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托勒密地心说真的是被哥白尼一击击溃的吗?

2020-04-21 作者:

在16和17世纪,科学的迅速发展导致了前所未有的自然发现和认知过程。那时,物理学、数学、化学、生物学和天文学的突破为现代科学奠定了良好的基础。在天文学领域,最有影响的学者是哥白尼,他创立了日心说。

基于对行星运动的持续观察以及古罗马、古希腊和伊斯兰的经典世界理论,哥白尼推测地球、其他行星和恒星都围绕太阳旋转。通过这一假设,哥白尼成功地解决了经典地心模型引起的数学问题和矛盾,为现代天文学奠定了基础。

事实上,哥白尼不是第一个提出地球和其他行星围绕太阳旋转的人,但是哥白尼非常及时地提出了一个新的日心说模型。第一个原因是欧洲天文学家试图解决公元前二世纪托勒密地心模型引起的数学和观测问题。第二个原因是哥白尼模型是第一个完整而详细地描述宇宙运行的天文系统模型。哥白尼的地球模型不仅解决了地心模型的各种问题,而且提供了一种简化的世界观,可以描述宇宙的运行,而无需复杂的数学。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所认可。

葡萄牙宇宙学家和制图员巴托洛梅·韦洛在1568年解释了托勒密的地心说。资料来源:巴黎国家图书馆

托勒密模型

地心模型自古以来就被广泛接受。它认为地球是宇宙的中心,所有的恒星和行星都围绕着地球旋转。在古希腊和古罗马的晚期,亚里士多德和托勒密将地心说规范化,并用数学来描述地心说。

地心说本质上可以归因于两个共同的观察。首先,古代天文学家发现太阳、其他恒星和行星似乎每天都围绕着地球旋转。第二,从地球上的观察者的角度来看,地球似乎并没有移动,好像它是空之间的一个固定点。

大约在公元前3世纪,人们开始逐渐接受地球是球形的。在亚里士多德的时代,地心说也吸收了这种认知,认为地球、恒星和行星都是球体,以完美的圆形轨道运行。

然而,直到公元前2世纪,埃及-希腊天文学家托勒密发表了他的论文《天文学大成》,地心说的细节才变得更加标准和严谨。考虑到从古巴比伦到那个时代的天文学知识,托勒密认为地球在宇宙的中心,恒星离宇宙的中心不太远也不太近。

在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空。资料来源:美国航天局

为了解释地心模型中的逆行现象,地心说认为每个行星都是同时绕着两个圈运动的:第一个圈叫做“偶轮”,第二个圈叫做“圆轮”,圆轮的中心在偶轮上。偶数轮的中心不在地球上,引入偶数轮是为了解释季节的不同长度。“本轮”的目的是解释行星的逆行现象。当行星沿本轮的运动方向与普通车轮的运动方向相反时,天空中的行星似乎减速,逆行发生,然后再次向前移动。

然而,当前一轮和平均一轮不能解释所有观察到的行星运动。最明显的是,逆行的行星环(尤其是火星)有时比预测的更大,有时更小。为了缓解这个问题,托勒密开发了一种几何工具,Equant,它位于行星轨道的中心附近,因此行星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,行星的周转周期似乎总是以一致的速度移动,但是对于其他位置的观察者来说,行星并不以一致的角速度移动。尽管这一制度在罗马、中世纪欧洲和伊斯兰世界已经被广泛接受了1000多年,但以现代标准来看,它实在太混乱了。

然而,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,并且还被用来编制未来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、伽利略和开普勒倡导的日心说所取代。

乔治·特雷比佐德的《天文学大成》拉丁文译本。来源:公共领域

哥白尼模型

16世纪,哥白尼开始设计日心说模型。像许多前辈一样,哥白尼的工作是基于希腊天文学家阿提斯塔丘斯的工作,并向马拉加学派和几个来自伊斯兰世界的著名哲学家致敬。16世纪初,哥白尼在一篇名为《评论》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其他学者中传播他的文章。这份40页的手稿描述了他基于七个基本原则的日心说。这七项原则是:

