人类早期对宇宙的认识.pdf

第 2 8 卷第 1 期 2 0 0 9年 1月 大学物理 COLL EGE PHYS I CS Vo 1 2 8 No 1 J a n 2 0 0 9 编者按 今 年是 天文望远 镜发 明 4 0 0周 年 望 远镜 的发 明彻 底 改 变 了人 类仅 凭 肉眼 观 察 天 象 的历 史 使 人 类的视 线得 以深入 宇 宙的深 处和遥远 的过 去 由于光信 号 的传 播 需要 时 间 我 们 看到 的 天体 都 是 它们过 去 的样 子 越 远 的天体 图像越 古老 因此 望远镜 不仅在 看远 方 而且在 看历 史 天文望远镜的出现 极大地加深 了人类对宇宙和 时空的认识 也极 大地促进 了天文 学和物理 学的 发 展 相对论和现代化时空理论 现代宇宙学的创立和发展 都 离不开望远镜的贡献 本刊特 以 相对论 宇宙与时空 为题 发表连载文章 以纪念发明天文望远镜这一科 学史上的重大历 史事件 更 多的 内容 请参见本文作者的专著 物理 学与人类文明十六讲 高等教 育出版社 2 0 0 8年 9月出版 相对论 宇宙与时空 连载 人 类早期对 宇宙的认识 赵 峥 北京师范大学 物理系 北京1 0 0 8 7 5 1 地球与 中心火 公元 前 5 8 4年 5月 2 8日 希腊 地 区发生 了 日全 食 希腊人感到非常惶恐和兴奋 他们不仅为这可怕 的天象所震动 更为 自己的同胞泰勒斯的学 问而惊 叹 因为泰勒斯早就预言这一天会发生 日全食 居然 他真 的说对了 这是人类对 日全食的首次成功预报 泰勒斯是西方第一位 自然哲学家 他年青时 曾 到过 巴比伦 今天伊拉克 叙利亚一带 去学习先 进的天文知识 泰勒斯有一位学生名叫毕达哥拉斯 后来 成为 著名 的数 学 家 和哲 学 家 毕 达 哥拉 斯 最 先 认识 到 大 地 是 球 形 的 并 最 早 提 出 地 球 这 个 概 念 毕达哥拉斯推测宇宙也是球形的 他构造了人类 历史上第一个较为科学的 富有启发性的宇宙模型 毕达哥拉斯认为 宇宙是一个球体 火是最圣洁的东 西 应该位于宇宙的中心 叫中心火 包括太 阳 地球 在内的所有天体都镶嵌在相应 的天球上 围绕 中心 火转动 与已知天体对应 的天球有地球天 月亮天 太 阳天 水 星天 金 星 天 火 星天 木 星 天 土 星天 和 恒星天一共 9层 他又认为 1 0是最完美的数字 所 以天球应该有 1 0层 还少一层 于是毕达哥拉斯又 假想 了一个 叫 对地 的天体 隔着中 tl 火与地球相 对 图 1 由于人类生活在地球上背对着中心火的 一 面 所 以既看 不见 中心 火 也 看不 见 对 地 中央 为中心火 从 内到外分别为 对地 地球 月亮 太阳 水星 金星 火星 木星 土星和恒星天 图1 毕达哥拉斯的宇宙结构图 我 国汉朝也 曾有人提 出过 地 如 卵 黄 的 观点 认为大地是球形的 不过在中国占统治地位的 始终 是 天圆地方 的学说 2 地心说 公元前 3 0 0多年的时候 著名的希腊 哲学家亚 里士多德 对中心火模型展开批判 他认为谁也没有 见过或感知过 中心火 与 对地 而看不见 感觉 不到的东西是不存在 的 所 以根本不存在什么 中 心火 和 对地 他提出地心说 认为位于宇宙 中心 的应该是地球 太 阳 月亮 行星和恒星都镶在对应 第 1 1 期 赵峥 相对论 宇宙 与时空 连载 人类早期对宇宙 的认识 5 5 的天球上 围绕地 球 作 圆周运 动 月亮 是 离 地 球 最 近 的天体 亚里士多德把宇宙分为 月 上世界 和 月 上世 界 月下 世界 的 物质 由地 水 火 气 4种元 素组成 这些物质会 不断腐朽 月上世 界 由透 明 而无重 量 的 以太 构成 月 上 世 界 分 为 九 重 天 依次是 月 亮 天 水 星天 金 星 天 太 阳天 火 星天 木 星天 土 星 天 恒 星 天 和原 动 天 图 2 原 动天 是 宇 宙的边 界 原 动天 之外 没 有 任何 东 西 组 成 月 上 世 界 的以太和天体都是永恒的 永远不会腐朽 亚里 士多德 认为 天体 不会 自己运 动 在 原 动天 中存在 着 一 个 自己不 动 的 第 一 推 动 者 即 上 帝 他 推 动 恒星天 转动 恒星 天 又带 动其 他诸 天 围绕 地球 旋转 卜 图 2地 心 说 需要 说 明的是 公 元 前 2 0 0多 年 古 希腊 天 文 学 家阿里斯塔克就曾提出过 日心说 不过 当时 日心说 的拥护者极少 这是因为人们每天都看到 日 月 星 辰从 东方 升起 西 方 落 下 对 于 尚未 开化 的 古 人 来 说 地 心说 更 简单 直 观 和 正 确 更 容 易 被 接受 公元前 1 0 0多 年 的 时候 亚历 山大 科 学 院 的 另 一 位天 文学 