「Revolution」與「天體圓周運動」撼動了現代天文學

【作者：K²】

在現在的生活裡面旅遊已經成了大家的一種生活的常態，而在旅遊的時候我們往往憑一隻手機就可以走遍天下，為什麼呢？因為手機裡面加載了地圖，所以你可以方便地去查詢你在任何時刻的位置，所以我們自然會問，「在宇宙的時空裡面地球又是處於一個什麼樣的位置呢」？

其實這個問題就古人很早就開始去思考了，「屈原 」在《天問》裡面就提出「日月安屬，列星安陳？」也就是日月星辰，到底是怎麼安放的呢？為了去回答這個問題，首先要從歷史裡面去尋找答案。

哥白尼革命

在介紹哥白尼革命之前，先了解一下一個英文單詞的含義的變遷，這個英文單詞叫做「Revolution」，如果在任何一本英漢詞典裡去查詢這個單詞的話，你會發現它有兩個含義：一個含義是「革命和變革」，另外一個含義是「圓周運動」。

• 為什麼會有這兩個風馬牛不相及的含義集中在同一個單詞裡面呢？

這要從天體的運動來談起，在人類的歷史裡面，在很長的一段時間裡面人們都認為地球是宇宙的中心，因為憑我們直觀的感受日月星辰都在繞著地球在轉動，這是作為「地心說」的一個很直接的一個觀測證據之一。

而另外一個證據是，遙遠的恆星看上去是不動的，假設我們在行駛的汽車裡面去觀察汽車窗外的景物，會看到離你最近的景物在快速地後退，相對遠一些的景物，它們以比較慢的速度在後退，而最遠的地方的那些景物，它們幾乎是不動的，所以所謂的「地心說」其實它就是把這種相對運動作為支持「地心說」的一個證據，它認為如果說我們的地球在宇宙空間裡面是運動的話，我們應該看到我們周圍的恆星都在向後退，但是我們沒有看到，當然我們今天知道其實真正的原因是因為恆星離我們太遙遠了，它的位置太難以測量了，因此這種位置的變化叫做——「視差」。

在古希臘的先賢們有這樣一種觀點，他們認為地球作為宇宙的中心，而其他的日月星辰、太陽和行星它們都是在繞著地球做勻速的圓軌道運動，它們的位置是介於地球和恆星之間的，這就是所謂的「同心球」的宇宙模型。

但是這個模型在解釋實際的行星運動的時候遇到了很大的困難，而這個困難表現在兩方面：一方面是行星的逆行，另一方面是行星的亮度的變化。

• 行星的逆行及行星亮度的變化

指的是在觀察夜空的時候會發現，對一個特定的行星「譬如火星」在每天同一時刻它的位置總是會從西向東緩慢地在移動的，這種運動稱為「行星的順行」。但是在每年的某些時刻，它的運動方向會發生改變，會從東向西變化，這種運動稱為叫做「行星的逆行」，並且人們還發現在順行和逆行之間，行星的亮度也在相應地發生了變化。

行星的逆行及行星亮度的變化，就是同心球的宇宙模型面臨的兩個問題，怎麼樣去解釋這兩個疑難呢？

在古希臘有一個傳統叫做「拯救現象」，既然有一套理論了，如果說觀測與事實相矛盾的話，那麼就要在這個基礎上加以修補，所以當時的人們就提出了用勻速的圓周運動的組合來解釋行星的逆行的現象，其中由「託勒密」所提出的模型最為有代表性，他們認為行星其實是在繞著一個看不見的點在做圓軌道運動，而這個點又在繞著地球做勻速的圓軌道運動，所以把這兩個不同的軌道就分別稱為「本輪」和「均輪」，由於它們的組合運動所以就使得它們在天空中似乎表現出順行和逆行，這兩個不同的運動的形式。

而到了1543年，「哥白尼」重新探討了行星的逆行，並且發表了他的《天體運行論》，在這本著作裡面「哥白尼」就提出了太陽產生宇宙中心這樣一個觀點，那麼地球和其他的行星一樣在繞著太陽做運轉，而我們看到的天體的東升西落其實是由於地球的自轉所導致的。

