中世纪的天文学

3. 18、19世纪的天文学

（1）18世纪经典天文学的蓬勃发展
    18世纪是经典天文学蓬勃发展的时代。所谓经典天文学是指天体测量学和天体力学。天体测量学主要是研究和测量天体的位置和运动的，它是天文学中最先发展起来的一个分支，可以说，早期天文学的内容就是天体测量学。天体力学是研究天体运动和形状的科学，它是在天体测量学的基础上发展起来的。开普勒提出的行星运动三定律，为天体力学的建立创造了条件。牛顿提出的万有引力定律则奠定了天体力学的基础。
   18世纪，天体测量学和天体力学密切配合，相辅相成，依靠观测太阳、月球和行星的大量资料和天体力学的研究方法，总结出太阳系天体的运动和力学关系的理论。18世纪天文学的主流是为了制定历法和航海的需要而进行的精密的子午线观测、月球运动的观测和日地距离的测定等，所以天体测量学占主导地位。但在18世纪末，天体力学取得了与天体测量学并肩的地位。
　　这个时期天文学的另一特点，是国立天文台的设立。为了航海的需要，法国首先于1671年设立了巴黎天文台，英国也不甘落后，于1675年设立了格林威治皇家天文台。后来俄国的普尔科沃天文台、美国的华盛顿海军天文台也相继建成。而这个时期从事天体测量工作的主要是以天文台为基地的专业天文工作者。

    哈雷与彗星
    在航海天文学上发挥最大作用的是英国格林威治天文台，它的第二任台长是哈雷，21岁那年他毅然放弃获得学位的良机，决心去测量南天星辰的位置。在父亲的支持下，携带观测仪器，来到南大西洋，建立了一座临时天文台，一年之内便作成了第一个南天星辰表，这使他在22岁时便享有盛名，称他为“南天的第谷”。他与牛顿一见如故，致力于彗星轨道的研究，应用万有引力定律，把所有能找到充分观测资料的彗星轨道一一推算出来。他发现1531年、1607年和1682年3次观测的彗星轨道十分相似，而且预言这颗彗星将在1758年和1759年再次归来，它果然如期而来，但哈雷已于1742年去世，为了纪念他的功绩，人们把这颗彗星命名为“哈雷彗星”。1716年哈雷曾经建议观测1761年和1769年金星凌日（即金星过日面现象）来测定太阳的距离。但到实测之时哈雷却不能亲身观测了，但哈雷的建议还是实现了，而且成为观测太阳距离的一个好办法。1718年哈雷还发现了一个重要现象：恒星自行。哈雷得出结论，恒星并不是固定的，而是有它们自己的“自行”。自古以来人们总认为恒星是固定在天球上的，哈雷终于彻底打破了这个“恒星天球”。他的这一发现，在恒星天文学上开辟了广阔的园地。月亮的运行长期加速现象也是哈雷的又一重要发现。

    布拉得雷与光行差和章动
   布拉得雷是格林威治天文台的第三任台长，作为一位伟大的天文学家，他不仅测定了许多恒星的方位，而且还做出了两项重要发现——光行差和章动。
   有一次，他航行在泰晤士河上，发现桅杆顶的旗帜并不简单地顺风飘扬，而是按船与风的相对运动而变换方向。布拉得雷想到，这种情况与人撑伞在雨中行走时的情形一样，如果将雨伞垂直地撑在头上方，雨点就会滴在人身上，如果将伞稍稍向前倾斜，人就不致于淋雨了，而且人走得越快，雨伞就必须向前倾斜的越厉害。天文学上的情况与此极为相似。光从某颗恒星沿某个方向以某个速度落到地球上，同时地球以另一个速度绕太阳运转。望远镜就像雨伞一样，必须朝地球前进的方向略微倾斜，才能使光线笔直地落到透镜上。布拉得雷把这种倾斜角度称为“光行差”。布拉得雷的第二大发现是地球的章动。这是进一步观测光行差的结果。发现天体与天极的距离仍有一点细微的变化。天球各处恒星的变化分布规律使他想到，这可能是由于月球对地球赤道隆起部分的吸引而使地轴产生摆动造成的，他把这种效应称为“章动”。

测量地球
      由于人们承认日心体系，又因天体距离测量的需要，人们迫切想知道地球的大小。18世纪以来，人们又努力去探讨地球的扁平形状问题。牛顿曾从理论上推测，地球的形状是两极较扁而赤道部分突出。牛顿的看法遭到了法国学者的反对，经测量巴黎天文台认为地球是西瓜形的。争论从17世纪末开始，一直延续了半个世纪之久。为了测量准确，法国派遣远征队，到秘鲁和北极圈实地测量，用测量数据证明牛顿的理论是正确的。根据万有引力，还测量了地球的质量。