家托勒 密 进 一步 改进 和完善 了地 心说 使之与天文观测符合得更好 于是地 心说彻底击败 了 日心 说 到 了 中世 纪 托勒 密 的 地心 说 被 天 主教 会所 利 用 教 会 明确提 出 上 帝 生活 在 原 动 天 是 上帝 的推 动才使得诸天围绕地球旋转 位于宇宙中心的地球 沐浴在上帝的恩泽之中 在上帝的意志下 所有的星 星 向着地球 上 的人类 闪 闪发光 意大利早期文艺复兴的诗人但丁 在 神曲 一 书的 天堂篇 中 用托 勒 密 的地 心说 对 天 堂作 了生 动的描述 但丁在一位少女 他 曾暗恋过 的 早逝的 情人 的引导下 升上天空 依次 游览 了诸天 最后 在水 晶 天 即原动 天 上 见 到 了 上帝 自己沉 浸 在无 限的幸 福之 中 地心说受到教会的支持和保 护 随着传教活动 而传遍 欧 洲 在 人们 的头 脑 中逐渐 根 深蒂 固 几 乎没 有 人再 对地 心说 表示 怀 疑 这 种 情 况 一 直持 续 到 1 6 世 纪之 初 3哥 白尼与 日心说 哥 白尼 1 4 7 3 1 5 4 3年 诞生于一个 波兰商人 的家庭 当时的 波兰是 欧洲 强 国 年 轻 的哥 白尼在 波兰 的克拉 科 夫大学 度 过 了 自 己的大 学生 涯 这 所 大 学是 当 时欧 洲 著 名 的 学术 中 心 然 后 他又 到 意大利 留学 考察 了 1 0年 那 时 波 兰和意大利的大学深受文艺复兴运动的影 响 革新 派与保守派的斗争 十分激烈 两派学生经常把辩论 从学 校扩 展到 大 街 上 而且 常 常演 化 为 格 斗 此 外 意大 利 的民族解 放 运 动 正 风起 云涌 动 荡 的校 园生 活和社会生活解放着哥白尼的思想 哥 白尼 回到 波兰 后 利 用 自己做 为 医 生 和神 父 的优越社会经济地位和文化条件 对天文学进行 了 几 十年 的深入 钻研 他 发 现托 勒 密 的地 心 说 不仅 复 杂混 乱 而且 漏洞 百 出 他 逐 渐 认 识 到 只 要 把地 球 从宇 宙 的 中心 移开 把 太 阳放 到 宇宙 的 中心 一 切就 会变得简单 清晰而精确了 哥 白尼知道 古希腊就 曾经有过 日心说 而且 他也知道毕达哥拉斯早在公 元前 5 0 0多 年就 曾经 提 出过 的中心 火模 型 此外 在哥 白尼 时代 已经 有 人 认 为 内行 星 即 比地球 离 太 阳更 近 的水 星 和金 星 是 围 绕太 阳旋 转 的 只不 过是 太 阳带着 它 们 围绕 地球 旋转 图 3 图 3 改进后 的地 心说 经 过 长期 反 复 的思 考 日心 说 在 哥 白尼 的 头脑 中逐渐成熟 但是 哥 白尼深知 自己的观点与传统 的神学相抵触 非常可能激怒教会 所 以迟迟不敢公 5 6 大学物 理 第 2 8 卷 开发表 自己的著作 直到快病逝的时候 他才把 天 体运行论 这一伟大著作交付 出版 为了使 自己在 政 治上 尽 可能处 于有利 地位 他尽 力讨好 教会 在 书 的最前 面 哥 白尼写道 把此书 献 给最神圣 的教 主 保 罗 三世教 皇 陛下 在 书 的前 言 中他 说 书 中表达 的全 部思想 纯 属猜测 只是 一种数 学练 习 而 不是对真实世界 的描述 注 也有人认 为 天体运 行 论 的前 言 不 是 哥 白尼 写 的 而是 出版 商 因畏 惧 迫害 背着 哥 白尼 加 上 去 的 哥 白尼还 试 图 把反 教 会 的罪 名推 给地 心说 的鼓 吹 者 他 在 天 体 运行 论 的第一卷中写道 我对地心说进行了长期思考 上 帝为我们创造 了美好而协调 的宇宙 哲学家们 指 地心说的提出和拥 护者 却不能提 出正确 的理论来 描 述 对此 我 感 到 十分 气 愤 因此 我不 得 不去 阅读更 多 的哲 学 著 作 看 看 有 没 有 与 传 统 理论 地 心说 不 同的假说 终 于 我 在古 希 腊 的一 些 著作 中 发现 了地球 运动 的 观点 这 就 启 发 我也 来 运 用 这种 观点 我终 于发现 如果 认 为地球 和行星 都 围绕 太 阳运 动 一 切就 变得 简单 而清楚 了 图 4 图 4哥 白尼 日心说示意 图 病床上的哥 白尼 手抚摩着 刚刚出版的 天体 运行论 慢慢地闭上 了双眼 兴奋 不安 的思绪 与 哥 白尼 的意识一 起渐 渐地飘 散 消失 尽 管哥 白尼用 尽 心 机 日心 说 还是 没 有 能逃 脱 教会的围剿 哥 白尼提出日心说的初期 教会被哥 白 尼的花言巧语 巧妙的辩 白 所迷惑 没有立 即作出 反应 随着时间的推移 他们逐渐从哥 白尼散布的迷 雾 中清醒 过来 感 到 了 日 12 说 对 自己 的威胁 于是 教会疯狂了 下令禁止哥白尼著作的出版 禁止 日 心说的教授与传播 不仅保守的罗马教廷 