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星空的见证——人类天文学的起源
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2023.05.09 内蒙古

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在人类历史的大部分时间里,人们忙于耕种与收获、忙于对抗与战争、忙于为生存下去所做的种种努力,却唯独没有时间去思考自然界的本质和万物的起源。直到公元前1000年左右的时候,一些“闲下来”的人开始尝试不再借助宗教、神学或上帝等超自然的解释来回答一些关于宇宙的问题。

寓意:人类对天空的第一次眺望

最初研究“天文学”的并非天文学家,毕竟那时候还没有“天文”这个词。你很难想象一群思想家最先“误入歧途”开始研究天文学的样子是多么的幼稚和可笑,但我们的天文学就是由他们的不懈努力开始的。

早期地中海地区的思想家,尤其是古希腊的思想家们意识到,万事万物的运行是有规律可循的,想要深入了解眼前的世界,就必须揭开事物的表象,抽丝剥茧般直达事物的本质,找到符合自然现象发生发展规律的合理的逻辑解释。

人类对自然界的事物本源的认识从这里开始了,一个标志着长达3000年的“认知”旅程开始了飞跃似的发展。

现代科技与古老智慧的融合

物质的本质是什么?

世界是由什么组成的,物质从何而来,这些最基本问题困扰了人类数千年。

公元前6世纪,泰勒斯(Thales)和阿那克西米尼(Anaximenes)等希腊哲学家提出,所有的物质都是由更内在的物质变化而来,它们主要是水、空气、土和火。这与中国的“五行”学说不谋而合。

泰勒斯(Thales)和阿那克西米尼(Anaximenes)

中国的五行学说是中国的先古哲学理论,它认为宇宙万物都由五种基本元素(木、火、土、金、水)组成,这些元素之间相互作用影响着世界的组成、运行和演化。

中国的五行学说

公元前5世纪左右,恩培多克勒(Empedocles)宣扬一切都是由水、空气、土和火这四种物质或这四种物质的混合物组成的。而与他同时代的德谟克利特(Democritus)提出了宇宙是由无数个被称为原子(与我们现代所认知的原子不同)的不可再分的粒子组成的观点。最后,在公元前4世纪,最有影响力的学者亚里士多德(Aristotle)在恩培多克勒的4个元素中增加了第五个元素,以太。

恩培多克勒(Empedocles)

德谟克利特(Democritus)

亚里士多德(Aristotle)

尽管亚里士多德对“原子”理论的概念持怀疑态度,但要注意的是,原子和元素的概念早在2000多年前就被提出,而这两者在当时都是没有办法被证明存在的!

“世界”是什么样的?

直到17世纪初,地球是平的这一观点在全世界仍是主流观点。

天圆地方图

亚里士多德最先提出了他的观点:地球是一个球体。

早期的希腊学者如毕达哥拉斯,已经对此进行了论证。但亚里士多德是第一个总结证据的人。其最主要的证据是,去南方旅行的人可以看到那些住在北方的人看不到的星辰——这只有在地球表面是弯曲的情况下才能合理的解释。

公元前240年,数学家埃拉托色尼(Eratosthenes)通过比较太阳光线在塞伊尼(又称锡安)和亚历山大港到达地球的时间,成功估算出了地球的周长。他得出了大约4万公里(2.5万英里)的数字——这已经非常接近现如今地球测绘得到的真实数值。

埃拉托色尼(Eratosthenes)

地球与她的母星——太阳

当然,亚里士多德也不全正确,他认为地球是宇宙的中心,太阳、各大行星和恒星都围绕着地球运行。这在当时似乎是一个常识,因为每天晚上都可以看到各种天体(白天是太阳)从东到西在天空中围绕着我们运动,而地球本身似乎并没有移动。

天文学家阿里斯塔克斯(Aristarchus)提出了另一种观点,认为太阳在宇宙中心,地球绕着太阳运行,但这种观点在当时并没有得到多少认可。

阿里斯塔克斯(Aristarchus)