测量太阳的视差
    地球到太阳的距离通常是用太阳的地心视差来表示。地心视差指的是地球半径对天体的张角。知道了这个角，有知道了地球半径的长度，地球到某一天体的距离就很容易求出了。但困难的是太阳距离地球很远，直接测量地心差误差很大，于是天文学家转而去求行星的视差。哈雷早就提出利用金星凌日来测得太阳视差的办法。1761年和1769年天文学家做了充分的准备，组织了不少远征队到世界各地去，求得太阳视差为8’’8，被世界承认，直到1967年国际天文界都采用这个数据。

天体力学的发展与代表人物的贡献
   18世纪欧洲的欧洲数学人才辈出，由于航海事业的发展，需要更精确的月球与大行星的位置表，数学家则致力于天体运动的研究，创立了分析力学，这是天体力学的基础。
    欧拉（leonhard euler，1707~1783）是著名的数学家，对天文也有高深的研究，他第一个完整地创立了月球运动的理论。欧拉一改前人在天文学研究中只运用几何学的倾向，把高等数学这个崭新的工具运用到天体研究中，从而研究出一种新理论，这一理论不仅可以解决在海面上观测月球位置来确定经度，而且在研究天体摄动的方法上也有重大进步。
    克勒罗（Alexis Claude Clairaut，1713~1765）在1743年发表的经典著作《地球外形的理论》，阐明了地球的自转和地球的各部分间的引力对地形形状产生的影响，并推出了各纬度的地心引力公式，从而弥补了牛顿理论的不足。由于此时力学有了长足的进展，他的又一贡献是精确地计算出了1758年哈雷彗星归来的日期。经过精心计算，他指出，受土星的影响，将使哈雷彗星过近日点的日期延迟到1759年。
    达郎贝尔（Alembert，1717~1783）法国数学家，也是一名物理学家，主要成就是对岁差、章动和三体问题的研究，发表关于月球运行理论和行星运行理论的论文。
    拉格郎日（Lagrage，1736~1813）意大利数学家，在天文学上的最大成就，是创立了大行星运动的理论。他的学术见解都表述在其巨著《解析力学》中，系统地阐述了他对太阳系稳定问题的计算，证明由观测所得的行星运动的各种误差，确实是由行星间相互摄动所引起的长振动造成的，这些摄动绝不会使太阳系不稳定而终于瓦解，它们完全表现周期性的变化，所以在长时期内，太阳系是绝对稳定的，从而打消了18世纪初期人们对太阳系瓦解的担心。此外他还详细推倒了月球的长期加速运动并创立了公式。
    拉普拉斯（P.S.Laplace，1749~1827）是法国著名数学家和天文学家。其著名杰作《天体力学》集各家之大成，为18世纪牛顿学派的总汇，书中第一次提出“天体力学”的学科名称，是经典天体力学的代表作，他因此博得了“法国的牛顿”的美誉。他的另一部名垂千古的杰作是1796年出版的《宇宙体系论》，语言通俗，说理简明，深受欢迎。他一举解决了月球的长期加速度和大行星摄动这两大难题，使牛顿力学达到完美的程度。他还独立提出了太阳系的星云起源理论。

              
         拉普拉斯                     拉格郎日

              
                                 康德与星云

威廉.赫歇耳与恒星天文学
    18世纪以前天文学家的研究对象，都不出太阳系，直到威廉.赫歇耳发现天王星就大大扩大了太阳系范围。至此，恒星、双星、变星、星团、星云、银河系等，无不属于天文学家观察和探索的对象，所以天文学发展到了威廉.赫歇耳时代，才真正进入了恒星天文学时代。
    威廉.赫歇耳是天文学史上的一位巨人。1781年他发现天王星，以前人们一直以为土星是太阳系的边界，天王星的发现使人们所认识的太阳系直径增大了一倍。在太阳系内威廉.赫歇耳还发现了土星的两颗卫星和天王星的两颗卫星，但他的最大发现还是在恒星天文学范围内。1783年赫歇耳发现了太阳的自行，这比哥白尼理论又前进了一大步，根据赫歇耳的发现，人们很自然就会得出结论：太阳也不是宇宙的中心，也许宇宙根本就没有中心。赫歇耳系统观测双星，经常观测一些双星的相对位置，他发现多数双星不是表面上的“光学双星”，而是真正的“物理双星”，它们之间的相互引力使它们有物理的联系，也就是说，它们是一颗星绕另一颗星在运动。这一重要发现，说明牛顿的万有引力定律真的是“万有”的，它不仅适用于太阳系，而且适用于遥远的恒星系。
    赫歇耳的另一大功绩是对星云、星团的研究，他堪称是探测星云的鼻祖。他最大的贡献，是对银河系结构的研究。他第一个确定太阳所在的恒星系统——银河系的形状、大小和星数的人。赫歇耳确定了我们置身于其中的这个庞大的恒星系统的外貌，他确认的银河系结构工作，使人类对宇宙的认识从太阳系扩展到了银河系，他不愧为近代天文学的鼻祖。