发生于16和17世纪的科学革命,是一个前所未有的学习和发现的时代。在此期间,由于物理、数学、化学、生物学、天文学等领域的新突破,奠定了现代科学的基础。提到天文学,最有影响力的学者肯定是哥白尼,他创立了宇宙的日心说模型。
根据对行星运动的持续观测,以及此前来自古典时代和伊斯兰世界的理论,哥白尼提出了宇宙的日心说模型,地球、行星和恒星都围绕太阳运转。这样,他解决了古典地心说模型所产生的数学问题和矛盾,奠定了现代天文学的基础。
虽然哥白尼不是首位提出,在太阳系中地球和行星围绕太阳运转的人,但是他们的宇宙日心说模型却是新鲜而及时的。举例来说,它提出的时间点,正是欧洲天文学家们绞尽脑汁解决普遍接受的托勒密宇宙模型中所出现的数学和观测问题之时,地心说模型在公元2世界被体系化了。
此外,托勒密模型是首个对宇宙如何运转提出完整详细解释的天文系统。哥白尼的模型不仅仅解决了托勒密体系所出现的问题,而且在没有解释地心说模型所需的复杂数学工具的前提下,提出了宇宙的简化视图。随着时间的推移,该模型赢得了广泛的支持者,促使它成为公认的天文学公约。
托勒密(地心说)模型
地心模型,即地球是宇宙的中心,太阳和所有行星都围绕地球运转,这是自古以来就被广泛接受的宇宙模型。在古典时代晚期,这个模型被古希腊和古罗马天文学家体系化了,如亚里士多德(公元前384-322年),他的物理学理论成为行星运动的基础,托勒密(公元前100前后-170年左右),提出了数学解决方案。
地心说模型基本上可以归结为两个常见的观察。首先,对古代天文学家来说,星星,太阳和行星日复一日围绕地球运转。第二,从地球上观察者的角度看,地球没有移动,使得它成为太空中一个固定点。
地球是圆的,这一学说在公元前3世纪成为公认的事实,这个观点被纳入了地心说。因此,在亚里士多德年代,宇宙地心说模型是指,地球、太阳和所有星星是球体,而且太阳、行星和恒星都做完美的圆周运动。
直到古埃及-希腊天文学家克劳迪 托勒密,在公元前2世纪发表了他的天文学著作《天文学大成》,这个学说才得到完善。借鉴数百年的天文学传统,从巴比伦到近代,托勒密认为地球是宇宙的中心,所有星星都与宇宙中心保持适当的距离。
在这个系统中每个行星都循着两个圆形系统运动——本轮和均轮。地球并不在均轮的中心,而是偏离一定的距离,以此来解释季节的长度变化。本轮也被认为是周转圆,它的中心循着均轮的大圆绕地球运行。本轮的作用是解释行星为什么会逆行,从地球上观察,行星在天空中运行的路径会周期性的改变运动的方向,看起来似乎速度减慢,向后移动,然后再次向前移动。
遗憾的是,这些解释没有考虑到所有被观测行星的自身特点。最为明显的是,行星逆行圈的大小(尤其是火星)有时候比预期的大,有时候小。为了解决这个问题,托勒密提出了等分——行星轨道中心附近的点。对站在这个点上的观察者来说,行星的本轮总是在匀速运动,在其他位置的时候移动速度不均匀。
在1000多年的时间里,这个系统在罗马、中世纪的欧洲和伊斯兰世界始终都是公认的宇宙模型,以现代的标准来看,这是非常不实用的。在托勒密模型中,每一个行星都需要一个本轮围绕均轮运转,还引入一个点叫“等分点”,位于均轮中心的另一侧对于每一个行星都设计一个“本轮-均轮”体系。
然而,这个模型确实比较准确地预测了行星运动,并在接下来的1500年里,被用来发展占星术和天象图。到16世纪,这个模型逐渐被哥白尼、伽利略和开普勒所支持的日心说模型所取代。
哥白尼(日心说)模型
在16世纪,哥白尼开始设计他的日心说模型。哥白尼的工作是建立在古希腊天文学家的阿里斯塔克(西方公元前300多年,阿里斯塔克和赫拉克里特就已经提到过太阳是宇宙的中心,地球围绕太阳运动)基础上,并参考了马拉盖学派和多位伊斯兰世界的著名哲学家的理论。16世纪初,哥白尼在题为《短论》的论文中归纳总结了他的天体运动学说的基本思想。
1514年,哥白尼的手稿开始在朋友中流传开来,他们中的许多人是天文学家和学者。这本四十页的手稿记录了日心说假设的思想,日心说假设共包含7项基本原理。具体包括:
不存在一个所有天体的共同中心;
地球是月球轨道中心;
所有天体都绕太阳运转,宇宙的中心在太阳附近;
地球到太阳的距离同地球和太阳到星星的距离之比是微不足道的,因为距离遥远,我们观看星星的视线几乎是平行的,这时视差接近于零;
人们看到的行星向前和向后运动,是由于地球运动引起的;
地球围绕太阳做圆周运动,是环绕太阳的周年运动。地球不止有一种运动方式(地球除了旋转外,还有某些运动);
地球围绕太阳的轨道运动使行星的运动方向上看起来是相反的。
此后,他继续为更加细致的工作进行数据收集,到1532年,他已经接近完成了他的巨著–天体运行论(关于天体运动的革命)。在这本书中,他提出了他的七个主要论点,以更详细的表述和计算来支持他的论点。
由于害怕教会的惩罚(以及可能,担心他的理论存在一些科学缺陷),哥白尼没有公开他的研究,直到去世前一年。到1542年,在他死亡之前,这本著作才在纽伦堡出版。
日心说模型的影响:
尽管担心他的观点招来争议,哥白尼理论的出版仅仅导致了来自宗教权威的轻微谴责。随着时间的推移,许多宗教学者反对他的模型。但在几代人的时间里,哥白尼的理论传播的更加广泛,而且为大众所接受,同时也获得了许多有影响力的支持者。
这些支持者包括伽利略(1564年-1642年),他利用望远镜观测太空,解决了日心模型的缺陷,同时也发现了支持日心说的证据。例如,伽利略发现木星的卫星,太阳黑子,以及月球表面凸凹不平,所有这些发现颠覆了行星是完美球体的概念,行星与地球并不类似。伽利略对哥白尼理论的支持导致了他被软禁。
德国数学家和天文学家开普勒(1517年-1630年)引入椭圆轨道概念,帮助改进日心说模型。在此之前,日心模型还使用了圆形的轨道,它没有解释为什么行星在不同的时间以不同的速度绕太阳运转。通过展示地球在其轨道上的某一点上加速,其它点减速,开普勒解决了这个问题。
此外,哥白尼认为地球在转动的理论,将继续激发整个物理学领域的重新思考。之前的观点认为外部的力量激发和维持这种运动(例如风能够扬起帆),哥白尼的理论有助于启发重力和惯性的概念。这些观点由牛顿表达出来,他的理论形成了现代物理学和天文学的基础。
虽然进展缓慢,日心说模型最终取代了地心说。从此,人类对宇宙以及我们在宇宙中所处位置的理解将永远的改变。
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