天文常识1001条

　　第二章 简要的历史回顾：站在巨人的肩膀上

101 许多早期的关于宇宙的看法都是将地球摆在所有物体的中心。从古希腊到印度和中国，许多文化发展了地心说或者被称之为地球中心论这样的对宇宙的观点。这个幻想毕竟很强烈。地球感觉上非常像是固定的，天上的光每天每夜都绕着它转。

102 最先受亚里士多德影响，许多古希腊人区分了天地的领域：天在上面地在下面。对于亚里士多德来说，地球上的所有东西都由四种元素组成：土地，空气，火和水。天上的太阳，月亮和已知的五大行星也被装在了水晶球里。这些球体被包含所有恒星的天球包含。它们都绕着地球转圈。它们必须作圆轨道运动，亚里士多德说，因为圆是完美的。而天上的东西都是以完美的方式运动。这些天体和它们的水晶球是由五种元素组成的，或称为五种精华。在它们下面属于地球的领域。有一条恒定的规律，就是出生，死亡和腐烂。但是在天空的领域，所有的东西的都是纯净的，无瑕疵的，永恒不变的。天上在外表上看永远是平静的，不变的。一切都是完美的。

103 亚里士多德的宇宙图是优雅的，但是不够精确。古中国的天空观测者不知道亚里士多德的这些论断，因此也没有受到亚里士多德的影响。他们观测并且记录下了天空的变化。这些包括被假设为无瑕疵的太阳上的黑子的出现和消失。彗星像扫把一样划过天空，客星突然间发光，以至于白天也能看到。（西方人肯定也看到过这种现象，但是当时最好的做法是保持沉默，不要让自己的言论与哲学的伟人们矛盾）如果出现一次观测，非常明显并且非常持久，那么就不可能忽略掉它。

104 一些行星的表现不够“规矩”。经常搞观测的人都知道在一定的时间在自己轨道上运行的火星，木星，土星会停止它们一贯的向东行进而改为一个U形的弯运动。即有的时候向西运动，然后再作一个U型弯运动。最后才改回到原来的向东行进。更糟糕的是，这些退行，环形或者Z型运动几乎没有相同的形状和大小。为了保留亚里士多德的天体运动的假设，大量的天文学家，哲学家和数学家在试图保留亚里士多德的“宗教”假设（天上的物体必须做完美的圆轨道运动）的前提下试图解释这个复杂的运动。

105 托勒密的复杂天球机器。公元二世纪，一位希腊的数学家，天文学家托勒密继承了亚里士多德的理论体系，并且在外层行星的大球上加了一些小球（本轮）。这样表示外层的行星在小球上运动，而它们的中心又在主水晶球上绕着地球转动。加上的这些小球（总共有80个）是为了解决观测上出现的退行现象。用这种聪明的方法，托勒密和他的同事们就既能解释外层行星的退行现象又能使它们符合圆周运动。这种模型在西方整整统治了14个世纪。

106 在16世纪，一个羞涩的波兰传教士发起了革命，并且改变了宇宙。在接下来的几个世纪里，仍然有人对托勒密的大环套小环的复杂模型不满意。尼古拉斯哥白尼有着数学功底和敏锐的洞察力，他准备做点什么。他意识到他可以去除掉托勒密系统中的本轮，只要通过一点点改变就能使这个复杂的系统变得简单得多。这个办法就是把地球从中心的位置剔除，把太阳放在那里，并且让地球也像其他行星一样绕着太阳转。这样的解决办法很简单，但是要借助大量的数学。这就是所谓日心说的宇宙模型。

107 托勒密体系之所以很长的时间内都有很高的地位是因为宗教原因。哥白尼很小心，他没有立即站出来说他的新观念是正确的。因为那样只能使当权者不高兴，甚至威胁到自己的健康。他只是简单的把它带给世界，作为一本“数学练习”带个罗马教皇统治下的世界。因为不准备去冒险，哥白尼直到去世的时候才将它发表。

108 意大利天文学家伽利略找到了支持哥白尼模型的证据。对亚里士多德和他的追随者们，科学顶多是建立在科学实验的纯粹推理上。而对于伽利略来说，证据就在布丁里，如果你想知道天空的机制是什么，你的布丁就在天上。听说了一种可以使远处物体在近处看的很清楚的装置（望远镜）之后，伽利略造了许多自己设计的望远镜，并且把它们对准了天空。他记录下月亮其实很不完美，不像众多哲学家相信的那样，月亮上既有高山又有深谷。伽利略还记录了太阳的黑子。并且发现了木星的四颗卫星。最后，他观测了金星，它像地球的卫星月亮，并且也有相的变化。这个发现听起来就是亚里士多德和托勒纳米体系的丧钟。因为能看到金星的相的变化，金星就必须绕着太阳转，而不是地球。然而伽利略的发现在他的那个年代并不受欢迎。更喜欢亚里士多德和托勒密体系的教廷迫使他放弃自己的观点，并且在他的后半生软禁了他。

