哥白尼革命.doc

哥白尼革命第二组：组员： 5100209127 李 林5100209128 彭 吉 5100209325 孙承铭5100209350 董 杨 5100309130 陈 开5101209098 檀 天 5101509073 张浩然5101619019 凌雨涵 5103709098 万 婧5103709225 徐双全 5104139006 陆永帅 指导老师：钮卫星 2013.3.第一章日心说产生背景。31.1日心说产生的社会背景。31.2哥白尼生平简介。4第二章日心说的提出.。62.1托勒密的地心地静说。62.1.1 地心学说的提出。62.1.2行星逆行现象。72.1.3本轮均轮解释逆行现象。72.2哥白尼的日心地动说。82.2.1哥白尼提出日心说的动因。82.2.2哥白尼日心说的核心内容。92.2.3日心说存在的问题。9第三章日心说产生的影响。103.1哥白尼革命在天文学方面的影响。103.2哥白尼革命在宗教、人文学科方面的影响。11结论。12参考文献。13摘要现在人们常常用“哥白尼革命”来形容当时哥白尼在天体运行论中提出日心学说这一事件。这一事件是近代西方科学史承前启后的里程碑，因此一直是众多研究科学史的专家所关注的焦点。哥白尼革命的对象是在中世纪有着神圣地位的托勒密地心地静说，而其核心内容是日心地动说。这一理论提出的社会背景、哥白尼提出日心地动说的个人原因，日心地动说的内容以及它产生的影响是什么，都是值得我们不断研究的课题。关键词：哥白尼 哥白尼革命 日心说第一章 日心说产生背景其实在两千多年前，远远早于哥白尼的古希腊人阿里斯塔克就提出过日心地动学说。但是这一见解并未得到很好的流传，不像哥白尼的日心说实现了天文学史上的一次重大变革。产生这一现象有很大一部分原因是他们生活的不同时代，有学者提出，如果哥白尼生在阿里斯塔克的年代，那么结局将于他无异。当然，哥白尼将他的发现压制数十年才敢于出版也正是由于当时的宗教势力强大所造成的。1.1日心说产生的社会背景中世纪大抵是指古代文化的没落到意大利文艺复兴之间的一段时期。在这段黑暗的时期中欧洲的科学基本处于停滞状态，天文学也并不例外。公元前2世纪之后，地中海文明日益被罗马统治，并且跟随着罗马帝国的兴衰而变化。罗马霸权的衰落使得地中海文明一蹶不振，托勒密和医学家盖伦都是古代文化中最后的科学家。在他们之后，西方的科学著作主要以注释性和百科全书式为主，在科学研究方面停滞不前，活动基本停止。公元7世纪，随着伊斯兰的入侵，欧洲基督教的地理中心向北转移，西方的学术活动气息甚微，连那些体现着古代研究传统典籍都丧失殆尽，人们仅能通过6世纪早期整理出来的一些不完整的拉丁译本来了解古代科学。直到中世纪后期，欧洲的城市兴起，商品经济得到很大发展。远航探险以寻找殖民地和新资源，扩大贸易市场的需求使得星表、星图和航海地图知识变得尤为重要起来，这直接促进了天文学的重新发展。随着观察仪器的不断改进，观测方式的不断进步，人们在使用托勒密的地心体系进行行星位置的推算时发现推算结果与观测结果不符，而且托勒密体系所需要的均轮和本轮数目越来越多，达到80个左右，如此繁复的体系也让当时人们对地心说的正确性产生了一定怀疑。然而中世纪的欧洲，以罗马以罗马教皇为首的天主教会的势力十分强大。神权胜过君权，成为了当时欧洲国家的实际统治者，国王的加冕都需要通过教皇的允许。而天文学就在这样的中世纪里与基督教结合了起来。按照基督教的教义，自然界是上帝创造出来的，地球在宇宙中应占有神圣的地位。而托勒密体系正好为基督教义提供了所谓的“科学根据”，它的地位一下子凸显出来，变成了与宗教教义同样神圣不可侵犯的理论，如果有谁敢对托勒密体系有所怀疑，那就是对基督教的大不敬，是对上帝的质疑，是对神圣的亵渎。