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我们的世界,从诞生以来就一直围绕着一个巨大的火球年复一年地转动,永不止息。

这并不是显而易见的事实——人类从地球获得的经验恰恰与此相反——大地似乎才是亘古不变、稳定不动的,太阳从东方升起,从西方落下,划分日夜。太阳的地位在古代神话中也有所反映,它往往扮演了一个对人世重要但对天庭无关紧要的角色。例如,在希腊神话中,太阳仅仅是阿波罗(Apollo)手中的金球;在中国古代神话中,太阳也不过是天神的马车上的车轮。在人类的日常经验中,太阳和月球的大小似乎相差不多。这也对人类认识太阳和地球的关系造成了障碍。人们自然而然会觉得太阳和月球是地位类似的天体,因为从视觉上来说,它们都在离地球差不多遥远的地方。

为了研究天体运动,古希腊天文学家提出了「天球」的概念。这是一个假想的球面,以观察者或者地球的中心为中心。日月和夜晚的星辰,都可以在这个球面上标出来。大多数星辰在天球上的相对位置似乎永远不变,因此被称作恒星。星空以一年为周期围绕地球转动。对北半球中纬度的观测者来说,每年的夏夜,他们总是在天顶附近看到明亮的织女星和牛郎星隔着银河相望。到了冬季,整个天空最亮的恒星——天狼星就会如约出现在东南方向。古希腊天文学家将夜空中的恒星划分为不同的星座以方便人们记忆。每年的同一个夜晚,天空中出现的星座总是相同的(整个天空有 88 个不同的星座)。

太阳和其他恒星不同,它在天球上的位置会移动。如果我们让大地变成透明的,并且暂时抽去地球上的大气,我们就可以在任何时刻看见整个天空的星辰罗渽民家境。我们会发现,4 月的时候,太阳和白羊座的恒星待在一起,8 月的时候会移动到狮子座,而隆冬 12 月时则从蛇夫座移入人马座。每一年,太阳都会沿着这条线路走一圈,途经 13 个星座。太阳在天球上的这条路径被称作黄道,相对应的星座有时被称作黄道星座。

除了月亮,在天球上还有 5 个天体的行为明显有别于恒星,它们就是水星、金星、火星、木星、土星都市医圣王杰。这 5 个天体都明亮而容易抖音孙未用肉眼观察。尤其金星,是夜空中仅次于月亮的明亮天体,比夜空中最亮的恒星天狼星明亮 20 倍地铁冲浪电脑版。人们称这五颗亮星为「行星」,因为和静止不动的恒星不同,它们在天球上的运动显而易见。例如,木星以 12 年为一周期在天球上运转。中国古代天文学家将其称作岁星,并以此为基础制定了地支纪年。

如何理解这些天体的运动?古爱闪亮演员表 清蒸蜂蛹 520神泣希腊天文学家认为,宇宙实际上是由一系列同心圆构成,地球处在圆心,太阳、月亮、水星、金星、火星、木星、土星,每一个天体占据了一层宇宙,在同心圆上绕着地球转动。而其他星体则集体在最外层占据了一个球面,这个球面绕着天轴转动。这种宇宙观反映了当时的哲学理念:宇宙应该珉钧场站是完美的,天体系统应该永恒平稳地运转。

然而,希腊人发现他们「完美」的宇宙模型上有点小问题,那就是行星的「逆行」。这是一个行星运动中令人困惑的现象。在夜空中,行星在天球上的运动轨迹大致是自西向东。但在某些时候,人们会观测到行星运动的速度渐渐变慢,直到停滞不前,并向反方向短暂地运动一段时间。在不久后,它们又会再次「扭头」踏上原来的轨道。在「完美」的宇宙模型中,行星的逆行显得不合规矩,但希腊人也对此无可奈何,只能忍痛对宇宙模型修修补补。到了公元 140 年前后,这套模型已经变得无比繁复。出生在希腊的罗马天文学家克罗狄斯・托勒密(Claudius Ptolemaeus)被公认是古代天文学理论的集大成者。在他出版的天文巨著《天文学大成》(Almagest)中展示了当时最先进的宇宙。在这本书里,地球已经被稍稍地移开了宇宙的中心,所有行星的轨道变成了偏心圆。除此以外,每个行星都有一个属于自己的小轨道,被称作「本轮」。本轮套在偏心圆轨道上运动,而行星则在本轮上运动。