甚至标榜 革新 的新 教 都 不能 容忍 日心说 宗教 改革 的导师 马 丁 路德 激 烈 地 表 示 人 们 正 在 注 意 一 个 突 然走 红 的天文 学家 他力 图证 明地球 绕着 太 阳转 而不是 太 阳和诸星绕着地球转 这个蠢材竟然想把天文学 翻个底 朝天 4 布 鲁诺 与无限的宇宙 这 时 一 位青 年 学者 勇 敢 地站 出来 为 日心说 辩 护 他就是意大利哲学家布鲁诺 布鲁诺是神学院的 学生 由于生活在教会的内部 他了解其中的腐败和 黑 暗 布鲁诺 深受 文艺复 兴思 想 的影 响 对封 建教会 宣传的一切都表示怀疑 他主张思想 自由 甚至宣传 无 神论 一接 触 到哥 白尼 的 日心说 就兴 奋地跳 了起 来 尽 管他原 来并 不是天 文学 家 却 对 日心说产 生 了 火一样的激情 从此 布鲁诺就把宣传捍卫 日心说作 为 自己的生 活 目标 并且 他 进 一 步 发展 了哥 白尼 的 理 论 哥 白尼 认 为太 阳是宇 宙 的 中心 地 球 行 星 和 恒 星都 围绕 太 阳转 动 布鲁诺 进一 步认 为 宇 宙没有 中心 恒星都 是太 阳 只不 过 是 远离 我 们 的太 阳 而 且 布 鲁诺 突破 了宇宙有 限的思想 不论 是托 勒密 的 地 心说 还是 哥 白尼 的 日一 t9 说 都 认 为 宇 宙是 有 限 的 球体 布鲁诺则声称宇宙在空 间和时间上都是无限 的 宇 宙不仅 在 空问上无 边 无 限 在 时间上也 没有开 始 和结 束 他 的 宇宙 观 已经 非 常 接 近 我们 现 代 的 宇 宙观 毫无 疑问 布鲁 诺 是 一 位 极其 伟 大 的天才 布 鲁诺还是一位雄辩家 他利用 自己的口才到处演讲 进行鼓动和宣传 不仅宣传 日心说 而且挑起 了宇宙 究竟有限还是无 限的论 战 教会的拥护者问他 宇 宙怎 么可能 是无 限 的 呢 这 个 问题 很 难 回答 他反 问道 宇宙 怎 么 可 能 是 有 限 的呢 这 个 问题 同样 也很难 回答 他还 毫不 客气地 讽刺 教会 在教 会 的头 头们看 来 哥 白尼 的 日心 说 虽 然 大 逆 不 道 但 毕 竟还保 留了上 帝 生 活 的空 间 原 动 天 而 布 鲁诺 的 无 限宇 宙 则把 上 帝 生 活 的空 间也 搞 掉 了 教 会 的头头们 感 到 极 大 的 恐惧 和 愤怒 于 是 2 8岁 的 布鲁诺 逃 出了 自己生 活 的修 道 院 并 多 次躲 过 教会 的追 捕 最 后 终 因有 人 出卖 而 被 捕 他 被 监 禁 了 7 年 从不屈服 最终被教会判处火刑 宣判后 他轻蔑 地说 我 走 向火堆 但是 你们 比我更恐惧 临刑 前 罗 马教 廷再 次劝 他 忏 悔 并 说 明 只 要忏 悔 就 可 以免刑 布鲁诺毫不理会 镇定地走 向火堆 豪迈地 宣称 我愿 做烈 士 而牺 牲 1 6 0 0年 2月 1 7日 5 2 岁的布鲁诺为科学和真理献出了自己的生命 布鲁诺勇敢地离开了 但后人永远不会忘记他 3 0 0年后 他的宇宙观得到了公认 布鲁诺的学说和 精神像 闪闪的 明星一样 永 远照耀 着后 人 我们想要强调 哥 白尼的伟大学说并不是凭空 第 1 1 期 赵峥 相对论 宇 宙与 时空 连载 人类早期对宇宙 的认识 5 7 想出来的 它的诞生不仅有科学根源 而且还有哲学 根 源和历 史根 源 哥 白尼通过三十多年的天文学研究 掌握了丰 富的天体运行知识 认识到托勒密学说的缺陷 并且 当时已经 有人认 为 水 星 和金 星 是 绕太 阳转 的 只不 过误认为它们同太 阳一起绕着地球转 哥 白尼知道 毕达 哥拉斯 的哲 学观 点 和 中心 火模 型 火 是最 圣 洁 的东西 最 圣 洁的东 西应 该位 于宇 宙的 中心 而太 阳就 是一个 火球 这对 哥 白尼不 能不说 是一 个启 发 而且 哥 白尼 知道 古 希腊 曾经 有 过粗 糙 的 13心说 所 以 哥 白尼 的学说 是伟 大而具 有 开创性 的 但 它并 不 是 孤立 产生 的 5望远镜与土星 的光环 在 著名 的艺术 家米 开朗基 罗逝 世 的 1 5 6 4年 莎 士比亚诞生于英 国 伽利略 1 5 6 4 1 6 4 2年 诞生于 意大 利 的 比萨 伽利略从青年时代起就对天文和物理有兴趣 当他听说荷兰有人制造出望远镜的时候 就依靠 自 己的光学 知识 设 计制 造 了最早 的天文 望远镜 用 来 观察月亮 行星 太阳和恒星 他发现银河是 由大量 恒星组成的 月亮表面 凹凸不平 太 阳有斑点 而木 星居然 有卫 星 并且 不 止 一颗 俨 然 是 一个 小 太 阳 系 这些 发现 不仅 支 持 了 13心说 而且 使 神圣 的天 体 不再神圣了 属于上帝的太 阳和月亮居然不是光 洁无暇 的东西 月亮 上竟 然还 