|
中世纪的天文学 |
|
|
|
2 . 近代力学宇宙体系的确立 哥白尼《天体运行论》发表近150年之后，于1687年出版了牛顿具有历史性的、阐述万有引力理论的巨著——《自然哲学的数学原理》。 在这150年中奇迹相继在欧洲天文学界发生。欧洲人急速地倒向哥白尼的地动学说，首先是丹麦天文学家第谷·布拉赫所做的非常精密的天文观测，在没有望远镜的年代，全凭肉眼，达到了肉眼观测的最高水平。第二个奇迹是德国天文学家开普勒根据第谷遗留的大批资料，于1609年提出了行星运动的第一、第二定律，10年后又提出了行星运动的第三定律，而这正是牛顿推导万有引力定律的出发点。第三个奇迹是意大利物理学家伽利略于1609年发明天文望远镜，从而揭开了天文观测的新纪元。牛顿将哥白尼、第谷、开普勒、伽利略和其他学者在天文学和动力学上的发现汇集起来，加上在数学和力学上的创见，概括成经典力学体系，运用他的运动定律和万有引力定律解释极其广泛的自然现象，从天体运行、潮汐涨落到物体坠地，做出统一解释，成为科学史上最伟大的成就之一。 希腊思想家很早就提出宇宙究竟有多大的问题。空间是不是向各方伸展没有止境呢？是否被某种界限所包围？那么界限之外又是什么呢？除了我们的宇宙还有别的宇宙吗？我国古代很早也展开过讨论。 首先提出宇宙不能只有一个中心，将太阳和其所属的恒星从宇宙中心的优越位置推开的人是意大利的布鲁诺，他把太阳看作是宇宙里无数类似体系中的一个，因此遭到教会的迫害。布鲁诺一接触到哥白尼的《天体运行论》便摒弃宗教思想，只承认科学真理，并为之奋斗终身，用他的笔和舌毫无畏惧地积极颂扬哥白尼学说，无情地抨击宗教的陈腐教条。他在《论无限、宇宙及世界》中，提出了宇宙无限的思想，他认为宇宙是统一的、物质的、无限的和永恒的。在太阳系以后还有无数的天体世界。人类所看到的只是无限宇宙中极为渺小的一部分，地球只不过是无限宇宙中一粒小小的尘埃。布鲁诺指出，千千万万颗恒星都是如同太阳那样巨大而炽热的星辰，这些星辰都以巨大的速度向四面八方疾驰不息，它们的周围也有许多像我们地球这样的行星，行星周围又有许多卫星。生命不仅在我们的地球上有，也可能存在于那些人们看不到的遥远的行星上……。布鲁诺勇敢的一击，将束缚人们思想达几千年之久的“球壳”击的粉碎。布鲁诺的卓越思想使与他同时代的人感到茫然，为只惊愕！一般人认为布鲁诺的思想简直是“骇人听闻”，甚至连那个时代被尊为“天空立法者”的天文学家开普勒也无法接受，布鲁诺在天主教会的眼里是十恶不赦的敌人，把他囚禁，审讯和折磨竟达８年之久！但一切恐吓和威胁利诱丝毫没能动摇布鲁诺相信真理的信念，1600年在罗马白花广场英勇就义。 由于布鲁诺不遗余力的大力宣传，哥白尼学说传遍了整个欧洲。天主教会深知这种科学对他们是莫大的威胁，于是在1616年决定将《天体运行论》列为禁书，不准宣传哥白尼的学说。 最终使旧天文学基础发生动摇、天文学得以抬头，促使哥白尼理论确立的是丹麦天文学家第谷·布拉赫。作为一位观测者，第谷比哥白尼的贡献更大，他虽然并不相信哥白尼的理论，可是他对于这一理论的最终胜利却做出了重大贡献。 1572年第谷发现了一个超新星，并认为它应该是恒星之类的星辰，把观测结果写成了《关于新星》的论文，使恒星一直被认为是永恒不变天体的观点发生了动摇，对后世颇有影响。鉴于他的声望和观测才能，国王拨巨款、第谷亲自指导在海滨小岛修建一座富丽堂皇的天文台，精密的天文观测是他的擅长，他创制了新的观天仪器，对旧仪器也做了不少改进，他所做的观测精度之高，是他的同时代人望尘莫及的，他编制了一部恒星表相当准确，至今仍然有使用价值。 第谷的另一成就是对彗星的观测。当时被认可的观点是彗星是一个来无影去无踪的怪物，出没和运行无规律，因此不可能是天体，只是大气中的现象。第谷通过对1577年出现的大彗星的观测，首次打破了传统的观点，他发现彗星的运行轨道远在月球运行轨道之外，并且可以穿越行星天层而不会有任何阻碍。 第谷对天文学最值得称道的贡献是他对行星运动的长期观测，积累了大量极为丰富的观测资料，在临终前夕毫无保留地交给了他的继承人开普勒，从而成了开普勒推行行星运动定律的“原材料”和建造科学大厦的基石。 第谷遗留下来的数据资料中，火星的资料是最丰富的，而哥白尼的理论在火星轨道上的偏离最大，所以开普勒的第一项工作是重新观测火星的数据运动。开始，开普勒用正圆编制火星的运行表，发现火星老是出轨。他便将正圆改为偏心圆。在进行了无数次的试验后，却跟第谷的数据不符，产生了8分的误差。正是这个不容忽略的8分使开普勒走上了天文学改革的道路。他敏感的意识到火星的轨道并不是一个圆周。他想象太阳射出的力线像从车轮的中心部发出的，当太阳自转的时候，这些力线就推动了行星。距离太阳远的行星，受到的力就弱，因而运动也就缓慢。