• 「哥白尼」模型裡面是如何解釋行星的逆行呢？

這就相當於我們在高速公路上駕駛一輛汽車，如果你的速度足夠快的話，那汽車會逐漸地追上鄰近車道的汽車，最後超越鄰近車道的汽車，所以去度量臨近車道汽車離你的距離的話，你會發現它們首先會變短然後再加長，在方向上就表現為先靠近再遠離，而這和行星的逆行和順行在道理上其實是完全一樣的，所以在「哥白尼」的理論裡面，逆行和順行都是由於地球和行星的相對運動所造成的。

通常人們認為哥白尼提出了「日心說」，就徹底粉碎了「地心說」這樣一個觀點，從而在人們建立了太陽是宇宙中心，這樣一個嶄新的觀念，但其實真實的歷史並不是那麼回事，在哥白尼提出日心說的時候他也犯了很多的錯誤，比如說他也相信行星的運動應該是圓軌道運動，這就使得日心說對於行星運動的預言，其實在精準程度上並沒有超越地心說。

甄別「日心說」和「地心說」

所以如果要去甄別「日心說」和「地心說」這兩類模型，到底哪一個是更加符合實際的話，必須要回答這樣幾個問題：

• 第1個：行星是否真的是繞著太陽在運動？
• 第2個：行星如何繞著太陽運動？
• 第3個：行星為什麼要繞著太陽運動？

1609年伽利略利用他研製的天文望遠鏡去觀測星空，發現了更加有力的證據來表明「日心說」才是更可靠更合理的，伽利略有很多新的天文發現包括金星的位相、月球表面的凹凸不平的特徵以及發現了行星的衛星等等，其中最有代表性的就是金星的位相，伽利略手繪了金星的位相的變化，金星表現出類似於新月、上弦月和滿月這樣的形態。

金星其實跟月亮一樣也是不發光的，我們看到金星是因為它反射了太陽光，金星這種位相的變化就可以用來作為檢驗「日心說」和「地心說」這兩類學說的直接的證據，在地心說裡面金星要麼在太陽和地球之間，要麼在太陽軌道之外，但是它的位置離太陽總是不遠，所以在這樣的情況下面金星的位相，要麼表現為「新月」，要麼表現為「殘月」，它不會出現上弦月和滿月這樣的位相，但是如果說金星和地球一樣在繞著太陽轉動的話，那麼這個時候就會依次出現從新月到上弦月到滿月，類似月亮位相變化的這樣一個特徵，所以這就非常直接地證明了日心說才是更好地反映行星運動規律的這樣一種理論。

到了1619年，「克卜勒」通過分析「第谷」觀測的數據，克卜勒提出了行星運動的定律，它可以正確的行星位置的變化，因為他發現行星運動其實是按照橢圓軌道來進行的，而不是圓軌道運動，再接下來到了1687年，牛頓提出了萬有引力定律，它表明在宇宙裡面天體的運動和在我們地面上看到的物體的運動其實遵循的規律是一樣的，比如行星繞著太陽做軌道運動，和在地球上面潮汐的現象都是由於引力造成的，從此以後人們才真正意義上的認識到行星運動它的物理的根源，而正是因為這個原因，「Revolution」這個單詞才從天體的圓周運動演變為革命和變革，因為它極大地改變了人們的宇宙觀，對於後續的科學研究也產生了深遠的影響。

「K²」總結：哥白尼革命給天文學帶來的影響

哥白尼面革命持續了150年，一方面它改變了我們的宇宙觀，另一方面它又觸發了新的宇宙觀，哥白尼革命的影響表現在以下幾方面：

• 1.哥白尼原理

關於宇宙觀的哥白尼原理，哥白尼革命第1次把地球從宇宙的中心給移開來了，後來的科學研究又發現太陽也不是宇宙的中心，再接下來發現我們太陽所處的銀河系其實也只是一個普通的星系，所以人們就逐漸有了這樣一種認識，就是地球在宇宙中並不具有任何的特殊地位和重要性，也正因為如此愛因斯坦高度評價了哥白尼的成就，他認為哥白尼不僅鋪平了通向近代近代天文學的道路，而且引起了人們宇宙觀的決定性變革。