有 山脉 于是 各种 攻击 纷 至沓来 伽利 略竟 敢 偷 看 上 帝 的 秘密 这 使 得 教 会及其追随者感到震惊和愤慨 明亮光洁的月亮怎 么可能凹凸不平呢 光辉神圣的太阳怎么可能有斑 点 呢 这肯 定是 玻 璃 产 生 的幻 影 不 信 你 把 望 远 镜上的玻璃取掉 就看不 到月亮的凹凸和太 阳的班 点 了 伽 利 略还 看 到 了土 星 的光 环 但 由于 当时 的望 远镜分辨率不高 伽利 略觉得似乎 土星两侧各有一 颗 伴星 他想 公布 自己的发 现 又 怕弄 错 了 闹 笑话 当 时 的科学 界 流 行 一种 既 可保 证 发 现 的优 先 权 又能防止犯错误的方法 那就是把 自己的发现用 拉丁文写成一句话 然后把字母顺序打乱排列 成为 秘语 再公布出来 等这个发现被证实后 重新把字 母顺序调整 回来 正式公布 自己的发现 在这期间如 果有别人作出了同样的发现 则可依据此 秘语 保 护 自己发现 的优先权 于是 伽利略把 自己的发现依此法用拉丁文公 布出来 内容如下 S ma i s mr mi e l me po e t a l e u mi b u v n e n u g t t a v i r a s 与他 同时代的另一位杰出的天文学家开普勒 对 此 秘语 极感 兴趣 非 常 想 知道 伽 利 略用 望 远 镜 究竟看到了什么 于是每天茶余饭后 就颠来倒去的 摆 弄这 条秘 语 中的字 母 希 望解 开这 个谜 语 开普 勒 有 一个 奇特 的猜 想 他 认 为地球 有 1颗卫 星 木 星 有 4颗卫星 那 么公转轨道位于地球轨道与木星轨道 之 间 的火星 应该有 2颗 卫 星 他 推 测 伽 利 略一 定 是 发 现 了火 星 的 2颗 卫 星 具 有充 分耐 心 的开普 勒终 于 把这 条 秘 语 去掉两 个 字母后 凑 成 了一 句话 S a l v e u mb i s t l n e u m g e mi n a t u m Ma r t i a p r o l e s 向你 致敬 火 星的 双生子 开普 勒高兴 极 了 看 来伽 利 略证 实 了他 的猜 想 然而 不久 之后 伽利 略认 为 自己 的发现 已确 凿无 疑 于是公 布 了 自己的谜 底 他 也 去掉 了两个 字母 谜底 为 Al t i s s i mum p l a n e t a m t e r g e mi n u m o b s e r v a v i 我看见最高的星有 3颗 当时认 为土星是最高 的行星 也就是离太阳最 远的行星 开普勒算是 白费劲了 不过 今天我们知 道 火星确 实有 2颗 卫 星 但木 星 的卫 星并非 4颗 而 是不少 于 1 6颗 5 0年后 另一位 天文学 家休琴士认识到 土星 的附属 物 不是 伴 星 而是 光环 他也 用 谜 语 发 表 了 自己的 发现 3年 后 自己又公布 了谜 底 图 5 o O o o o o lI 图 5历 史 上 的 土 星 图 然而土星却继续捉弄我们 当光环 的盘面正对 着地球的时候 我们可以清楚地看到它 但有时候土 星却 以光环的侧面对着地球 由于光环很薄 它从人 们的视野 中消失 了 于是耸人 听闻的新 闻出现了 土 星 光 环 消 失 了 毁 灭 了 碎 片 正 飞 向 地 5 8 大学物理 第 2 8卷 球 自然 当光 环 再 次正 面对 着 地 球 的时 候 谣 言 便销 声 匿迹 了 6伽利 略的 认罪 声 明 由于宣传哥白尼的 日一 tb 说 伽利略在 1 6 1 6年受 到宗 教裁 判所 的警告 他被 迫答 应停止 作这类 宣传 1 6 2 3年 他 的一 位 好 友 当 上 了教 皇 伽 利 略 天 真地 以为与教皇的私人友谊可以保护 自己 于是 他贸然 出版 了宣 传 日心说 的 关 于 两大 世 界体 系 的对 话 在这 本有 名 的著作 中 伽 利 略 阐述 了运动 相 对 性 的 思想 即所 谓伽 利 略相 对 性原 理 书 中对 日心 说 的宣 传再 次触 怒 了罗 马 教廷 他 受 到 宗教 裁 判 所 的 审判 在 1 6 3 3年 被终 身监禁 本来 威 尼 斯 共 和 国是 可 以保护 伽 利 略不 受 宗 教 审判 的 但是 在共 和 国里必须 作公众 要你 作 的事 情 才能 拿到钱 不 能 随 心所 欲 地搞 研 究 而 在 独裁 的君 主 国里 只要 君 主 对 科 学 或 伽 利 略 本 人 感 兴 趣 他就 可以容 易地拿 到钱 只 干 自己想 干 的科 学研 究 在这种诱 惑 下 伽 利 略从 威尼 斯共 和 国迁 居到佛 罗伦萨大公国 等 到出事 了 罗 马教廷要审判伽利 略 佛罗伦 萨 大公却 未 能 保 护这 位 意 大利 人 民优 秀 的儿子 伽利略不得不去受审 