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托勒密地心说真的是被哥白尼一击击溃的吗?

2020/7/16 20:13:53 来源:原创 浏览:

十六、十七世纪,科学的迅速发展引领了前所未有的自然发现和认知过程。当时物理学、数学、化学、生物学以及天文学的突破为现代科学才打下了良好的基础。在天文学领域,被认为最具影响力的学者就是创造了日心说的哥白尼。

基于对行星运动的持续观测和古罗马、古希腊以及伊斯兰的经典世界理论,哥白尼推测地球和其它行星、恒星都围绕着太阳运转。通过这种假设,哥白尼成功解决了经典地心模型所导致的数学问题和矛盾,为现代天文学奠定了基础。

实际上哥白尼并不是第一个提出地球和其它行星都围绕着太阳运转的人,但是哥白尼非常及时地提出了一个新颖的日心模型。第一个原因是当时欧洲的天文学家正在努力解决公元前二世纪托勒密地心模型所产生的数学和观测问题。第二个原因是哥白尼的模型是第一个完整且详细地描述宇宙运行的天文系统模型。哥白尼地模型不仅仅解决了地心模型的各种问题,还提供了一种不需要复杂数学就能描述宇宙运转的简化宇宙观。随着时间的推移,这个模型得到了有影响力的人的支持,日心说逐渐被天文学家认可。

葡萄牙宇宙学家和制图师 Bartolomeu Velho 在 1568 年对托勒密地心说的阐释。来源Bibliothèque Nationale, Paris

托勒密(地心说)模型

地心说模型自从远古时代就被广泛接受,它认为地球是宇宙的中心,所有恒星和行星围绕着地球运转。到了古希腊和古罗马时代晚期,亚里士多德和托勒密将地心说正规化,用数学来描述地心说。

地心说本质上可以归功于两种常见的观测结果。第一,古代天文学家发现太阳、其它恒星、行星似乎每天都围绕着地球运转。第二,从位于地球上的观测者来说,地球似乎并没有运动,好像是空间中的固定点。

大约在公元前三世纪,人们开始逐渐接受地球是球形的。亚里士多德时代,地心说也吸纳了这种认知,认为地球、恒星、行星都是球体,并且以完美的圆形轨道运动。

但是直到公元前二世纪,埃及-希腊天文学家托勒密发表了他的论文《Almagest》,才将地心说的细节变得更加标准和严谨。考虑到从古巴比伦到当时的天文学认知,托勒密认为地球处于宇宙的中心,并且恒星都离宇宙中心不太远也不太近。

2009年底和2010年初,火星“逆行”—— 一种似乎在天空中向后移动的现象。来源:NASA

为了解释地心模型中的逆行现象,地心说认为每一个行星都在同时进行着两个圆周运动:第一个被称作“均轮”,第二个被称作“本轮”,并且本轮的圆心在均轮上。均轮的圆心并不在地球上,被引入用来解释季节的不同长度。“本轮”的目的是用来解释行星的逆行现象,当行星沿本轮运动方向与均轮运动方向相反时,天空中的行星似乎变慢了,发生逆行,然后又再次向前移动。

不过,本轮和均轮并不能解释所有观测到的行星运动。最明显的是,行星逆行(特别是火星)的环有时候比预测的大,有时候小。为了缓解这个问题,托勒密发展了一种位于行星轨道中心附近的几何工具——equant,这样行星就以均匀的角速度运动。

对于站在行星轨道中心附近的观察者来说,行星的本轮似乎总是匀速运动,但是对于其它位置的观察者来说,行星就不是以均匀的角速度运动。虽然这套体系在罗马、中世纪欧洲和伊斯兰世界中被广泛接受了大约一千多年,但是从现代标准来看,它实在是太冗杂了。

不过托勒密发展的地心说确实以很高的精度预测了行星的运动,还被用来编制未来1500年的星图和天文图。直到16世纪,托勒密地心说才逐渐被哥白尼、伽利略和开普勒推崇的日心说取代。

George Trebizond 的 《Almagest》拉丁文译本。来源:Public Domain

哥白尼(日心说)模型

16世纪,哥白尼开始设计日心模型。和许多前辈一样,哥白尼的工作建立在希腊天文学家Atistarchus的工作基础上,并且对马拉加学派和几个来自伊斯兰世界的著名哲学家表达了敬意。16世纪初,哥白尼在一篇名为Commentariolus (“Little Commentary”)的文章中总结了他的观点。