公元150年,克劳狄乌斯·托勒密(Claudius Ptolemy——一位住在亚历山大港的著名希腊学者,他出版了一本名为《天文学大成》(又译作《大论》(Almagest))的著作,这本书肯定了地球是宇宙中心的主流观点。托勒密的详细模型与所有当时已知的观察结果相吻合,但为了做到这一点,托勒密对亚里士多德的原始思想进行了复杂的修改。

克劳狄乌斯·托勒密(Claudius Ptolemy)

在接下来的14个世纪里,亚里士多德和托勒密的“地心说”理论完全主导了天文学理论的发展,并被中世纪的基督教传遍了整个欧洲。在此期间,伊斯兰天文学家乌鲁贝格(Ulugh Beg)对太阳系的研究做出了重大贡献,特别是对恒星的位置进行了编目。

乌鲁贝格(Ulugh Beg)

地球是静止的还是旋转的?

人们对地球是否在自转这一问题争论了大概2000年之久。直到公元17世纪,科学界流行的观点仍然是地球不自转,而是整个宇宙围绕着地球旋转,因为这最符合以地球为中心的宇宙论。

然而,反对这种观点的也大有人在!

公元前4世纪的希腊哲学家和天文学家赫拉克利特·庞提克斯(Heraclides Ponticus)、公元5世纪的印度天文学家阿雅巴塔(又译为阿耶波多Aryabhata)和公元15世纪的波斯天文学家阿尔-锡兹(Al-Sijzi)和阿尔-比鲁尼(Al-Biruni)。他们每个人都提出地球是自转的,而恒星的表面运动只是地球自转引起的相对运动。

地球自转思想的提出者:赫拉克利特·庞提克斯,阿雅巴塔,阿尔-比鲁尼

但直到19世纪的哥白尼革命,地球自转才被证实并被接受为事实。

哥白尼革命

“哥白尼革命”是天文学领域的一次重大事件。在哥白尼时代以前,人们普遍认为静止的地球是宇宙的中心(托勒密天体模型,即地心说)。1543年尼古拉·哥白尼(Nicolaus Copernicus)临终前发表了《天体运行论》一书,正式提出“日心说”,他提到太阳是宇宙的中心,各大行星及日月星辰都围绕太阳做圆周运动的理论,并由此,开启了哥白尼革命。这场革命从哥白尼发表《天体运行论》开始,一直持续到艾萨克·牛顿时期。

尼古拉·哥白尼与他的《天体运行论》

宇宙有多大,它几岁了?

最后一个在早期哲学家中被广泛讨论的问题就是宇宙在大小和时间,人们争论争论的交点集中再宇宙有限的还是无限的。时间是从什么时候开始的。

亚里士多德最早提出,宇宙在时间上是无限的(因为它一直存在),但在范围上是有限的,因为他相信所有的恒星都在一个固定的距离上,它们都嵌在一个叫“宇宙”水晶球里,在这个“水晶球”之外什么都没有。

水晶球“宇宙”

一百年后,数学家阿基米德(Archimedes)对一些星辰的距离做了一个合理的估计,他意识到,这些星辰是遥远而巨大的(至少是我们现在所说的2光年),但阿基米德并没有提到这些行星是无限远的。

公元6世纪,埃及哲学家约翰·菲洛波诺斯(John Philoponus)提出了反对亚里士多德的观点,他认为宇宙在时间上是有限的。

直到20世纪初,科学家们才真正通过理论计算、实验观测寻找并推断出这些问题的答案。

地心说宇宙

17世纪荷兰绘图师安德烈亚斯-塞拉里乌斯(Andreas Cellarius)创作的亚里士多德和托勒密的“地心说”模型。

从中心出发,分别是地球,月球、水星、金星、太阳、火星、木星、土星和其他恒星,他们都在围绕地球的圆形轨道上运行。

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