13世纪，天主教会按照神学面貌对亚里士多德托勒密理论进行了改造之后，把它定为宗教信条，以致在御用天文学家甚至整个西方社会中奉若神明。“地心说”就这样和教会神圣不可侵犯的权威连在一起。13世纪时，一位通晓天文学的西班牙卡斯提腊国王阿尔芳斯曾感到托勒密体系的结构的过于复杂，说了一句“上帝创造世界的时候要是向我征求意见的话，上天的秩序可能安排得更好些”，便被指控为异教徒，连王位也被废除了。在这种历史背景下，哥白尼不得不慎之又慎，将日心说压制了三十多年。1.2哥白尼生平简介尼古拉哥白尼在1473年2月19日出生于波兰畔的托伦市的一个富裕家庭中。在哥白尼十岁的时候，父亲因病去世，他和兄长安杰伊一起被送到舅舅乌卡什瓦兹洛德家中抚养。舅舅瓦兹洛德先后把哥白尼送到当地条件一流的学校就读，还经常在天文学、法学、数学等各个方面指导哥白尼。舅舅瓦兹洛德博学多才，是一名杰出的人文主义学者，是家乡地区文艺复兴的先驱，他对哥白尼的一生产生了重大的影响。1491年，哥白尼在波兰旧都的克拉科夫大学（Krakw University）求学，学习医学和教会法，并且师从于在数学和天文学方面颇有影响的沃伊切赫勃鲁泽夫斯基教授。沃伊切赫教授不仅对亚里士多德和托勒密的天文学理论深有研究，而且还是一名人文主义学者，在讲授天文课的时候，往往旁征博引，触类旁通，结合相关的数学和人文主义思想内容。在沃伊切赫的指导下，哥白尼对当时整个天文学的状况有了较为全面的了解。在克拉科夫大学求学期间，哥白尼还遇到了一位对他产生巨大影响的人卡里玛赫。卡里玛赫是一名著名的人文主义学者，因密谋推翻反动腐朽的罗马教廷，创建共和国而受到教皇通令追捕。早在哥白尼上中学的时候，经哥白尼的舅舅介绍，卡里玛赫就曾亲自指导过他的数学及天文学。他对哥自尼说过：“天文学家有两样法宝，你得牢牢记住：一个是数学，一个是观察。没有高深的、站在时代前列的数学理论，就无法研究好天文学。没有观测，就没有天文学。观察天象是非常苦的事，既要吸收前人的成果，又不能被已下过的结论蒙住了眼睛。”这让哥白尼意识到尊重观测事实的重要性，以及敢于打破前人桎梏的勇气。1496年，哥白尼带着卡里玛赫的推荐信，前往文艺复兴的策源地意大利留学，在博洛尼亚大学（Bologna University）中学习教会法并结识了著名天文学家德诺瓦拉教授（de Novara，1454 -1540）。诺瓦拉教授是一位实践经验丰富的天文学家，他亲自测定过南欧一些城市的纬度，还测量了黄道的倾角，发现黄道的倾角在逐步地变化。而这些观测数据与托勒密的结论有所差异，这就使他对托勒密地心说产生了怀疑。他还跟随着毕达哥拉斯学派，主宇宙的结构可以用简洁的数学关系加以表达，而不是像托勒密地心说描绘的那样复杂。哥白尼向诺瓦拉教授表达了自己在研究天文学的过程中的一些发现和困惑，提出了对托勒密地心说的看法和探索建立宇宙结构新体系的大胆设想。这些想法与诺瓦拉的不谋而合，于是哥白尼很快就成为了诺瓦拉的得力助手。1497年，哥白尼开始跟随诺瓦拉教授进行“毕宿五”的观测，并且对整个观测的时间和星象都进行了记录，除此之外他们还连夜对该天文掩星现象进行了严密的数学演算。他们根据这些演算结果得出结论：无论月亮距离地球远近，在其亏缺或盈满时完全一样，大小没有改变，这表明托勒密地心说所涉及的月球理论是错误的。这次对“毕宿五”的观测，是哥白尼一生中最早的天文实测记录。名师的指点使哥白尼在天文学、数学和占星学的研究上有了进一步的提高，他的日心说理论逐渐走向了成熟。在意大利期间，哥白尼还了解了希腊哲学家阿里斯塔克斯（前三世纪）的日心学说，这更进一步让哥白尼相信地球和其他行星都围绕太阳运转这个日心说的可行性。