1514年,哥白尼开始在他的天文学家和学者同事间传播他的文章副本。这份长达四十页的手稿描述了他基于七个基本原则发展出的日心说的想法。这七个原则为:

  • 天体并非都围绕一个点运转
  • 地球的中心只是地月系统的中心
  • 所有球体行的天体都围绕着太阳运转,并且太阳在宇宙中心附近
  • 地球和太阳之间的距离远小于恒星到太阳和到地球距离,所以没有观测到恒星的视差
  • 恒星是不可移动的——它们每天的运动只是由于地球每天的自转引起的
  • 地球在围绕着太阳的球体中运动,导致了太阳每年明显的迁移,并且地球有不止一个运动
  • 地球绕太阳的轨道运动使行星的运动方向看起来相反

此后,他继续收集资料,进行了更详细的工作。1532年,哥白尼差不多完成了他巨著De revolutionibus orbium coelestium (On the Revolutions of the Heavenly Spheres)。 文章中,他以更详细的形式和仔细地计算来支持他的七个主要的论点。

地心模型和日心模型的比较。来源:history.ucsb.edu

如果水星和金星的轨道位于地球和太阳之间,哥白尼就可以解释它们外观的变化。简单地说,当它们和地球处于太阳的两边时,水星和金星更小,但是更加饱满(更加圆、亮)。如果它们和地球处于太阳的同一侧时,水星和金星显得更大,但是会呈现“角状”(新月形)。

日心说还解释了像火星和木星这样的行星的逆行运动,这表明位于地球上并不是一个固定不同的参考系,而是移动的。这也解释了为什么火星和木星在某些时候会比其它时候显得更大。从本质上讲,它们在大冲的位置上时比在合的位置上时更靠近地球。

然而,哥白尼担心发表他的理论会招致教会的追责(也有可能担心他的理论存在一些科学缺陷),哥白尼到去世的前一年,也就是1542年,才将论文送纽伦堡出版。

历史渊源

上文说过,哥白尼并不是第一个认为日心是宇宙中心的人,哥白尼也是基于前几位天文学家的工作提出的日心说。关于日心说雏形的第一个有记载的例子可以追溯到经典古希腊古罗马时期,当时Samos的Aristarchus(约公元前310-230年)出版了包含他同时代人(如阿基米德)引用的参考文献的著作。

Aristarchus在公元前3世纪计算了太阳、地球和月球的相对大小。图片来源:Wikipedia Commons

阿基米德在其著作《The Sand Reckoner》中描述了Aristarchus的另一项工作,他在其中提出了日心模型的另一种假设。正如他所解释的:

现在你知道“宇宙”是大多数天文学家给天球起的名字,天球中心是地球的中心,半径为太阳中心和地球中心之间的距离。这是目前公认的说法…正如你从天文学家那里听到的。但是,Samos的Aristarchus提出了一些假设,这些前提导致的结果是,宇宙比现在所谓的大很多倍。他假设,固定恒星和太阳不可移动,地球绕着太阳进行圆周运动,太阳位于轨道的中间,固定恒星的天球的中心与太阳位于同一中心,这个模型要求一个非常大的天球,以至于他假设地球运转的圆的尺寸和固定恒星的天球的尺寸和它们到宇宙中心的距离成比例,就像球体的表面积与表面到中心距离成比例一样。

这个假设产生了一个概念,即当地球围绕太阳运动的时候,应该存在一个与“固定恒星”有关的可观测视差(例如观察到恒星的相对运动)。根据阿基米德说的,Aristarchus认为固定恒星的距离实际上比人们通常认为的远得多,因此没有发现明显视差。

另一位是思考过日心模型的是一个古代希腊哲学家,Seleucia的 Seleucis (约公元前190-150年)。Seleucis是居住在Seleucid 帝国近东的希腊天文学家,他是Aristarchus日心说的支持者,据说他已经证明了日心说。

根据当时的资料,Seleucus 可能是通过确定地心模型的常数,然后将它们运用到日心理论中,计算行星位置(可能是利用三角法来做到这一点的)。Seleucus 也可能是通过潮汐现象推出的理论,他推测潮汐和月球有关,换言之地球绕着地月系统的“质心”在运动。

公元前5世纪,来自Carthage的罗马哲学家Martianus Capella(Martianus Capella)认为金星和水星绕着太阳运转,来解释它们外表上的差异。Capella的模型在中世纪早期被许多9世纪的匿名评论员讨论过,哥白尼也提到过 Capella 的模型对自己的工作有影响,