直到 16 世纪为止,托勒密的理论统治了天体运行理论 1000 多年。这很奇怪,托勒密的理论计算繁复,而且也并不是纯正的地心理论。它实际上违背了古希腊人所崇尚的完美和平衡的宇宙观——偏心轮这样的构造更像是出现在机械匠人手工淳报网间里的奇巧淫技,而不应该出现在神灵创造的天空中。但另一方面,托勒密体系确实也很好地解释了行星的运动和逆行现象。16 世纪,尼古拉・哥白尼(Nicolaus Copernicus)提出了革命性的太阳中心理论。在哥白尼的宇宙模型中,太阳被放到了宇宙的中心,一切天体都围绕着太阳转动。但直到哥白尼去世半个世纪后,日心说仍然无法压倒托勒密的地心理论,从预言的准确程度上来看,它们差不太多。而不管哪一套理论,都无法准确地预言行星的运动,大行星似乎总是在某些时候走得过快了一些,有时又走得慢了一点。

图 1.1 托勒密的地心说模型,地球、行星轨道示意图。行星在一个被称作本轮的小圆上运行,小圆又套在灵玉财迷道长一个被称作均轮的大圆上运行。均轮的圆心用五角星邓海峰通缉令代表,稍稍偏离地球

地心说的缺陷毕竟在一步一步地暴露。17 世纪初,望远镜在荷兰诞生。这种仪器是将两个透镜用一根金属长管连接起来。第一个透镜被称作物镜,用来收集光线,并汇聚起来。这些光线被第二个透镜修正后生成人眼可以直接观察的实像。望远镜收集光芷江受降旧址和纪念馆线的能力和物镜的面积成正比例关系。物镜直径增加 10 倍,望远镜收集光线的能力就增加帝隆玛咖 100 倍。望远镜还可以使观测者分辨更精细的图像,这种能力和望远镜的直径成正比例关系。人类的眼睛本身是一套精巧的光学系统,但人眼收集光线的面积很小,大致等于瞳孔尺寸。这样的能力足以使人类在自然界分辨敌害,甚至也足以使得人在昏暗的蜡烛或油灯下分辨羊皮纸上手写的小字。但说到仰望星空,人眼能力终究有限。早期的望远镜非常简陋,但物镜的面积要比人眼的瞳孔大上几十倍,早期的望远镜大大提高了人类的视力。

1609 年,伽利略第一次将望远镜技术应用到天文观测中。他惊奇地发现,夜空中横亘的银河原来是由无数的星星构成的。当他将望远镜指向木星时,他发现在木星周围居然还有四颗小小的天体。很明显,这些天体是在围绕着木星做周期转动的卫星。其中,转动最快的一个卫星,在一个晚上就能发现它明显的位移。既然有天体可以围绕着木星转动,而不是以地球为中心,那么太阳有什么理由一定要围绕地球转动呢?

1573 年,哥白尼去世 18 年后,约翰尼斯・开普勒(johannes kepler)出生于德国的威尔德斯达特镇。开普勒幼年贫穷,由祖父抚养长大。他的视力很差,可能是幼年的天花造成的。终其一生,开普勒很少真正坐到望远镜前,但他仍然被认为是欧洲一流的天文学专家,因为在数学计算方面,开普勒罕有敌手。开普勒是哥白尼学说的信徒,不仅仅是科学上的原因,也有神学上的动机。在开普勒的想象中,上帝创造的世界一定具有完美的几何特性。几何学一共存在 5 种不同的正多面体:正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体和正二十面体。每一个正多面体总是存在一个内接球(内部能放下的最大球体)和一个外接球(正好包裹多面体的球体)。如果将 5 种正多面体嵌套起来,就可以将空间分为 6 层。开普勒相信这并不是巧合。在他的假想中,如果将太阳放到宇宙的中心,那么水、金、地、火、木、土这 6 颗行星的轨道应该正好可以放入 5 个层层嵌套的正多面体分割的 6 层球壳中(图 1.2)。这是多么完美!