哥白尼大约在40岁时开始在朋友中散发一份简短的手稿，初步阐述了他自己有关日心说的看法。经过长年的观察和计算他终于完成了伟大著作天体运行论。在天球运行论（De revolutionibusorbiumcoelestium）中，他观测计算所得数值的精确度是惊人的，例如，他得到恒星年的时间为365天6小时9分40秒，比现在的精确值约多30秒，误差只有百万分之一；而他得到的月亮到地球的平均距离是地球半径的60.30倍，和现在的60.27倍相比，误差只有万分之五。从1497年，哥白尼被选为弗龙堡神父会神父开始，他之后陆续担任过主教的保健医生、秘书和助手，被推选为神父会行政主管、神父会视察员、财产管理人等，长期从事教职工作。直到1531年后，哥白尼才基本上从他长期承担的繁重教务管理中解脱出来，有了较多的时间，可以集中精力来最后攻克创立日心说所遇到的难题。1533年，60岁的哥白尼在罗马做了一系列的讲演，提出了他日心说的一些要点，并未遭到教皇的反对。但是他仍然害怕教会会反对，甚至在他的书完稿后，还是迟迟不敢发表，直到在他临近古稀之年才终于决定将它出版。1543年天体运行论终于出版，实现了哥白尼一生最大的追求。1543年5月24日哥白尼因脑溢血去世，被安葬在弗龙堡教堂内。第二章 日心说的提出人类在对宇宙的观测与猜想的过程中，各自提出了不同的观点。随着科学技术的发展，有些理论被时代说抛弃，而有些终于在历史的检验中开始发出真理的微光。在哥白尼的日心说提出之前，托勒密的地心说在解释天体运动的学说中长期占据着权威的地位。哥白尼的日心说最主要的挑战对象也正是被教会定为教义之一的托勒密体系。2.1托勒密的地心地静说在中世纪的时候，人们认为地球是宇宙的中心，其他的星星都环绕地球运行，这就是所谓的地心说。当然后来证明这是错误的，其主要是因为古代人缺乏足够的宇宙观测数据，大多数当时的哲学家或者德高望重的人都是怀着人本主义的观念来推测的，认为地球就是世界万物的中心。2.1.1 地心学说的提出到了古希腊时代，观测数据开始增多，几何学和数学发展日益成熟，人们开始通过一些科学的手段开始试图证明地心说的正确性。一个名叫托勒密的天文学家将地心说的模型进行了系统的几何学证明。此体系从公元两世纪开始被系统化，在公元2世纪，古希腊天文学家托勒密创立了地心宇宙体系托勒密体系。它的核心是地球处于宇宙中心，静止不动。托勒密学说能较好地说明当时观测到的天体运动，并已沿用一千多年，欧洲天文学中一直处于统治地位。地心说居于统治地位的原因，首先是托勒密高超地运用欧几里德几何学的严密性，对亚里士多德、阿波罗尼和希帕克等前人的学说进行系统地整理。其次是它与当时推崇的亚里士多德物理学十分融合，亚里士多德为地心说给予了充分论证。那时这个体系在预言恒星和行星的位置变化方面取得了值得赞美的成功，任何一种其他古代理论都做不到这么好由此可见，地心就是整个宇宙的重心。由于难以设想宇宙中存在足以推动地球转动的力，亚里士多德选择了没有重量的天体围绕地球做匀速圆周运动，整个宇宙的动因则来自宇宙之上的“第一推动者”。尤其值得说明的是，地心说同亚里士多德物理学的内核是完全一致的。在当时的观察所要求的精确度范围内，这样解释事实是相当成功的。相对于那种面对上天茫然无知是一种莫大的进步，它在人类历史上应该是有一定地位的，在推动古代天文学的发展中曾起过重要的历史作用。哥白尼也曾承认他得益于“地心说”不浅。凯德洛夫指出，科学上的革命从一种世界图像到另一种世界图像的过渡并非谬误到真理，而是从比较不完备的相对真理到另一比较完备的相对真理。哥白尼“日心说”的提出必然会受到在当时比较完善的“地心说”的攻击，这也是哥白尼顾虑之一。