体弱多病 的伽利略被 用担 架 抬 到 罗 马 他 被 迫跪 在 法 庭 上 做 了 认 罪 声 明 我 伽 利 累 伽 利 略 佛 罗 伦 萨 人温 森 基 奥 伽利 略 的儿子 7 0岁 我 个 人 被 带 来 受 审 跪 在 您 最杰 出最 尊敬 的红衣 主教 和全世 界基督 教 国家反对 异端 堕落 的宗 教法庭 庭长 面前 面对着 福音 书 用我 自己 的手 按着 它宣誓 我一 直相 信 并且 在上帝 的帮 助下将来也相信罗马天主教圣公会所主张 训导和 传布 的每一条教义 总之 因为我 已接受宗教法庭的 命令 完全 放弃 我认 为 太 阳是 中心 并 且不 动 这 一 虚 妄 的观点 决不 以任何 方式 坚持 辩解 和教授上 述荒 诞无 稽 的学 说 我 希望从 您 阁下和每 个天 主教徒 的头 脑 中 消 除对 我 当然 抱 有 的强 烈 怀 疑 因此 我 以一颗真诚 的心和诚实的信用 发誓公开放弃 诅咒 并厌恶上述的谬见和异端邪说 乃至其他一切反对 教会 的异端 邪说 我还 发誓 将来 无论在 口头上 或文 字上决不说也决不主张任何可能对我产生类似怀疑 的话 此外 如果我知道任何人是异教徒或怀疑任何 人是 异教徒 的话 我 一 定 向宗 教 法 庭 或 向 当地 宗教 法庭法官和大主教检举告发 而且我发誓并保证 我 一 定履行并完全遵守宗教法庭现在或将来加诸于我 的全部赎罪苦行 我对我上述保证 誓言和声明若有 丝毫 违背 天 亦 厌 之 我 甘 受 神 圣 的法 典 和其 他 针对这种罪过的一般法令与专门法令对我判决宣布 的刑罚 惩处 我 的的确 确按着 我手 中的福 音书 发誓 我 上面报过姓名的伽利略 已经像上面所说的那样 公开弃绝邪恶 并保证约束 自己 作为其证据 这是 我亲手 在这 份誓绝 书上 的签名 画押 我 当众 逐字 逐 句地宣 读 了它 传 说他 在 宣 判 并 签 字认 罪 后 嘟 嘟 囔 囔 地 说 可是 地球 仍 然 在 转 动 啊 但 这 是 不 确 实 的 只是 后人 的 良好 愿望 据 说伽 利 略 当时 正 注视 着 一 条误 人宗教 法庭 的可怜 的小 狗 它在不停 地摇 着尾 巴 此 后 双 目失 明 的伽 利 略 一直 被 软 禁 在佛 罗 伦 萨 附近 的一个 别 墅 中 直 到 1 6 4 2年 1月 8 日去世 作 为 囚 犯的 老伽利 略从未 完全 屈服 他于 1 6 3 8年 在荷 兰秘 密出版了另一本名著 两门新科学 伽 利 略 自始 至终 是 一 个 忠实 的天 主教 徒 他一 再向教会表 白这一点 但是教会仍然不能容忍他对 科 学真 理 的追求 由于教 会 的压抑 此后 2 0 0年 意大 利再也没有出现杰 出的人才 科学 中心转移到教会 控制不 甚严 的欧洲 其他 地 区去 了 7第谷的精 密观 测 第 谷 是 以 观 测 精 密 而 著 称 的 丹 麦 天 文 学 家 他 1 5 4 6年 出生于一个贵族家庭 为人傲慢 自大 经常与人发生冲突 年青时因为争论一个数学 问题而与人决斗 被一剑削掉了鼻子 不得不装上一 个金银合金的假鼻子 别看他鼻子残废 眼睛却十分 灵 光 当时 还 没 有 望 远 镜 他 做 天 文 观测 认 真 细 致 持之 以恒 对星体运动的观测精度比哥白尼高出 2 0倍 他原 本 在 哥本 哈根 大 学 学 习法 律 和 哲 学 由 于有人 预报 了 当 时 的一 次 日食 使 他 惊 讶 不 已 从 此 他对 天文 学产 生兴趣 而 改学数 学 和天文学 1 5 7 2年 他 发 现 了一 颗 新 星 这 颗 星 在 星空 背 景上没 有相对 运动 第 谷判 断它是 一颗 恒星 而不是 行 星 但 是在 星 图中没 有找 到这颗 星 可见是 新 出现 的 为此 第谷首创 了 新星 N o v a 这一名词 从测 量 可知 这颗 星距 离我们 比已知 的行 星要 远 这表 明 月上世界 即距离我们 比月亮远 在月亮天之上 不像亚里士多德所 断言的那样是永远不变的 第谷 出版了 论新星 一书来宣传 自己的发现 丹麦 国王 腓特烈二世怕这位天文奇才流失到天文学发达的德 国去 就专门为他建立了一座天文台 这是当时世界 上最 先 进 的天 文 台 第 谷在 那 里 工 作 了差 不 多 2 0年 第 1 1 期 赵峥 相对论 宇宙与时空 连 载 人类早期 对宇宙的认识 5 9 1 5 7 7年第 谷 仔 细 观 测 了天 空 出 现 的一 颗 巨 大 彗 星 即后 来命 名 的哈雷 彗 星 断 定 它不 处 在 大气 中 距 离我 们 比月亮 远 这 就否 定 了亚 里 士多德 认为 彗星属于 月下世界 属于大气现象的看法 更为 重要 的是 第谷通 过精 密观 测发 现 彗星轨 道不 是正 圆 按 照托 