从而想到火星的轨道绝不是正圆，应当是椭圆，他进一步研究其他几颗行星的运行轨道，发现也是椭圆，于是他归纳出行星运动的第一定律，即所有行星绕太阳运转的轨道是椭圆的，其大小不一，太阳位于这些椭圆的一个焦点上。接着开普勒又推断出第二定律：向量半径（行星与太阳的连线）在相等的时间里扫过的面积相等，由此得出了行星绕太阳运动是不等速的，离太阳近时速度快，离太阳远时速度慢的结论。这一定律进一步推翻了唯心主义的宇宙和谐理论，指出了自然界的真正的客观属性。由前人的测量误差“引起了天文学的全新革新”。但是开普勒并没有停滞不前，他继续探讨行星的公转周期与行星到太阳的距离之间的关系，经过长达16年的繁重、复杂计算和许多失败后，终于发现了行星运动的第三定律，即行星公转周期的平方与行星和太阳的平均距离的立方成正比。这一定律将太阳系变成了一个统一的物理体系。 旧教力学原理认为运动需要一个持续的推动力，如果没有一个永恒的力的作用，诺大一个地球怎么会风驰电掣般运动呢？第一个起来推翻原有的力学理论的是伽利略，他指出单凭直觉的推理是靠不住的，而且常常会导致错误的结论。伽利略用实验的方法，考察了运动的实质，澄清了哥白尼的理论，扫清了力学上的障碍。 伽利略在力学上的一项发现叫做惯性定律，他的这一发现，在天体运动问题上具有重大意义，人们终于明白，原来需要外力的不是运动本身，而是运动的改变。物体既然具有惯性，天体的运动自然就不神秘了，行星系一旦能够运动，就无需外力来维持，就可以持续地永恒运动不息了。 扫清了力学上的障碍，伽利略又从另外两方面大大推进了哥白尼学说的发展，其中之一就是创立了望远镜天文学。1609年伽利略用他初创的望远镜观察月亮，打破了几千年人们认为的月亮是皎洁无暇的观念，发现了那上面竟有苍苍的大山和广阔的平原，还有无数像火山口那样的环形山，月球上的地形与地球结构几乎毫无两样，这一发现使伽利略欢喜若狂。1610年伽利略测得木星和其周围的卫星，他所看到的木星体系，就像是太阳系的一个缩影，他由此断定，地球也必然是这样带着自己的卫星——月亮绕着太阳运行。后人们为纪念这一发现，将伽利略发现的4颗卫星，取名为伽利略卫星。同年他又把望远镜指向金星，惊奇地发现在地球上观测金星，它与月亮一样，也是有规律地发生位相变化。伽利略借助望远镜发现了许多新的天象，“哥伦布发现了新大陆，而伽利略发现了新宇宙”。 但是伽利略宇宙研究的观点得不到教会的支持，他被判终身监禁，只得“不以任何方式、言语或著作，去支持、维护或宣传地动的邪说”。但地球仍在转动，他倒下的时候，已经将哥白尼的学说推到了最终胜利的阶段。 苹果落地现象使牛顿考虑到地心引力是否可以达到月球，使月球在轨道上运行，他重新研究开普勒的行星运动定律，得出引力随距离变化的规律，并计算出地球施加到月球上的引力就是使月球在其轨道上运行的力量。太阳同样也在行星上施加同样性质的力，是行星在各自的轨道上运行，开普勒凭经验认识到行星的运行轨道是椭圆的，牛顿根据他的引力定律，用数学的方法，推出了同样的结果。经过多年的辛勤研究后，牛顿终于将苹果落地的力、维持月球在其轨道上运动的力和一切天体相互吸引的力，都统统归结为一种力，而且还证明这种力产生于物质所共有的一种性质，因而使宇宙中各质点间相互吸引，引力的大小与两质点的质量和其之间的距离有一个确定的关系，这个关系叫做万有引力，即万物彼此之间相互吸引，引力的大小与物质的质量成正比，与它们之间的距离的平方成反比。 牛顿以后的天文学家沿着他所开创的道路，解释了许多天体现象，并且形成了由数学去研究天体运动的专门学科——天体力学。 与牛顿同时代的伟大天文学家哈雷（1656~1742），根据引力定律，计算了1682年大彗星的轨道，后来这颗彗星被命名为哈雷彗星，他还预言1759年这颗大彗星将再次出现，后来真的如哈雷所预言而出现了，这为牛顿定律的真实性和天体力学方法的可靠性，提供了勿庸质疑的证据。后来在19世纪40年代英国天文学家亚当斯和法国天文学家勒威耶又计算出海王星的存在，至此可以说牛顿力学得到了确定无疑的证明。 从哥白尼到牛顿的150年，人类对于宇宙的认识彻底改变了，新的理论和观测无不证明：地球不是宇宙的中心，太阳并不围绕地球旋转；天体不是匀速在圆形轨道上运行，而是在比较复杂的曲线轨道上运行；而且难以测定的彗星，实际上是遵循着一定的轨道在围绕太阳运行，它们的再度出现可以按照天体力学的一般定律加以预测；太阳也不是一成不变的，其表面有变化着的黑点；星辰在天穹或隐或现，星的光亮有周期性变化。这众多的天文学发现加上同期物理学领域的许多发现，人类认识自然的知识比两千年前“希腊人的奇迹”大大丰富了，宇宙真正体系的发现无情地摧毁了地动说，占星术自16世纪以来就日落西山了，近代力学宇宙观确立起来了。 |