天体并不都围绕一个点运行。地球的中心只是地月系统的中心。所有围绕太阳运行的天体都围绕太阳运行。宇宙中心附近太阳和地球之间的距离比恒星和太阳和地球之间的距离小得多。因此,不观察恒星的视差星是不动的——它们的日常运动只是由于地球的日常旋转,这导致地球在围绕太阳的球体中移动,导致太阳每年明显的迁移。地球有不止一种运动。地球围绕太阳的轨道使得行星的运动方向看起来相反。此后,他继续收集数据并进行更详细的工作。1532年,哥白尼几乎完成了他的伟大著作《关于健康球体的革命》。在这篇文章中,他以更详细的形式和仔细的计算来支持他的七个要点。

地心模型和日心模型的比较。资料来源:history.ucsb.edu

如果水星和金星的轨道位于地球和太阳之间,哥白尼可以解释它们外观的变化。简而言之,当水星和金星在太阳的两边时,它们会变得更小但更丰满(更圆也更亮)。如果水星和金星与地球在太阳的同一侧,它们看起来会更大,但它们会显得“有棱角”(新月)。

日心说也解释了像火星和木星这样的行星的逆行,这表明地球不是一个固定的和不同的参考系统,而是一个移动的系统。这也解释了为什么火星和木星在某些时候比其他时候显得更大。本质上,它们在大碰撞位置比在闭合位置更接近地球。

然而,哥白尼担心发表他的理论会招致教会的责难(他的理论可能也有一些科学缺陷)。哥白尼直到1542年,也就是他去世的前一年,才把这篇论文送到纽伦堡出版。

历史渊源

如上所述,哥白尼不是第一个相信日心说是宇宙中心的人。哥白尼还根据几个先前的天文学家的工作提出了日心说。日心说雏形的第一个有记录的例子可以追溯到古希腊和古罗马时代,当时萨摩斯的阿里斯塔楚斯(约公元前3230年)出版了一本书,其中包含了他的同时代人(如阿基米德)引用的参考文献。

阿利斯塔克在公元前3世纪计算了太阳、地球和月亮的相对大小。来源:维基百科共享资源

阿基米德在他的书《沙计算者》中描述了阿利斯塔克的另一项工作,他在书中提出了日心说模型的另一个假设。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。天球的中心是地球的中心,半径是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。然而,萨摩斯的阿里斯塔楚斯提出了一些假设。作为这些假设的结果,宇宙比现在所称的要大很多倍。他假设恒星和太阳是不可移动的,地球绕着太阳转一圈,太阳在轨道的中间,恒星的天球中心和太阳在同一个中心。这个模型需要一个非常大的天球,因此他假设地球运动的圆的大小和恒星的天球的大小与它们到宇宙中心的距离成正比,就像球体的表面积与从表面到中心的距离成正比一样。

这一假设产生了一个概念,即当地球围绕太阳运行时,应该有一个与“固定恒星”相关的可观察到的视差(例如,观察到恒星的相对运动)。根据阿基米德的说法,阿利斯塔克认为固定恒星之间的距离实际上比人们通常认为的要长得多,所以没有发现明显的视差。

另一个是塞琉西亚的塞琉西(约公元前190-150年),古希腊哲学家,他思考了日心说模型。塞琉西是居住在塞琉西帝国近东的希腊天文学家。他是阿利斯塔克日心说的支持者。据说他已经证明了日心说。

根据当时的数据,塞琉古可能已经通过确定地心模型的常数计算出了行星的位置,然后将它们应用到日心理论中(这可以通过三角学来实现)。塞琉古也可能通过潮汐现象推导出这个理论。他推测潮汐与月球有关,换句话说,地球围绕地月系统的“质量中心”运行。

公元前5世纪,来自迦太基的罗马哲学家马丁斯·五车二认为金星和水星围绕太阳旋转,以解释它们在外观上的差异。在中世纪早期的9世纪,许多匿名评论家讨论了五车二的模型。哥白尼还提到五车二的模型对他的工作有影响。