109 两位与伽利略同时代的人也帮助摧毁了亚里士多德的水晶球系统。伽利略有力的打击了亚里士多德的宇宙体系，并且证明了哥白尼的理论是正确的。但是即使是哥白尼也没有完全抛弃宇宙中所有的运动都是圆运动的观念。第谷，伽利略同时代的一个人，在他的工作里没有使用望远镜，但却给出了那个年代行星运动最精确的测量法。他的合作人，稍微有点神秘兮兮但却是一位精明数学家的开普勒，通过观测来检查行星运动。他的工作比任何前人做的都要好。

110 开普勒首先提出行星绕太阳作椭圆轨道运动。当他检查第谷数据的时候，他意识到行星不能像人们想象的那样绕着太阳作圆轨道运动，取而代之的应该是椭圆轨道运动。开普勒还提出了今天所有行星遵循的行星运动三大定律。下面是开普勒的行星运动的三大定律：
1 行星绕太阳作椭圆轨道运动，太阳在椭圆的一个焦点上。
2 行星不是以恒定速度绕太阳运动的，行星距离太阳越近，运动的越快。
3 距离太阳越近的行星，它绕太阳转一圈所用的时间就越短。

111 一个叫伊萨克牛顿的天才把开普勒的工作推进了一步。在伽利略去世的那年，伊萨克牛顿出生了。开普勒提出了行星绕太阳作椭圆轨道运动而不是圆轨道运动，这符合事实，但他自己却不知道为什么。牛顿发明了数学的一个分支——微积分学，并且以它为工具，以一种今天我们称之为引力的力来解释物体的运动。

112 牛顿很可能从来没有像传奇中说的那样被苹果砸到。但是他很可能确实看到过苹果从树上掉下来，这激发了他对引力的思考。那么这种看不见的力既然能到达树上把苹果拉到地上，为什么它不能到达月球把月球拉到地球上来呢？用数学描述引力的行为，牛顿可以证明相同性质的力确实控制着苹果，月球以及宇宙中其他所有运动物体。通过极其敏锐的洞察力，牛顿说明了引力是普遍存在的力，并且用数学语言给出了这个统治宇宙中所有运动物体的力的精确表达式。他不只说明了我们在地球上经受的物理现象与宇宙中其他地方也是一样的，还表明了人类有能力了解这种力。

113 除了万有引力定律，牛顿还描述了三大运动定律。
1 如果没有外力作用，一个物体将保持静止或匀速直线运动。
2 如果一个拉力或推力作用在一个物体上，它将改变物体的速度或速度的方向。
3 如果一个物体对另一个物体施加力的作用，那么它将受到等量的反向的力的作用。
这些定理控制一切，从曲棍球到赛车，从宇宙飞船到绕太阳运动的行星。

114 在20世纪初期，爱因斯坦又突破了牛顿的体系。在1913年，阿尔伯特爱因斯坦出版了他的狭义相对论。在书中，他表示牛顿定律在平时的低速世界里是适用的，但在高速世界里它就被破坏了，即当速度接近光速的时候。这个理论的一个基本假定是光速是不变的。光速与光源的运动速度和观测者的运动速度无关。这看似荒谬，但已经被大量的独立实验证实。并且它引出了三个与观测者速度相关的物理量---质量，长度和时间。举例来说，一个以接近光速的飞船朝你飞来的时候，它的质量变大，在行进方向的长度变短，并且飞船上的时间与停在你旁边的飞船相比慢很多。尽管同样的奇怪，但这也被证实了，并且应用于现实的计算中。

115 几年过后，爱因斯坦出版了他的广义相对论。广义相对论解决牛顿力学里引力的问题，并且指出一个物体影响它旁边另一个物体的运动，不仅仅是因为引力，它的质量也弯曲了它周围的空间。更进一步的还有，物体的质量不止影响空间，还会影响时间，使时间变慢。这同样使人很困惑，但这已经被证实是一个很有效的理论。

116天文学的进步是很多人努力的结果。对于他的成就，牛顿说：“如果我比别人看得更远，是因为我站在了巨人的肩膀上。”比牛顿早的时代和晚的时代里都有很多科学巨人，你可以阅读他们的传记或书籍来了解我们这个神奇的宇宙。