勒密 的地 心 说 太 阳 月 亮 和 各行 星 的轨 道都 是正 圆 而 彗星 轨 道不 是 正 圆 又属 于 月 上 世 界 那么它必将 穿越水 星天 金 星天等各重 行星 天 使得亚里士多德的 月上世界 水 晶天球 不 再是一 成不 变 了 这对地 心说 是一 个严 重 的挑 战 但 是 第谷 本人 不 同意哥 白尼 的 日心 说 于是他 提 出 了 折 中的混合 说 地 球 位 于 宇宙 中心 不 动 太 阳 月 亮 和恒 星天 围绕 地 球转 但金 木 水 火 土五 大 行 星 不是 围绕 地球 转 而是 围绕太 阳转 再跟 太 阳一起 围 绕 地球转 转 动轨道 都是 正 圆 图 6 图 6第谷的宇宙模型 腓特烈二世是一位宽容 的国王 不在乎第谷的 傲 慢 自大 使他 能够 在丹 麦安 心地从 事天 文观 测 第 谷 在长期 稳定 的工 作 环境 中 积 累 了大 量 的精 确 观 测 资料 为世界 的历法 改革 奠定 了基 础 腓 特烈 去世 后 即位的新国王不能容忍第谷的脾气 不再资助他 的天 文研究 德 国皇 帝 鲁道 夫二 世 得 知 这个 消息 后 非常高兴 马上邀请他到德国 于是 在 1 5 9 7年第谷 来 到布 拉格 工作 第 谷在 德 国只 工作 了 4年 就 去 世 了 他 在这里 的最 大 收 获是 得 到 了一个 杰 出 的学 生 和继承 人 开普 勒 开 普勒 眼睛 不太好 但 他非 常 聪 明 数 学 和天 文学 水平 都很 高 第 谷对 他 十分 满 意 第谷 曾定下精确观测 1 0 0 0颗星 的宏伟 目标 但观测了 7 5 0颗星后 就于 1 6 0 1年 因病去世 了 第 谷把余下的工作和大量的珍贵观测资料留给了他所 信任的助手开普 勒 希 望开 普勒 能完成 自己的遗 愿 观测 1 0 0 0颗 星 并 制 定 一 部 精 确 的 以鲁 道 夫命名的星表 来报答鲁道夫皇帝 的知遇之恩 临终 前 第 谷表 示希 望 自己辛 劳 的成果 不要 被荒废 他 表 达了最后的心愿 希望我没有虚度此生 8 开普勒与正 多面体宇 宙 开普勒 1 5 7 1年生 于德 国 他的祖父 当过市长 父 亲是 职业 军人 开普 勒 3岁 时得过 天花 手 上和腿 上 均 留下残 疾 视 力也 不太 好 开普勒最初学习神学 但他却非常喜欢数学和 天 文学 在这 两个 领域 都显 示 出惊人 的才华 开 普勒 的一位 天文学 老 师是 日心 说 的 拥 护 者 公 开 上课 时 讲授托勒密地心说 私下里对 自己亲近 的学生 包 括开普勒在 内 宣传哥 白尼 的 日心说 这对开普勒 的宇宙观产生极大的影响 从此开普勒成 为哥 白尼 学说的忠实信徒 但他却不接受布鲁诺的观点 不承 认宇 宙无 限 也 不认 为恒 星是 遥远 的太 阳 他 像哥 白 尼一样 认 为在 日心体 系 的最外 层是 恒 星天 开 普 勒长期 致力 于寻 找各 行星 轨道 之 间的数 学 联系 通过反复计算 他惊奇地 发现 用柏拉 图的 5 种 正多 面体 刚 好可 以给 出 6大行 星轨 道 半 径 之 问 的关 系 图 7 图 7 开普勒的正多面体宇宙 如 果 把 土 星轨 道 画 在 一 个 正 六 面 体 的外 接 球 上 那 么木星 轨道 就恰 在此 六面 体 的 内切球 上 如果把这个六面体的内切球看作一个正四面体 的外接球 那么火星轨道就在此四面体的内切球上 如果 把这 个 四面体 的 内切球 看作一 个 正十二 面 体 的外接球 那 么地 球 轨 道 就 在 此 十 二 面体 的 内切 球 上 如果把 这个 十二 面体 的 内切球 看作 一个 正二 十 面体的外接球 那么金星轨道就在此二 十面体的内 切 球上 如果把这个二十面体的内切球看作一个正八面体 的外接球 那么水星轨道就在此八面体的内切球上 6 0 大学 物理 第 2 8卷 这样给出的行 星轨道 与当时的观测值符合得 较好 而且柏拉图早已证 明 正多面体只有这 5种 开普勒认为 自己为宇宙 中仅有 6颗行星找 到了几 何 依据 和神学 依据 这些 几 何关 系反 映 了上 帝 创 造 宇 宙时 的思 路 他 惊 喜 地 发 现 上 帝 是 一 位 几 何 学 家 1 1 5 9 6年 开普勒发表 了 宇宙的秘密 一书 书 中描述 了他 的上述 构想 第谷 和伽利 略看 到此 书后 都非常赞赏 1 6 0 0年 开普勒接受第谷的邀请 到布 拉 格天文 台工 作 这 时 他 接触 到第谷 大量 的精确 观 测 资料 发现 自己原 来 自呜 得意 的宇 宙 图像 漏 洞 百 出 所谓的行星轨道的多面体学说 与第谷的精密观 测 资料并 不相符 不 得 不 予 以放 弃 但 是 开 普 勒还 是 为 自己找到第 谷 这 样 高水 