天文常識1001條
第二章 簡要的歷史回顧：站在巨人的肩膀上
101 許多早期的關于宇宙的看法都是將地球擺在所有物體的中心。從古希臘到印度和中國，許多文化發(fā)展了地心說或者被稱之為地球中心論這樣的對宇宙的觀點。這個幻想畢竟很強烈。地球感覺上非常像是固定的，天上的光每天每夜都繞著它轉(zhuǎn)。
102 最先受亞里士多德影響，許多古希臘人區(qū)分了天地的領域：天在上面地在下面。對于亞里士多德來說，地球上的所有東西都由四種元素組成：土地，空氣，火和水。天上的太陽，月亮和已知的五大行星也被裝在了水晶球里。這些球體被包含所有恒星的天球包含。它們都繞著地球轉(zhuǎn)圈。它們必須作圓軌道運動，亞里士多德說，因為圓是完美的。而天上的東西都是以完美的方式運動。這些天體和它們的水晶球是由五種元素組成的，或稱為五種精華。在它們下面屬于地球的領域。有一條恒定的規(guī)律，就是出生，死亡和腐爛。但是在天空的領域，所有的東西的都是純凈的，無瑕疵的，永恒不變的。天上在外表上看永遠是平靜的，不變的。一切都是完美的。
103 亞里士多德的宇宙圖是優(yōu)雅的，但是不夠精確。古中國的天空觀測者不知道亞里士多德的這些論斷，因此也沒有受到亞里士多德的影響。他們觀測并且記錄下了天空的變化。這些包括被假設為無瑕疵的太陽上的黑子的出現(xiàn)和消失。彗星像掃把一樣劃過天空，客星突然間發(fā)光，以至于白天也能看到。（西方人肯定也看到過這種現(xiàn)象，但是當時最好的做法是保持沉默，不要讓自己的言論與哲學的偉人們矛盾）如果出現(xiàn)一次觀測，非常明顯并且非常持久，那么就不可能忽略掉它。
104 一些行星的表現(xiàn)不夠“規(guī)矩”。經(jīng)常搞觀測的人都知道在一定的時間在自己軌道上運行的火星，木星，土星會停止它們一貫的向東行進而改為一個U形的彎運動。即有的時候向西運動，然后再作一個U型彎運動。最后才改回到原來的向東行進。更糟糕的是，這些退行，環(huán)形或者Z型運動幾乎沒有相同的形狀和大小。為了保留亞里士多德的天體運動的假設，大量的天文學家，哲學家和數(shù)學家在試圖保留亞里士多德的“宗教”假設（天上的物體必須做完美的圓軌道運動）的前提下試圖解釋這個復雜的運動。
105 托勒密的復雜天球機器。公元二世紀，一位希臘的數(shù)學家，天文學家托勒密繼承了亞里士多德的理論體系，并且在外層行星的大球上加了一些小球（本輪）。這樣表示外層的行星在小球上運動，而它們的中心又在主水晶球上繞著地球轉(zhuǎn)動。加上的這些小球（總共有80個）是為了解決觀測上出現(xiàn)的退行現(xiàn)象。用這種聰明的方法，托勒密和他的同事們就既能解釋外層行星的退行現(xiàn)象又能使它們符合圓周運動。這種模型在西方整整統(tǒng)治了14個世紀。
106 在16世紀，一個羞澀的波蘭傳教士發(fā)起了革命，并且改變了宇宙。在接下來的幾個世紀里，仍然有人對托勒密的大環(huán)套小環(huán)的復雜模型不滿意。尼古拉斯哥白尼有著數(shù)學功底和敏銳的洞察力，他準備做點什么。他意識到他可以去除掉托勒密系統(tǒng)中的本輪，只要通過一點點改變就能使這個復雜的系統(tǒng)變得簡單得多。這個辦法就是把地球從中心的位置剔除，把太陽放在那里，并且讓地球也像其他行星一樣繞著太陽轉(zhuǎn)。這樣的解決辦法很簡單，但是要借助大量的數(shù)學。這就是所謂日心說的宇宙模型。
107 托勒密體系之所以很長的時間內(nèi)都有很高的地位是因為宗教原因。哥白尼很小心，他沒有立即站出來說他的新觀念是正確的。因為那樣只能使當權(quán)者不高興，甚至威脅到自己的健康。他只是簡單的把它帶給世界，作為一本“數(shù)學練習”帶個羅馬教皇統(tǒng)治下的世界。因為不準備去冒險，哥白尼直到去世的時候才將它發(fā)表。
108 意大利天文學家伽利略找到了支持哥白尼模型的證據(jù)。對亞里士多德和他的追隨者們，科學頂多是建立在科學實驗的純粹推理上。而對于伽利略來說，證據(jù)就在布丁里，如果你想知道天空的機制是什么，你的布丁就在天上。聽說了一種可以使遠處物體在近處看的很清楚的裝置（望遠鏡）之后，伽利略造了許多自己設計的望遠鏡，并且把它們對準了天空。他記錄下月亮其實很不完美，不像眾多哲學家相信的那樣，月亮上既有高山又有深谷。伽利略還記錄了太陽的黑子。并且發(fā)現(xiàn)了木星的四顆衛(wèi)星。最后，他觀測了金星，它像地球的衛(wèi)星月亮，并且也有相的變化。這個發(fā)現(xiàn)聽起來就是亞里士多德和托勒納米體系的喪鐘。因為能看到金星的相的變化，金星就必須繞著太陽轉(zhuǎn)，而不是地球。然而伽利略的發(fā)現(xiàn)在他的那個年代并不受歡迎。更喜歡亞里士多德和托勒密體系的教廷迫使他放棄自己的觀點，并且在他的后半生軟禁了他。