托勒密的理论能初步的解释从地球上所看到的现象，但是在文艺复兴时代，随着科学技术的进步，一些支持日心说的证据逐渐出现，且有些证据无法以地心说解释，地心说逐渐占了下风。2.1.2行星逆行现象托勒密体系以其精密的几何表述闻名，并且一度获得了当时主流科学家以及教会高层的认同，但是随着人们观测水平的增高，观测数据增多，有些现象似乎是用托勒密的理论解释不了的。这就是行星逆行现象。火星最明显，即每个周期总会有一个阶段出现逆行的现象，而这个现象似乎是无法用托勒密的解释的。2.1.3本轮均轮解释逆行现象行星逆行现象的确是地心说遇到的最大的挑战，但是聪明的古代天文学家们还是通过丰富的想象力构造出了解释这种现象的几何模型，及本轮均轮原理。西元前3世纪左右的阿波罗尼奥斯或西元前2世纪左右的喜帕恰斯，都想到行星仅是以圆周运动环绕地球运行，并不足以完全解释行星多样化的运动。所以他们都想出是一个想象的小圆在环绕地球作圆周运动，而行星就在这个小圆上运动。这个小圆被称为本轮，而本轮环绕地球运动的轨道则称为均轮。整个概念就好像游乐场的机动游戏“咖啡杯”：从整个游戏设施的中心看，各个咖啡杯耳的运动都混合了两种以上的圆周运动；多种圆周运动混合起来，便产生了杯耳行进的速度和方向看起来经常变化的现象，特别在杯耳接近机械中心时的变化更为明显。行星运动中的“留”和“逆行”就是能用这个模型来粗略地解释。2.2哥白尼的日心地动说托勒密体系以增添新的本轮来为行星运动提供更好的近似，而一直都不能最终解决。哥白尼在其对行星进行长期观测之后，大胆提出了日心学说，极大程度上挑战了当时盛行的地心说的权威，为了防止遭到教会的迫害，哥白尼不仅寻求了教会的庇护还迟迟未将他的成就进行发表。日心说的诞生对于当时的社会来说无疑是一枚不定时的重磅炸弹。2.2.1哥白尼提出日心说的动因由于托勒密体系自身的缺陷使得它对行星运行的描述并不十分准确，而托勒密的后继者们为了维护托勒密体系的正确性不得不继续引入越来越多的本轮，这远远背离了毕达哥拉斯学派的柏拉图主义所追求的简单与完美。哥白尼作为一名倾向于毕达哥拉斯学派的天文研究者，自然是对托勒密体系的复杂感到不满。在他追求简洁之美的过程中，他想到如果宇宙的中心不是地球而是太阳的话，一切都会变得简单许多，同时还不会违背希腊人的完美运动原理。哥白尼承认托勒密体系对天体位置预测的有效性，只是违背了希腊天文学和哲学的完美运动原理。哥白尼在天体运行论第一卷的引言中这样写着：“在人类智慧所哺育的名目繁多的文化和技术领域中，必须用最强烈的感情和极度的热忱来促进对最美好的、最值得了解的事物进行研究。这就是探索宇宙的神奇运转，星体的运动、大小、距离和出没以及其他天体现象成因的学科。难道还有什么东西比包括一切美好事物的苍穹更美丽吗?Caelum(天穹)和Mundus(宇宙)这两个名词本身就能说明问题，后者表示纯洁和美丽，而前者是一种雕刻品。由于天空具有超越一切的完美性，大多数哲学家把它称为可以看得见的神。因此如果就其所研究的主题实质来评判各门学科的价值，那么首先就是被一些人称为天文学、另一些人叫做占星术，而许多古人认为是集数学之大成的那门学科。它毫无疑义地是一切学术的顶峰和最值得让一个自由人去从事的研究。它受到计量科学的几乎一切分支的支持。算术、几何、光学、测地学、力学以及所有的其他学科都对它做出贡献。”可见他认为天空是“纯洁和美丽”的，并且要有“超于一切的完美性”，这一信念也成为了哥白尼将太阳假设为宇宙中心的原动力。2.2.2哥白尼日心说的核心内容在他的天体运行论中，哥白尼提出了以下7条公理：1、对所有的天体轨道或天球不存在一个共同的中心。