• 2.科學精神

科學精神的精髓就是實事求是，因為我們看到哥白尼的學說和託勒密的學說，從研究本身來講是兩種不同的思路，不同的方法，而為了去甄別這兩種學說，我們最終依靠的是實踐或者說依靠的是觀眾，因此一個科學的理論應該包含了這樣的因素，它應該是建立在實踐或者是觀測數據的基礎上面的，它不應該具有任何先驗的觀念，正如前面提到的，我們不應該具有類似於像行星運動一定遵循勻速圓周運動這樣一個觀點。其次，在建立科學模型的時候應該以邏輯、數學和物理的語言來描述它，具有可以檢驗的預言，而通過觀測和實踐來檢驗這個模型到底是正確的還是錯誤的，那麼這些科學精神成為後來專門做科學研究所遵循的一些最重要的準則。

• 3.奧卡姆剃刀定律

這個理論是由哲學家「奧卡姆」提出來的，這個理論的實際思想就是簡單有效原理，他認為任何一種理論如果沒有必要的話就不要給它增加不必要的假設，也就是「如無必要，勿增實體」，所以我們在比較地心說和日心說的時候就會發現，儘管地心說和日心說在預言行星運動的精確程度上面，其實是不相上下的，但是因為日心說更加的簡潔，假設條件更少，而能夠解釋的觀測現象的更多，所以人們往往認為它更可能是對的，而這樣一種方法也成為後來人們在做科學研究的時候，一種重要的思維的理念。

• 4.本特利佯謬

哥白尼革命並不是人們宇宙觀的終結，因為人們在哥白尼革命的基礎上發現了新的更加重要的問題，牛頓在建立了萬有引力的定律之後，似乎對於宇宙裡面物體的運動都可以完美地進行描述了，只不過後來有一位叫做本特利的哲學家給他提了一個問題，本特利在給牛頓的信中寫道：「如果說宇宙是有限的話，那麼引力會讓所有的恆星最終聚集到一起，所以宇宙最後會變成一個大火球，但是另一方面，如果假設宇宙是無限的，那麼這時候任何一個天體所受到的引力應該是無限大的，所以宇宙的結局是所有的天體將會被撕裂成碎片，無論哪種情形跟實際的宇宙都是不相符的，怎麼去解釋這兩個疑難問題呢？」

牛頓經過了思考之後給出了他的答案，儘管他對他的答案並不滿意，他做了一個假設，如果宇宙是無限大的，並且裡面的物質分布是均勻的，那麼這樣才可以保證任何天體在每個方向上受到的力恰好是可以相互抵消的，所以在這樣的條件下面，宇宙應該處於一個靜態，但是牛頓也意識到這個靜態其實是不穩定的，所以他進一步的假設，認為需要一個連續不斷的奇蹟來阻止恆星在引力下發生聚集，因為在牛頓的這個解釋裡面整個宇宙只要有任何一個恆星稍微偏離了它原來的位置，那麼整個引力就會發生變化，它會起到連鎖效應最終導致宇宙的坍塌。

• 5.奧伯斯佯謬

如果宇宙真的是無限大的、永恆的，那麼它會帶來沒有白天和黑夜的這樣一個後果，這就是著名的奧伯斯佯謬，奧伯斯佯謬反映的現象是如果在宇宙裡面充滿了無數顆恆星，那麼在地球上任何一個方向上看的話，都會接受到來自於無數恆星的所有的星光的累積，它們在大小、方向上應該沒有任何關係，而根據我們的日常經驗知道，白天和黑夜的差別是由於地球的自轉所造成的，並且太陽相對於其他恆星要明亮很多，所以面向太陽的那一面是白天，背離的那一面的感受到的就是黑夜，這就是奧伯斯佯謬，所以它實際上反映了宇宙無限並且永恆的觀點，本身這個假設是違背了我們的觀測事實的。

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