中世纪晚期,Nicole Oresme主教(约1320—1325年至1382年)讨论了地球绕其轴心旋转的可能性。1440年,Cusa 红衣主教 Nicholas(约1401年至1464年) 写了一篇名为《De Docta Ignorantia 》(On Learned Ignorance) 的论文,表明是否有任何理由断定太阳(或者其他点)是宇宙的中心。

印度天文学家和宇宙学家也暗示了在古希腊、古罗马晚期和中世纪提出的日心系宇宙的可能性。公元499年,印度天文学家 Aaryabhata 发表了他的著作Aryabhatiya,文中他提出了一个模型,地球绕着轴旋转,各个行星的运动周期是相对于太阳给出的。此外,他还精确计算了行星的周期、日月食的时间以及月球的运动。

Ibn al-Shatir的水星显现模型,引入多个本轮,使用图西对方法,可以解决托勒密模型的偏心问题,并且托勒密引入的equant 方法也不再需要。来源:Wikipedia Commons

15世纪,Nilakantha Somayaji 发表了 《Aryabhatiyabhasya》,来对Aaryabhata的《Aryabhatiya》进行评论。Nilakantha Somayaji 提出了一个部分日心行星的模型:行星围绕着太阳运行,太阳又围绕着地球运行。在 《Tantrasangraha (1500)》 中,他进一步修改了行星系统的数学模型,认为地球是绕着自己的轴在转动。

此外,日心模型在中世纪的伊斯兰世界中也有着支持者,许多人都曾激励过哥白尼。在10世纪之前,托勒密的模型是西亚和中亚天文学家公认的标准。但是,随着时间的推移,质疑地心说基本准则的手稿开始出现。

例如,10世纪的伊朗天文学家 Abu Sa’id al-Sijzi 利用地球围绕着自身旋转轴转动的假设,解释了地球的昼夜交替和恒星相对于地球的转动。11世纪初期,埃及-阿拉伯天文学家Alhazen 写了一篇题为《Doubts on Ptolemy 》(约 1028 年)来批评托勒密的模型。

乌兹别克斯坦 Ulug' Beg 天文台的入口。来源 Wikipedia Commons/Sigismund von Dobschütz

差不多在相同时间,伊朗哲学家Abu Rayhan Biruni(约973年-1048年)讨论了地球绕着自己的轴旋转的可能性,尽管他认为这是一个哲学问题而不是数学问题。在 Maragha 和 Ulug’Beg (又名 Samarkand) 天文台,13-15世纪间的几代天文学家对地球自转的问题进行了讨论,提出的很多证据和观点与哥白尼使用的证据和观点类似。

日心模型的影响

尽管哥白尼害怕自己的论点会引起蔑视和争议,但实际上日心说的公布仅仅引起了宗教温和的谴责。随着时间的推移,许多宗教学者尝试推翻哥白尼的模型。不过仅仅过了几代人的时间,哥白尼的理论得到了非常广泛的接受,同时也收获了非常多有影响力的捍卫者。

伽利略也是日心说的捍卫者之一,他利用望远镜对天空进行观测, 修正了日新模型中的一些缺陷。此外,伽利略还发现了一些证据来支持日心说。例如,伽利略发现了围绕木星的卫星、太阳黑子和月球表面的缺陷——所有这些证据都可以用来说明行星并不是完美的球体。尽管伽利略对哥白尼的支持招致了对他的软禁,但其他天文学家很快就跟进了伽利略的工作。

德国数学家、天文学家开普勒也引入椭圆轨道,来完善日心模型。在此之前,日心模型使用的圆形轨道无法解释为什么行星围绕太阳运行的速度大小不是恒定的。开普勒认为在椭圆轨道上的某些点上行星会加速,而某些点上会减速,以此来解释上述问题。

此外,哥白尼关于地球在运动的思考持续激励了对整个物理学领域的反思。以前人们认为运动需要外力来激发和维持,而哥白尼的理论则挑战了这个传统的观点,对重力和惯性概念的建立起到了非常大的帮助作用。牛顿阐明了这些概念,并且牛顿的原理构成了现代物理学和天文学的基础。

虽然日心模型取代地心模型的进程非常缓慢,但最终日心模型取得了胜利。日心模型带来的影响可以说是一场革命。人类对宇宙的理解和人类在宇宙中的地位自哥白尼后,发生了翻天覆地的变化。

作者: universetoday

FY: 琪琪的粥

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