2、地球的中心不是宇宙的中心，而是重力中心和月球轨道的中心3、所有的天体都绕太阳旋转。太阳俨然是在一切的中央，于是宇宙的中心是在太阳附近。4、日地距离和天穹高度的比小于地球半径和日地距离的比。因此，与天穹高度比起来，日地距离就是微不足道的了。5、天穹上显现出的任何运动，不是天穹本身产生的，而是由于地球的运动。正是地球带着周围的物质绕其不动的极点作周日运动，而天穹和最高的天球始终是不动的。6、我们看到的太阳的各种运动，不是它本身所固有的，而属于地球和其所在的天球。就像任何别的行星一样，地球和其所在的天球一起绕着太阳运动；这样，地球就具有几种运动了。7、行星的视顺行和逆行不是它们在运动，而是由于地球在运动。因此，只要用地球运动这一点就足以解释天上见到的许多种不均匀性了。2.2.3日心说存在的问题哥白尼的日心说相对于托勒密的地心理论来说已经是一个很大的进步，但还是存在着两个致命的问题，而这两个致命问题也在一定程度上导致了在天体运行论出版之后并没有被当时的天文学家立刻信服，引发一场轰轰烈烈的“哥白尼革命”。第一个问题来自于人们自身的感觉，如果地球是运动的，那么我们应该能感觉得到才对。另外，如果我们竖直向上抛出一个物体，那么由于地球运动，该物体则在落地时应该会落到抛出点的后面。当时伽利略的运动相对性原理和牛顿的运动定律还没有被发现，这一问题成为了难以解释的现象，这对于日心说的普及是相当不利的。而第二个问题更加复杂，如果地球是运动的，那么在一年内星星之间的相对位置必然发生变化，即产生恒星周年视差，而当时的人们并没有观测到这一现象。这一问题的产生是由于当时的观测精度不高，恒星周年视差本来就比较细微，数据的误差使得这一现象无法被当时的人们所观测到。直到望远镜发明之后，人们的观测精度发生了质的飞跃，几代科学家都在致力于寻找恒星周年视差，由于实在是过于微小，直到大约1834年左右，3组天文学家在各自的天文台发现了它。而这距离哥白尼天体运行论的出版已经过去了将近300年。第三章 日心说产生的影响毋庸置疑，哥白尼日心说的提出对后世产生了难以预测的影响。我们从现在出发倒推回过去，看看哥白尼革命在社会的各个方面产生了哪些当时可以预知以及不可预知影响。3.1哥白尼革命在天文学方面的影响哥白尼是个数学家，他用来证明他的学说的主要工具和途径是通过几何学以及数学的证明。在他去世的前一年，他的天球运动论才发表，而在这本伟大的著作发表的将近60年里，几乎只有数学家可以看得懂其中的原理，当然也只有数学家才能理解并且相信他的观点，并没有对天文学领域造成直接的影响。之所以说哥白尼是个数学天文学家，一个非常重要的原因是他只能说明天体运行的规律，却不能解释其运动的原因。在十六世纪，能否用匀速圆周运动解释天文星体运动规律就是一切的出发点。作为一个数学模式，很多学者认为哥白尼的日心说体系甚至还没有托勒密的体系成功，它唯一的亮点仅仅在于简洁。但是，正是因为他的简洁，给后来的开普勒，伽利略，牛顿等人对天体的研究奠定了坚实的基础。这次革命必然遭受科学自身的阻力，原有的科学结构的思维方式对新的观点总是起着相对的力量。日心说遭受到的阻力一开始其实主要不是教会，相反，更多地阻力来自于第谷等一批主流科学家。所以说，从某种角度上讲，之所以我们称其为哥白尼革命，主要还是因为其对天文学本身的冲击很大，新的观点总会遭受当时的科学家的冲击与质疑，它必须经受得起保守派的反击。但科学自身的阻力并不一定没有好处，这也是科学发展过程冲不可或缺的一部分。“这种阻力”并不违背科学的标准，而是科学研究本身的一种标志，是每一次革命必经之路。但哥白尼自己主观上并没有意识到这种特点，因为他主观上并不想发起这次革命，所以他去寻找妥协的方法。