天文学概述:从“日心说”到“大爆炸”

天文学史上将日心说称为“哥白尼革命”,但是哥白尼本人提出这套理论的目的,并不是为了“革命”。而是要“恢复”古希腊完美天体的理念。托勒密的后继者们,随着观测越来越多,计算出80多个本轮来。这种复杂性完全违背了毕达哥拉斯学习和柏拉图主义“简单、完美”的宇宙论。哥白尼要寻找一种更简单的方式来描述复杂的天体运动。

经过18年的研究,哥白尼把80多个本轮,俭省到34个,但这仍不能算是简洁的、和谐的、完美的天体运动。还没等哥白尼进一步完善自己的理论,便已经与世长辞了。在奥西安德教士的监督下,以一种解释天体运动的“数学模型”出版。后来遭到教会的禁止。完善日心说理论的任务,只能由后来者继承了。

天文学概述:从“日心说”到“大爆炸”

伽利略:地心说的否定

《天体运行论》发表之后,只被少数数学家青睐,影响力是及其有限的。伽利略听说荷兰人发明了望远镜,于是自己尝试着制作,并成功发现了木星的四颗卫星。这个伟大的发现,使得伽利略对哥白尼的日心说无比信服。后来伽利略进一步观察发现了金星跟月球一样,也有相位变化。进一步证明了金星是围绕太阳转的事实。

后来的发现还有很多,比如月球上面的环形山,比如银河实际上是由很多遥远的恒星组成,比如太阳黑子活动。伽利略用望远镜观察到的天文现象,沉重的打击了亚里士多德那一套同心圆宇宙模型。用肉眼可见的事实,彻底否定了“地球是宇宙中心”这个观点之下的所有宇宙论。

天文学概述:从“日心说”到“大爆炸”

开普勒:日心说的完善

开普勒的第谷的助手,第谷在政府资助下进行了20多年的天文观察,掌握了大量的精确数据,建立了一套介乎日心说和地心说之间的调和主义学说。太阳和月亮绕着地球转,金木水火土围绕太阳转。只是可惜他的数学不太好,没有办法用详实的轨道计算来发现这个“地静日动”宇宙模型的缺陷。

当时发现有一个“恒星周年视差”的现象始终无法得到解释,在重病期间第谷把这项任务交给了开普勒。开普勒深信宇宙是按几何原理来构造的,他先采用“偏心圆-本轮”模型计算火星运行轨道,发现周年视差与观察数据查了8分。基于对第谷的了解,他对第谷记录的数据深信不疑,他继续计算地球运动同样有偏差。于是放弃了这两种宇宙模型,开始采用哥白尼日心说宇宙模型来计算,有很快发现哥白尼所说的匀速运动是不存在的,天体在近日点和远日点速度是不同的。

天文学概述:从“日心说”到“大爆炸”

经过累年的计算,开普勒提出三条关于行星运动的定律:1、行星轨道是椭圆的,太阳位于椭圆焦点。2、太阳与行星之间距离相同时间内扫过的面积相等。3、行星公转周期的平方与轨道半径的平方成正比。开普勒不仅纠正了哥白尼“完美轨道”和“匀速运行”的错误,还为牛顿万有引力定律的提出奠定了基础。

牛顿:日心说的胜利

牛顿在科学史上是可以“封神”的人物,他的贡献实在太多,这里我们只讨论关于宇宙论的那一部分——万有引力。日心说日趋完善后,很多人百思不得其解,太阳是在宇宙中心,在我们头顶上,而东西是往下掉?笛卡尔的漩涡理论曾风靡一时,后被可以进行数学计算的万有引力定律所取代。

伽利略系统研究了自由落体运动、惯性、加速度等问题,既然改变一个物体的匀速直线运动需要借助外力才能实现,那么行星为什么不沿着轨道进行“完美匀速”运行呢?是什么力改变了行星轨道和运行速度?为什么地球总是绕着太阳转,而不会直线运动到外太空去?牛顿一开始认为月球和其他行星轨道跟伽利略的抛射定律相似。

天文学概述:从“日心说”到“大爆炸”

苹果落地的事件,给牛顿的启发是,之所以石块不能抛出地球的界限,很有可能跟苹果落地受到的是同一种力。根据这种假设,利用伽利略加速度公式和开普勒第三定律,牛顿得出物体下落速度的变化速率与该物体距离地心的平方成反比。运用这个发现计算月球加速度时候,相差太多,导致牛顿大失所望把这个问题搁置了十五年。后来推测可能的地球半径数据不准确导致的。

在微积分创立之后,地球半径也计算得比较精确了,牛顿这次的推算很顺利。用了十八个月的时间,写出《自然哲学的数学原理》。其中阐述了牛顿三大定律:1、如无外力,运动状态保持不变。2、物体加速度和外力成正比,加速度方向和外力方向相同。3、作用力等于反作用力。这第三条就是发射火箭的基本原理。牛顿定律的出现,标志着日心说的完全胜利。直到后来的“大爆炸”理论出现。

天文学概述:从“日心说”到“大爆炸”

大爆炸理论的出现

“大爆炸”理论,经历了三个步骤。1、哈勃,1922年发现“红移现象”。1929年宇宙膨胀说。2、勒梅特,1932年原始原子爆炸假说。3、伽莫夫,1940年“热大爆炸”假说,预言宇宙微波背景辐射,1964年证实。由于篇幅所限,要分开多篇来讨论这个理论的形成和论证的过程。


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