109 兩位與伽利略同時代的人也幫助摧毀了亞里士多德的水晶球系統(tǒng)。伽利略有力的打擊了亞里士多德的宇宙體系，并且證明了哥白尼的理論是正確的。但是即使是哥白尼也沒有完全拋棄宇宙中所有的運動都是圓運動的觀念。第谷，伽利略同時代的一個人，在他的工作里沒有使用望遠鏡，但卻給出了那個年代行星運動最精確的測量法。他的合作人，稍微有點神秘兮兮但卻是一位精明數(shù)學家的開普勒，通過觀測來檢查行星運動。他的工作比任何前人做的都要好。
110 開普勒首先提出行星繞太陽作橢圓軌道運動。當他檢查第谷數(shù)據(jù)的時候，他意識到行星不能像人們想象的那樣繞著太陽作圓軌道運動，取而代之的應該是橢圓軌道運動。開普勒還提出了今天所有行星遵循的行星運動三大定律。下面是開普勒的行星運動的三大定律：
1 行星繞太陽作橢圓軌道運動，太陽在橢圓的一個焦點上。
2 行星不是以恒定速度繞太陽運動的，行星距離太陽越近，運動的越快。
3 距離太陽越近的行星，它繞太陽轉(zhuǎn)一圈所用的時間就越短。
111 一個叫伊薩克牛頓的天才把開普勒的工作推進了一步。在伽利略去世的那年，伊薩克牛頓出生了。開普勒提出了行星繞太陽作橢圓軌道運動而不是圓軌道運動，這符合事實，但他自己卻不知道為什么。牛頓發(fā)明了數(shù)學的一個分支——微積分學，并且以它為工具，以一種今天我們稱之為引力的力來解釋物體的運動。
112 牛頓很可能從來沒有像傳奇中說的那樣被蘋果砸到。但是他很可能確實看到過蘋果從樹上掉下來，這激發(fā)了他對引力的思考。那么這種看不見的力既然能到達樹上把蘋果拉到地上，為什么它不能到達月球把月球拉到地球上來呢？用數(shù)學描述引力的行為，牛頓可以證明相同性質(zhì)的力確實控制著蘋果，月球以及宇宙中其他所有運動物體。通過極其敏銳的洞察力，牛頓說明了引力是普遍存在的力，并且用數(shù)學語言給出了這個統(tǒng)治宇宙中所有運動物體的力的精確表達式。他不只說明了我們在地球上經(jīng)受的物理現(xiàn)象與宇宙中其他地方也是一樣的，還表明了人類有能力了解這種力。
113 除了萬有引力定律，牛頓還描述了三大運動定律。
1 如果沒有外力作用，一個物體將保持靜止或勻速直線運動。
2 如果一個拉力或推力作用在一個物體上，它將改變物體的速度或速度的方向。
3 如果一個物體對另一個物體施加力的作用，那么它將受到等量的反向的力的作用。
這些定理控制一切，從曲棍球到賽車，從宇宙飛船到繞太陽運動的行星。
114 在20世紀初期，愛因斯坦又突破了牛頓的體系。在1913年，阿爾伯特愛因斯坦出版了他的狹義相對論。在書中，他表示牛頓定律在平時的低速世界里是適用的，但在高速世界里它就被破壞了，即當速度接近光速的時候。這個理論的一個基本假定是光速是不變的。光速與光源的運動速度和觀測者的運動速度無關。這看似荒謬，但已經(jīng)被大量的獨立實驗證實。并且它引出了三個與觀測者速度相關的物理量---質(zhì)量，長度和時間。舉例來說，一個以接近光速的飛船朝你飛來的時候，它的質(zhì)量變大，在行進方向的長度變短，并且飛船上的時間與停在你旁邊的飛船相比慢很多。盡管同樣的奇怪，但這也被證實了，并且應用于現(xiàn)實的計算中。
115 幾年過后，愛因斯坦出版了他的廣義相對論。廣義相對論解決牛頓力學里引力的問題，并且指出一個物體影響它旁邊另一個物體的運動，不僅僅是因為引力，它的質(zhì)量也彎曲了它周圍的空間。更進一步的還有，物體的質(zhì)量不止影響空間，還會影響時間，使時間變慢。這同樣使人很困惑，但這已經(jīng)被證實是一個很有效的理論。
116天文學的進步是很多人努力的結(jié)果。對于他的成就，牛頓說：“如果我比別人看得更遠，是因為我站在了巨人的肩膀上。”比牛頓早的時代和晚的時代里都有很多科學巨人，你可以閱讀他們的傳記或書籍來了解我們這個神奇的宇宙。
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