在中世纪晚期,尼科尔·奥雷斯姆主教(1320-1321382)讨论了地球绕其轴旋转的可能性。1440年,库萨的红衣主教尼古拉斯(约1401464年)写了一篇题为《论习得的无知》的论文,指出是否有任何理由断定太阳(或其他点)是宇宙的中心。

印度天文学家和宇宙学家也暗示了古希腊、罗马晚期和中世纪提出的日心说宇宙的可能性。公元499年,印度天文学家阿雅巴塔出版了他的书《阿雅巴提雅》,在书中他提出了一个地球绕其轴旋转的模型,并给出了每颗行星相对于太阳的运动周期。此外,他还精确地计算了行星的周期、日蚀和月蚀的时间以及月亮的运动。

Ibn al-Shatir的mercury可视化模型通过引入几个回合和使用tutsi对方法可以解决托勒密模型的偏心问题,不再需要托勒密引入的equant方法。来源:维基百科共享资源

在15世纪,尼拉坎塔·索马亚吉出版了《阿雅巴沙》来评论阿雅巴塔。Nilakantha Somayaji提出了一个部分以太阳为中心的行星模型:行星围绕太阳旋转,太阳围绕地球旋转。在坦陀罗(1500年)中,他进一步修改了行星系统的数学模型,认为地球绕着自己的轴旋转。

此外,日心说模式在中世纪的伊斯兰世界也有支持者,其中许多人启发了哥白尼。在10世纪之前,托勒密的模型被西亚和中亚的天文学家所认可。然而,随着时间的推移,质疑地心说基本原则的手稿开始出现。

例如,10世纪的伊朗天文学家阿布·赛义德·阿尔-西伊齐(Abu Sa'id al-Sijzi)利用地球绕自身旋转轴旋转的假设来解释地球上昼夜的交替以及恒星相对于地球的旋转。在11世纪早期,埃及阿拉伯天文学家阿尔哈曾写了一篇题为“对托勒密的怀疑”(约1028年)的文章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:维基百科公共资源/sigismund vondo bschü tz

大约在同一时间,伊朗哲学家阿布·雷汉·比鲁尼(约973 -1048)讨论了地球绕自身轴旋转的可能性,尽管他认为这是一个哲学问题,而不是数学问题。在马拉加和乌鲁格贝(也称为撒马尔罕)天文台,从13世纪到15世纪的几代天文学家讨论了地球自转的问题,并提出了许多类似于哥白尼所使用的证据和观点。

日心模型的影响

尽管哥白尼担心他的论点会引起蔑视和争议,但事实上日心说的发表只引起了宗教的温和谴责。随着时间的推移,许多宗教学者试图推翻哥白尼的模型。然而,仅仅几代人之后,哥白尼的理论就被广泛接受,许多有影响力的捍卫者也收获了。

伽利略也是日心说的捍卫者之一。他用望远镜观察天空,并修正了新模型中的一些缺陷。此外,伽利略还发现了一些支持日心说的证据。例如,伽利略发现了木星周围的卫星、太阳黑子和月球表面的缺陷——所有这些都可以用来表明行星不是完美的球体。尽管伽利略对哥白尼的支持导致了他的软禁,但其他天文学家很快就追随了伽利略的工作。

德国数学家和天文学家开普勒也引入了椭圆轨道来完善日心说模型。在此之前,日心说模型使用的圆形轨道不能解释为什么行星围绕太阳的速度不是恒定的。开普勒解释了上述问题,认为行星会在椭圆轨道的某些点加速,在某些点减速。

此外,哥白尼关于地球运动的思想不断激发了对整个物理学领域的反思。过去,人们认为运动需要外力来刺激和维持,而哥白尼的理论挑战了这一传统观点,并在建立重力和惯性概念方面发挥了非常有益的作用。牛顿阐述了这些概念,牛顿的原理构成了现代物理学和天文学的基础。

虽然用日心模型取代地心模型的过程非常缓慢,但日心模型最终胜出。日心模型的影响可以说是一场革命。自从哥白尼以来,人类对宇宙的理解和人类在宇宙中的地位发生了巨大的变化。

作者:universetoday

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