平 的 老 师而 兴 奋 不 已 可惜第二年第谷便去世了 所幸 的是他把其用毕生 心血 积 累的大量 观测 资料 留给 了开普 勒 为此 第谷 的 亲属耿耿 于怀 认 为他 们 比开 普 勒 更有 继 承 的权 利 但是 事实表明 这批资料 留给开普勒 才是上帝 的最佳选择 不过 当时第谷对开普勒提 出一个要 求 不管开普勒本人赞同日心说还是地心说 但在使 用第谷的资料绘制星表和著书时 必须应用第谷 自 己提出的 昆 合说 开普勒勉强答应 了老师的要求 9行星运动定律的发现 开普勒牢记第谷临终前的忠告 一定要尊重观测 事实 他发现用圆周运动来解释火星轨道 与第谷的 观测值 总有 8分 的偏差 不能 消除 他坚信 老师第 谷观 测的严谨和精确 不顾别人 的劝告 牢牢抓住 火星轨道 这微小 的 8 分偏差不放 反 复探索 开普勒 并未完全遵 照老师 的遗嘱 没有采用 第谷 的混合 说来研究行 星轨 道 而是运用了 自己信服 的哥 白尼 的 日心说 然 而即使 这样 依然消除不 了这 8分的偏差 开 普 勒 的数 学 知识 和 才华 终 于起 了作用 他 记 起 古希 腊几 何学 家 阿波罗尼 研究过 的 圆锥 曲线 椭 圆 他突 然 发 现 如果 火 星 轨 道 不 是 正 圆而 是 椭 圆 这 8分偏差正好可以消除 开普勒迈出了关键的 一 步 火星轨道是椭 圆而不是 圆 接着 他又把这一 认识 推广 到所有 的 行 星 得 到 了 以 自己名 字命 名 的 两条定律 图 8 开 普勒 第一定 律 行 星运 动 的轨道是 一个椭 圆 太 阳位 于椭 圆 的一个 焦点上 开普勒第二定律 行星轨道的矢径在单位时间 内扫 过的 面积相 等 当有人问他为什么超越老师第谷的观点 昆合 宇宙学 说 行星轨 道是 圆周 时 开普 勒说 我对 老 近 日点 图 8 开普勒第 一 第二定律 d 远日点 师充满 了尊敬 他是一位富翁 但不懂得怎样正确使 用 自己的财富 在回顾 自己的成就时 开普勒深情 地 表示 感 谢上 帝 赐给 我第 谷 这样 的老 师 他是 天 才的观测者 正是这 8分误差 引导我走上改革整个 天文学 的道路 开普勒虽然身为宫廷天文学家 却常常不能按 时拿到 自己的薪金 穷困和灾难一直伴随着他 他的 第一位妻子本是一个 富裕的寡妇 开普勒娶她是为 了得 到点财 产改 善 自己 的生 活 和研 究 条 件 但 长期 的穷 困使妻 子的积 蓄很 快 就 花完 了 他 的夫 人不 理 解 他为 什么这 样执 着地 从事那 些 拿不 到报酬 的研究 工作 经常对他大吵大闹 开普勒也觉得对不起妻子 和女儿 但他 还是 不愿放 弃 自己喜 爱 的科 学 他在痛 苦 中坚 持工作 现 在 开普 勒 发 现 了行 星运 动 定律 做 出 了重大 的成就 他 高兴 极 了 妻 子 虽 然 不 懂 他 所 研 究 的 内 容 但也 开始 为他 的成功 而喜 悦 开普勒 多么希 望世 界 人们 能承 认 他 帮 助他 啊 然 而 欧洲 的科 学 家们用嘲笑和沉默答复了他 没有人支持他的观点 包括他的朋友在内 都没有支持他 就是伽利略也没 有给开普勒复信 在伽利略最困难的时候 开普勒曾 写 信支 持过 他 伽 利 略 鼓 起 勇气 站 出 来 真 理 的 力量无 比强大 伽利 略也 曾把 自己设计 的一架望 远 镜 一 个 凸透 镜 与 一 个 凹透 镜 组 成 赠 送 给 开 普 勒 使开普勒能用它来观测木星的卫星及其他天象 后来 开普勒对望 远镜作 了改进 改 成用两个 凸透 镜 组成 提 高 了观 测 精 度 可 以说 伽 利 略与 开 普 勒是天文望远镜的两位鼻祖 但是这次 伽利略沉默 了 没有 回信 也没有再送给开普勒 自己改进后的新 望远镜 社会没有给苦难 中的开普勒以应有的回报 他是多么需要这种 回报啊 一点办法也没有 开普勒 只好静下来写书 他编写了 新天文学 一书 宣传 自己的新定律 这 时 一 件意 外 的事 情 发 生 了 第 谷 的女 婿 腾 格纳尔打上门来 指责开普勒背叛 自己的老师 在 新天文学 一书 中没有 采用第 谷 的观 点 并 且他 第 1 1 期 赵峥 相对 论 宇宙与时空 连 载 人类 早期对宇宙的认识 6 1 还说 自己是 第 谷 遗 产 的 继 承 人 开普 勒 如 果 要 出 版 书 就必 须 同时 署 上 他 的 名 字 开 普 勒 认 为 他 本人 的观 点 比第 谷 更 前 进 了 一 步 虽 然 书 中 没 有 采用老师的观点 但 自己使 老师 的毕生心 血实 现 了价 值 是 对 得 住 老 师 的 自己没 有 错 但 是 腾 格 纳 尔 毫不 让 步 开 普 勒 只 好 推 迟 出 书 一 拖 就 是 4 年 直 到 1 6 0 9年 双 方 达 成 妥 