我們如何知道地球和其他行星繞著太陽轉,而不是繞著地球轉的?

網友提問

:我們怎麼知道地球和其它行星圍繞太陽轉動、而非反之?

:這是個很好的問題。在行星(包括地球)圍繞太陽轉動這一事實被接受後,一度並沒有直接證據證明是地球、而不是太陽在運轉。

我們如何知道地球和其他行星繞著太陽轉,而不是繞著地球轉的?

古希臘天文學家阿利斯塔克(Aristarchus)發現太陽比地球大得多,因此覺得是地球圍繞太陽轉動。哥白尼(通常認為是他提出了日心說)認為以太陽為中心的太陽系更符合邏輯、更優美,但沒有確切證據。開普勒發現,如果太陽是中心,則支配天體軌道的法則會變得更簡潔。牛頓證明這是由萬有引力定律引起的。如果引力發揮作用,那地球和其它行星必定圍繞太陽運轉,因為後者重得多。

我們如何知道地球和其他行星繞著太陽轉,而不是繞著地球轉的?

圖解 : 地心說(上圖)與日心說(下圖)二者模型之比較

起初沒有地球運動的直接證據。直到1725年,詹姆斯 布拉德利(James Bradley)發現了恆星光行差(stellar aberration)- 由於地球自身運動、天空中所有恆星位置的明顯年度變化;恆星發出的光線速度與地球自身速度疊加,就產生了畸變。這是一種非常複雜的現象,需要使用數學語言來描述。

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圖解:光行差可以由速度疊加的原理解釋。在沿EE'方向運動的觀察者看來,天體S好像位於S'的方向。

證明地球運行的另一個更簡單的推論是恆星視差(stellar parallax)。如果地球改變其相對於恆星的位置,看起來就是恆星的位置在一年中產生變化。

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圖解:恆星視差以秒差距為基礎,這是從太陽到天體的視差為1角秒的距離。 (1天文單位和1秒差距是不同的尺度,1秒差距相當於206,265天文單位。)

有個解釋視差的常見實驗:一次只用一隻眼睛觀看近處的一個物體(手指、鉛筆等)。當你切換左右眼時,該物體看起來就像在背景上移動。目標離你眼睛越近,效果越明顯。

視差與光行差不能混淆:視差源自地球自身位置的改變、取決於其與行星的距離;而光行差則是由地球運動的極高速度產生,與恆星遠近無關。

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圖解:由於觀察點的改變,一個物體相對於遠方背景的移動,顯示視差的簡化插圖。當從"A點"觀察時,該物體顯示在藍色方格的前面。當從"B點"觀察時,顯示該物體移動到紅色方格的前面。

恆星視位的變化非常微小(因為恆星離我們很遠)。因此直到1838年,貝塞爾(Bessel,德國天文學家和數學家)才首次測量出了一顆恆星的視差。這個發現非常重要,因為亞里士多德認為,觀察不到恆星視差,就是地球不會運動的證據(他既沒有望遠鏡、也不知道恆星如此遙遠)。

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圖解:這張圖像演示視差。太陽位於路燈的上方,太陽和路燈在水中的倒影是虛像。虛像的位置是在水面的下方,提供了一個不同的點瞭望路燈,顯示出相對於太陽的位置有了改變。

證明地球運動的第三個發現是多普勒效應。我們接收到來自相對我們運動的物體所發出的光,其波長在我們接近光源時變短(即,更藍)、遠離光源時變長(即,更紅)。當地球朝一顆恆星移動時,恆星看起來會略微偏藍(只有高科技設備能測量到),而當地球位於軌道另一側並朝相反方向運動時,它看起來會偏紅。該效應表明地球具有相對恆星的速度,類似光行差。

我們如何知道地球和其他行星繞著太陽轉,而不是繞著地球轉的?

圖解:天鵝周圍水流的多普勒效應

所有這些現象都展示出地球相對於其它物體的運動。值得注意的是,根據相對論,我們總能進入某個地球並不運動的參考座標系 - 即它的“慣性”座標系。因此,從技術上說,可以定義一個地球靜止的參考座標系,在其中太陽、行星與其它恆星圍繞地球轉動。但製作這樣一個與我們對多普勒頻移和視差的觀測相一致的座標系是非常複雜的。而在地球的確運動的參考座標系中解釋我們的觀測、則要容易得多,正如奧卡姆剃刀定理告訴科學家們,如有可能,儘量簡潔。

我們如何知道地球和其他行星繞著太陽轉,而不是繞著地球轉的?

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3. curious- Amy

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