1596 年,在开普勒的第一本天文学著作《宇宙之谜》(The mystery of

the Univ猫咪公主成就攻略erse)中,他热情地描述了自己完美的宇宙理论,并辅以初步的计算结果。然而,欧洲的天文学家并不十分买账。在哥白尼之后的半个多世纪里,天文学观测精度提高了不少。而开普勒仍然在用哥白尼时代的旧数据曲米茶去验证自己的理论,显得不那么合适。数据的质量在之后很多年里困扰着开普勒。1600 年,开普勒接到当时最著名的天文学家第谷・布拉赫(Tycho Brahe)的邀请,前往布拉格阳光威尼斯业主论坛,去做他的助手。这正是开普勒梦寐以求的机会。

第谷可能是望远镜发明以前最伟大的观测天文学家。他改造了六分仪和四分仪,使得它们对角度的分辨力大大提高。第谷可以用赖俊健自己改造的仪器在 1 角分的精度上研究行星的运动。读者可以将自己的手臂向前伸直,与眼平齐,竖起食指,此时食指所能遮掩的角度大约是 1 度。第谷的观测精度是这个角度的 1/60。

图 1.2 开普勒最初的宇宙模型。水、金、地、火、木、土这 6 颗行星的轨道应该正好可以放入由 5 个层层嵌套的正多面体定义的轨道上。《宇宙的奥秘》(Mysterium Cosmographicum)(1596)

第谷的一生都致力于高精度测量行星的运动。在邀请开普勒时,第谷是神圣罗马帝国皇添香吴辰岑帝鲁道夫二世的皇家天文学家,他的工作是将自己一生积累的行星观测结果编为一个以他的赞助人鲁道夫二世命名的星表。这些数据正是开普勒所需要的,他深信这些数据可以证明自己的正多面体模型,于是欣然踏上了旅程。

第谷和开普勒的合作并不愉快。第谷有自己的一套宇宙模型,介于日心说和地心说之间,在这个模型里,所有的大行星都绕着太阳转动,而太阳又绕着地球转动。第谷希望利用开普勒的数学才华来研究自己的模型,但开普勒却是坚定的哥白尼门徒。开普勒无法从第谷那里获得行星运动的全貌,因为第谷对他充满了戒心,只是一点一点地、施舍式地提供给他只鳞片爪的数据。开普勒没有能够取得研究的进展,反倒是花了大量的精力为第谷撰写攻击研究对手的文章。

这份合作非常短暂,6 个月后第谷不幸因一场突如其来的疾病去世。在弥留时刻,第谷终于将所有的数据交给了开普勒。他对开普勒说:「不要辜负我的一生。」

在随后的数年里,开普勒终于能全身心投入解决太阳系运行的问题里。他很快发现自己的正多面体模型有严重的问题。水星的运动完全无法用这个模型预测。其他行星的运动也只是勉强和模型对得上。是第谷的数据错了吗?开普勒拒绝相信这个原因,和第谷一起工作过的他完全信任数据的精确度。开普勒只好痛苦地承认,自己「完美」的宇宙模型出了问题。但他距离真正的答案已经不远了。在重新审视了数据后,开普勒发现了解开谜团的关键之处——行星的轨道是椭圆曲线,而不是正圆,太阳处在椭圆的一个焦点上。这就是开普勒第一定律。而他也找到了正确描述行星运动的法则:行星在椭圆轨道上运行,当它远离太阳的时候,它的速度就会变慢;当它接近太阳的时候,它的速度会加快。如果我们将行星和太阳连成一条一车面包人线,那么,这条线在单位时间内扫过的面积总是相同的。这就是开普勒第二定律。在数年后,开普勒又发现了开普勒第三定律:行星围绕太阳运动的周期正比于其轨道果本诗婷露雅适合年龄半长轴的三次方。开普勒的研究取得了巨大的成功。从此以后,只要确定任意时刻的行星位置,根据开普勒定律,人们就可以完全、精确地预测它之后的运动。

为什么行星会如此运动?1687 年,艾萨卡鲁梅尔克・牛顿(Isaac Newton)最终找到了蕴含在开普勒定律里的奥秘——万有引力定律。牛顿认为宇宙中任意两个物体之间都存在相互吸引的欧尚乐品力,这个力的大小与其距离的平方成反比。而开普勒的行星运动定律,正是牛顿引力定律的直接推论。

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