在天文学方面，哥白尼的主要贡献在于他试图革新旧有托勒密体系诸多繁杂与牵强的解释，比如对行星逆行现象的解释，他的理论中少了很多繁琐的所谓的本轮，用一种相对简洁的形式解释行星运动的规律的理论。他的突破在于他敢于提出一个新的观点，而不像其他古代天文学家为了衬托托勒密理论的正确性，又假设了许多繁琐的均轮。哥白尼力图恢复希腊天文学传统，他推崇“从和谐性得出的论据的总和给人的印象是极其深刻的”，“和谐”体现出美与真的统一，因此哥白尼的天文学思想对“和谐性”给以特别的关注。哥白尼的思想中同时体现出他追求数学之和谐的毕达哥拉斯传统，追求理念世界之完满的柏拉图传统，以及运用推理和演绎来对自己的观点加以论证的亚里士多德传统。当然最终哥白尼也像托勒密一样陷入了庞杂繁琐的修补与计算自己的理论当中。哥白尼革命在天文学方面的另一重要贡献，在于他的日心天文学为他的后继者开辟了一条追求天文学理论的简洁性与一致性的道路。虽然哥白尼自己在这条路上没有迈出更远的步子，但正如库恩所言，哥白尼的天文学革命“不在于它自己说了什么，而在于它使得别人说了什么”，哥白尼的这套理论给予了后来的科学家们很多发挥得空间，关键是他的理论相对于当时其他的理论更加接近事实。第谷、开普勒等人后来几次修正了哥白尼的体系，当然，他们的出发点始终围绕着哥白尼的日心说的观点，并且始终用一种简洁的和谐性的思想来思考天文学方面的问题。后来的开普勒，牛顿用更加简洁的牛顿三定律和开普勒三定律了天体运行的规律，可以说这是深受哥白尼的观念的影响的。可以说，哥白尼是近代科学的创始人，他的日心说是近代物理学开端的一个起点，自哥白尼后，大批的科学家涌现出来，从天文学发展到物理学，世界的各种奥秘逐渐被加以解释。3.2哥白尼革命在宗教、人文学科方面的影响哥白尼的日心说虽然在当时对天文学界的影响有限，但是其对宗教改革的影响却是巨大的。哥白尼对地心说的挑战给予了当时反对教会的人们一股精神鼓舞，让人们觉得教会不再是完全的权威。马丁路德，作为同时期的宗教运动领袖，就是在这股反对质疑宗教的声音中挺身而出，站在了反抗教会的最前列。由于哥白尼革命推翻了地心说，他动摇了关于上帝创造人类世界、人类是宇宙的主宰等诸种来源于基督教会的观念，因此哥白尼革命变成了人们对于自己和上帝的关系的一种重新认识。罗马教会对宇宙的解释由此终结，使得基督教在人们心中的地位开始动摇。罗马教会作为当时人民心中精神生活中极其重要的一部分，不可避免地面临着非常巨大的挑战，这体现在对传统基督教观念与哥白尼观念的冲突，激起基督教原教旨主义者与哥白尼理论推崇者的斗争。而当时欧洲正好处在宗教改革时期，而由马丁路德引领的新教真处于兴盛阶段。朴素而简洁的信仰对重新为基督教合理性寻求完备的理论诠释似乎更加能够迎合人民大众的口味。在哲学领域，哥白尼革命引起的机械自然观和数理分析方法的广泛传播，导致了原子论宇宙观的复苏，建立近代哲学的唯理论体系。在社会科学领域，尤其是在18-19世纪的政治哲学当中，仍可见到哥白尼革命的影子。在艺术领域，哥白尼革命成为文艺复兴及其之后兴起的古典主义人文艺术的思想先导。巴洛克时期的音乐家的作品中大量运用强调用数学比例调谐音程的十二平均律，古典时期的音乐家，更是严格遵循调式和曲式的规范模板进行演绎性的创作；同时期以达芬奇为代表的西方近代美术强调构图状物的“焦点透视”原则，以及崇尚比例和规范的审美取向。我们从科学史的视角反观托勒密和哥白尼，并以现代天文学的标准对二者的学说加以考量，我们不难发现，哥白尼在天文学领域尤其是对天体运行现象描述的简洁性与准确性来看，比起托勒密的成果并没有非常明显的增多，而且晚期哥白尼的体系与托勒密陷入了同样的繁复庞杂，因此单纯从天文学的知识生产角度来看，哥白尼的贡献并不足以