他的模型把太陽放在宇宙的中心，地球和其他行星圍繞著它旋轉。

哥白尼日心說推測宇宙的中心位於太陽附近。它預言天體以勻速運動，根據這個模型，地球被推測為每天自轉一次和每年繞太陽公轉一周。此外，這顆行星還被認為每年都會經歷一次軸心的傾斜。

哥白尼意識到他的提議會像衝擊波一樣席捲大眾，他寫道：

有些人，當他們發現我寫的這本關於宇宙領域的革命的書時，就會向我大聲吼叫，讓我閉嘴。

哥白尼擔心他的發現似乎與教會及其教義相悖。約書亞書中的一段描述了太陽繞著地球轉。哥白尼不願參與任何爭論。他直到在去世的那一年才發表了他的作品，儘管他的理論早在幾十年前就已經誕生了。

今天，人們普遍認為哥白尼模型為現代天文學奠定了基礎。它不僅準確地預測了行星到太陽的相對距離，而且還為行星的明顯逆行運動提供了一個合理的解釋。他還解釋說，不同的季節是地球傾斜旋轉軸的結果。

第谷·德·布拉赫是一位著名的天文學家、佔星家和鍊金術士，他提出了一種新的宇宙模型，稱為地球日心行星模型。

在他的模型中，所有的行星都繞著太陽轉，太陽和月亮也繞著地球轉。在他的一生中，布拉赫對精確的經驗性事實和天文觀測表現出極大的熱情。第谷和他的助手約翰內斯·克卜勒密切合作。

克卜勒認為第谷的模型是錯誤的，並相信哥白尼的模型是準確的。

克卜勒對火星軌道進行了深入的研究，利用幾何學和物理學來預測行星軌道的形狀。他利用布拉赫的觀測數據來證明火星的軌道是沿橢圓軌道運行的。這反過來又消除了對本輪的需要，克卜勒能夠用數學方法描述橢圓軌道。克卜勒修正了哥白尼日心說模型，用橢圓軌道代替圓形軌道。克卜勒的太陽系模型是由三個定律決定的，即克卜勒的行星運動定律。

• 軌道定律：克卜勒第一定律指出，所有行星都繞著太陽運行，其軌道是橢圓狀的，而太陽位於其中一個焦點上。
• 面積定律：克卜勒第二定律指出，太陽系中太陽和運動中的行星的連線（矢徑）在相等的時間內掃過相等的面積。
• 周期定律：克卜勒第三定律指出，行星公轉時間的平方與行星所繪出的橢圓半長軸的立方成正比。

克卜勒的前兩個定律被廣泛接受。這可能是由於克卜勒在1631年對水星凌日的預測。他提出所有的行星都沿橢圓軌道運行，雖然這是水星和火星橢圓軌道的合理近似，但現在我們知道它們的軌道並不是真正的橢圓。儘管克卜勒定律能很好地估計行星的運動，但它們並不精確。

另一位對現代天文學發展做出貢獻的偉人是伽利略，一位來自比薩的博學之士。

當他了解到新發明的「望遠鏡」後，他設計了自己的改良版。通過使用這種早期版本的望遠鏡，伽利略有了許多天文學上的發現。他對月球進行了觀察。在他被發現之前，人們認為月球是一個光滑的球體，然而，伽利略發現月球有山脈、凹坑和其他特徵，與地球相似。他發現了木星的四顆衛星和太陽表面的黑點。他觀察了金星的相位，並得出結論：金星繞著太陽轉，而不是地球轉，這在當時是一種普遍的看法。

伽利略對月球、木星的衛星、金星和太陽黑子的開創性觀察，為位於宇宙中心的是太陽而不是地球的觀點進行了辯護。

在這一時期，教會是一個強大的保守機構，有著堅定的原則和教義，它的影響遍及整個歐洲。它接受了聖經對宇宙的解釋，認為地球是宇宙的中心。任何質疑這一觀點的人都將受到酷刑和處決。在伽利略與教會發生衝突之前，公眾被分成了兩個派別——亞里斯多德的宇宙模型和哥白尼的宇宙模型。

雖然宗教權威反對日心說僅僅基於聖經的參考，但科學界認為，如果日心說的理論是正確的，每年就會出現恆星視差。1616年，教會譴責哥白尼模型是對信仰的威脅。後來，伽利略被召到羅馬，並被警告不要支在傳播他的理論。然而，1632年伽利略發表了支持哥白尼理論而非託勒密理論的著作。

伽利略因為支持日心說而被教會迫害了近20年。最終，他的書被禁了，他自己也被判了刑。1642年，他死於獄中。

1643年，艾薩克·牛頓爵士出生於英國伍爾索普的一個農民家庭。在整個過程中，牛頓的教育經歷了幾次突破。他在格蘭瑟姆的國王學院學習期間，由於學院試圖把他變成農民而導致他的學習中斷，而他在劍橋大學的學習也因那場大瘟疫而中斷。正是在離開大學的這段時間裡，牛頓開始發展他關於光、微積分和天體力學的理論。他還擴展了伽利略的工作，並設計了一種新的宇宙模型，即「發條宇宙」。

17世紀力學成為了終極解釋學，人們相信每一個現象都可以用牛頓力學解釋。因此，牛頓模型被提出來支持自然神論的觀點，即上帝創造了世界，使其成為一個完美的機器。這個模型採用了科學家開發的物理概念，並以牛頓自然定律的知識武裝起來。

儘管如此，這個模型還是有缺陷的。

牛頓無法解釋為什麼萬有引力理論不能應用於宇宙學，為什麼萬有引力沒有使宇宙在它的力場下坍塌。同樣地，牛頓也無法對奧博悖論做出解釋。奧博悖論質疑的是，在無限大的空間裡分布著無數顆恆星的宇宙，為什麼宇宙仍然是黑暗的。

牛頓推動了科學界的革命。他定義了加速度並得出結論。他還提出了慣性的概念，並指出，一個靜止的或勻速運動的物體，除非受到外力的作用，否則將繼續以這種狀態存在，並將動量定義為質量和速度的乘積。此外，他還得出系統的總動量總是守恆的結論。

然而，他對古典物理學的最大貢獻來自於1687年發表的萬有引力定律。

在他的《原理》一書中，他起草了三個基本的運動定律，幫助他得出了他的引力理論。牛頓萬有引力定律指出，兩個物體相互吸引所產生的引力與它們的質量成正比，與它們之間距離的平方成反比。這些定律解釋了橢圓的行星軌道，行星如何在太陽引力的作用下保持在軌道上，月球如何繞著地球旋轉，彗星如何繞著太陽的橢圓軌道旋轉。利用這個定律，牛頓也能夠計算出每顆行星的質量。他還確定了地球兩極是平的，赤道是凸起的。除此之外，牛頓還發現了太陽和月亮的引力是如何在地球表面產生潮汐的。

在文藝復興時期，天文學改變了政權。這個領域出現了許多偉大的人物，最著名的是伽利略、克卜勒和牛頓。

天文學是最古老的自然科學之一，可以追溯到古代。在它被稱為天體物理學和量子力學的結合之前，對恆星的研究與宇宙學、曆法以及佔星術交織在一起。

同時，天文學的種子開始在世界各地發芽。當巴比倫人記錄了在太陽年裡日光長度的變化，印第安人提出了一個計算系統來精確地計算行星的周期、日食和月食的時間。即便如此，日心說還是花了幾個世紀才被接受。

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