协 允 许 腾 格 纳 尔 写 篇文章放在书的前面 新天文学 这才得 以出版 腾 格 纳 尔 在 文 章 中 大 肆 攻 击 开 普 勒 的 太 阳 系 模 型 并 指 责开 普 勒 不 是 个 东 西 背叛 了 自己 的 老 师 第谷 尽管如此 书总算 出版 了 开普勒第一 第二 定 律 终 于公 诸 于 世 了 开普 勒一 心 寻 找 行 星 到 太 阳 的距 离 排 布 的规 律 这个 规 律没有 找 到 却 意外地 发现 了另 外两 条规 律 开普 勒 第 一 第 二 定 律 真 是 有 意 栽 花 花 不 发 无心 插 柳 柳 成 荫 开 普 勒 继 续 努 力 去 寻 找 自 己想找 的规律 然后 幸运仍然没有 降临 灾难却 一个接着 一 个 特别 是在 1 6 1 1 年 先是 心爱 的小 女儿 去世 接 着 是政 变 自己的靠 山鲁道 夫皇 帝身亡 然 后是他 的夫 人故去 新皇帝对开普勒不感兴趣 可老师嘱咐他制 订 的精 密 星表 尚未完成 开 普勒 领不 到薪金 雇 不起 助手 只能一个人单干 没有任何人 肯帮助他 国家 则 处于 战乱 和动荡 之 中 开 普 勒 实 在 不愿 再 面对 这 些伤心事 于是他避居到多瑙河畔的小城林茨 埋头 于研究之 中 希望 能完成 老 师的遗 愿 希望 能答谢 鲁 道夫 皇帝 对他 们师 生 的知 遇之 恩 也 希 望 自己能 在 科学 上做 出更 多的发 现 唯一使他得到安慰的是 这时他有了一位贫穷 然而贤 惠 的妻 子 她 是 木 匠 的 女 儿 年 龄 比他 小 得 多 前 妻去世 后 由于 开普 勒的才 华 和声望 有 1 1位 少女希 望 与 这 位 穷 困 潦 倒 然 而 才 华 横 溢 的 学 者 结 婚 开普 勒则 看 中了其 中地 位较低 的木 匠 的女儿 后 来 的经历 表 明 他作 出 了正确 的选 择 开 普勒 计划 在 月食 发生 之 夜 举 行 婚 礼 因 为这 一 天 天文 学 的精 灵会躲藏起来 不过 他没有把 日期 算准 他们成 婚在月食发生后 的第三天 贫穷而勤劳的妻子细心 地照料 着 开普勒 的 生 活 开 普 勒则 整 天 坐 在桌 前 计 算思考 开普勒猜测行星运动的快慢 可能与行星轨道 的半径有某种关系 他把地球 的轨道半径定义为 1 地球 的公 转 周 期也 定 义 为 1 然后 给 出其 他 行 星 轨 道半 径 与 周 期 对 地 球 的 相 对 值 他 画 出 了 一 张 表 表 1 但没有看出表中数据问有什么关 系 表 1 行 星 7 1 轨 道周 期 R 轨道半径 水 星 0 2 4 1 0 3 8 7 金 星 O 6 1 5 0 7 2 3 地 球 1 0 0 0 1 0 0 0 火 星 1 8 8 1 1 5 2 4 木 星 l 1 8 6 2 5 2 0 3 土 星 2 9 4 5 7 9 5 3 9 开 普 勒 坚信 宇 宙是 和谐 的 上 述 数 字之 问 应 该 存 在某种 联 系 他 日 日夜 夜 地 思 考 反 反 复 复 地 计 算 尝试 一天早晨 当阳光照进书房 夫人进来收拾 房间时 苦熬了一夜 的开普勒突然跳了起来 拉住妻 子大叫 亲爱的 我发现 了 感谢 上帝将你赐给我 我们是 和 谐 的 宇 宙 也 是 和 谐 的 现 在 弄 清 楚 了 开普勒 又 算 了出 了这样一 张 表 表 2 表 2 行 星 7 12 R 水 星 0 0 5 8 0 O 5 8 金 星 0 3 7 8 0 3 7 8 地 球 1 0 0 0 1 0 0 0 火 星 3 5 4 3 5 4 木 星 1 4 0 7 1 4 0 7 土 星 8 6 7 7 8 6 7 7 他 真 的找 到 了行 星 运 动快 慢 与 轨 道 半 径 的关 系 行 星轨 道周期 的平 方 与轨 道半径 的立方成 正 比 这就是著名的开普勒第三定律 后来 的研究表明 精 确 地说 不 是 轨 道半 径 而 是 椭 圆 轨 道 的 半 长 轴 不管怎样 开普勒基本上正确地给出了这一定律 他 为 寻找 这一规 律 努 力 了 1 6年 当初 他 就 是 为 了 找 寻这个规律而投奔第谷的 现在 他终于站在老师的 肩上 摘取到了这丰硕的果实 第三定律是开普勒后 半生努 力 寻找 的 目标 而 第 一 第 二定 律则 是在 追求 这一 目标 的过程 中得到 的意外 收 获 这 3条 定 律 的 发 现 使 开 普 勒 获 得 了 天 空 立 法者 的美誉 然而 他仍然是穷 困的 开普勒一直 牢记第谷的嘱托 发誓要完成老师的遗愿 制定最精 确的星表 他不顾家庭生活的困苦 不顾 自己手 眼 残疾 不 顾几乎 得 不 到 分 文 的报 酬 执 著地 观 测 整 理数据 终于完成 了这一星表 鲁道夫星表 以此报答