从地心说到日心说

从地心说到日心说（一）地心说大家应该都听说过，就是认为地球是宇宙的中心，太阳及其他所有的天体都围绕着地球运转。简单来说，是这样的，但是实际上并没有这么简单，如果一个学说就这么简单的描述一下，就能被大众认可，并在1500多年的时间中其地位难以动摇，那么也太小看历史上的那些科学家了。一、史前时代人类从很早就开始观察天空了，各个文明，各个民族，在古代的传说中都有关于天地的传说。而当各个文明逐步进入新石器时代晚期到青铜时代的这段时间，一些最简单的自然规律也被人类逐步了解。比如日月星辰围绕大地的运动，随着农业和生活的需要，人们观测日月星辰的变化，逐渐有了时间的概念，有了日，月，年的时间。那么日月星辰最直观的运动就是围绕着大地在运动，而大地对于人类来说就是永恒不变的。所以，以大地为中心，天上的日月星辰围绕大地周而复始的运动，成为了人类最早的认知。这种认知在最早的几大文明中基本上都是一样的，无论是古代中国，还是古印度，古埃及，古代两河流域文明，都是一样的。而欧洲的主要文明区域，古希腊地区，其天文方面的知识最开始受古埃及和巴比伦的影响最大。比较早一些的记载目前的资料还很少，当古希腊文明进入古风时代，各种天文方面的理论和研究变得越来越多。当然，这也与当时的社会需求紧密相关，因为这时开始进入了城邦时期，人们对于时间和历法的需求比以前更加迫切了，所以为了获得更精确的历法，就需要有更完善的天文理论。各行星发现时间表1.水星早在公元前3000年的苏美尔时代，人们便发现了水星，古希腊人赋于它两个名字，当它初现于清晨时称为阿波罗，当它闪烁于夜空时称为赫耳墨斯；2.金星在史前就已被人所知晓；3.地球人类居住地，故不存在发现之说，但地球是球形这一概念最先是公元前五、六世纪的古希腊哲学家毕达哥拉斯提出；4.火星在史前时代就已经为人类所知；5.木星早在史前木星就已被人类所知晓；6、土星在史前就被发现。伽利略在1610年第一次通过望远镜观察到它，并记录下它的运行轨迹；7.天王星：是由威廉·赫歇耳通过望远镜系统地搜寻，在1781年3月13日发现；8.海王星亚当斯和勒威耶在1846年9月23日首次观察到海王星；9.冥王星于1930年由美国天文学家克莱德汤博发现。二、地心说的萌芽——米利都学派地心说最早形成于古希腊的米利都学派，这个学派的创始人就是泰勒斯，大约创立于公元前6世纪，地心说的萌芽就是出现在这个学派中。地心说的萌芽米利都学派，是以地区命名的。米利都是古希腊城邦的一所殖民城市，在安那托利亚西海岸线，今属土耳其。泰勒斯提出：“万物源于水”这个哲学命题，开辟了古希腊人探讨宇宙本源的道路。泰勒斯追问了宇宙最根本的构成材料，有对自然现象的变化做出自然方面的解释。这样思考万事万物，便意味着整个宇宙都是可以被人类所思想所理解的。但是基于泰勒斯命题来源于经验观察，从而得出具有局限性的认识。米利都乃至整个欧洲文明，都被海洋包裹着，以至于泰勒斯认为整个大陆漂浮在海洋上面。就像是船那样，而地震现象是因为波涛涌动引起大陆的震荡。再加上一些生命都离不开水，由此得出结论。在整体上考虑宇宙万物由来问题之后，泰勒斯的弟子们又开始讨论宇宙的存在形式。阿纳克西曼德认为宇宙是球状的，星辰镶嵌在圆球之上。这来源于对天际线、海岸线等广阔视野的观察，这些东西不是直线，而且曲线。进而推论出，宇宙可能不是方得，而是圆的。当时并没有地球的概念和认识，他认为大地是柱状的，就像是鼓一样。我们生活在鼓的这一面，另外一面也应该是存在的（以地球为中心，其实是以我为中心）。阿那克西米尼改进了阿纳克西曼德的“宇宙模型”，他说：宇宙或许不是个球体，而是个半球，像一个巨大的毡帽一样罩在大地上。大地则是像一个盘子，浮在“气”上面。米利都学派是被认为是第一个哲学流派，泰勒斯之所以被称为“哲学之父”，亚里士多德说他首创了一种追寻万物本愿和归宿的哲学。泰勒斯以及整个米利都学派，都在追问构成宇宙的最根本的材料是什么？至于“水”还是“气”，以及后来的四元素说，这个答案是不重要的。重要的是古人为什么会得出这样的认知？他们为什么会这样想？开创了研究宇宙的先河（以我为中心）三、欧多克索斯——初步建立宇宙模型（同心球体系）柏拉图（Plato,427～347BC）的学生欧多克索斯（Eudoxus,408~355BC）构建了同心球体系，该体系设计认为地球在中央是静止的不动的，往外依次是月亮、太阳、水星、金星、火星、木星、土星和恒星，它们都绕着地球转动。欧多克索斯还是以火星为例，他认为火星被四个透明的同心球带着运动，这个四个球都保持着完美的圆周运动，但是每个球的转向和速度是不一样的，这样彼此组合后就形成了火星逆行的曲线。最后，欧多克斯先后给日月添加了3个同心球，五大行星各加上4个同心球，最外面是恒星的天球，这样一共27个天球组成了他的宇宙观。欧多克斯是第一个用几何思维去模拟天体运动的人，他通过同心球的几何运动，解释了行星逆行的现象，这是天文学上的一次重要的突破，也为后来的地心说奠定了数学意义上的基础。亚里士多德经过更多的研究之后，将欧多克斯的同心球理论继续完善和改进，设计了宗动天、恒星天、土星天、木星天、火星天、太阳天、金星天、水星天、月亮天，中心则是地球的宇宙结构模型，增加了22个天球，最终形成一个共包含49个天球的模型，这些天球是相互连接的物质实体，并且天体依附在天球上（有点类似于俄罗斯套娃，娃娃即为天球，而不同天体是镶嵌在不同的娃娃上）。亚里士多德认为天体的运动需要外力推动，因此设计出的宗动天作为运动原动力的发源地，宗动天的推动力会依次传到最里层的天球，进而带动整个宇宙运动起来。此时，同心球理论的巅峰，成为当时希腊天文学的主导思想。同心球层体系一开始就招致了某些困难，因为它要求天体永远和地球保持同一距离。但行星亮度的变化以及\t"/item/%E5%9C%B0%E5%BF%83%E8%AF%B4/_blank"日食有时是全食、有时是环食的现象说明，行星、太阳、月亮离地球的距离是不断变动的。四、\t"/item/%E5%9C%B0%E5%BF%83%E8%AF%B4/_blank"阿波罗尼阿斯——“本轮-均轮”模型“同心球”模型将所有的天体放置于以地球为中心的球面上，因此天体运行过程中距离地球的距离不变。而观测发现，火星逆行时会看上去更明亮，也就是说距离地球更近。这成了“同心球”模型的一个严重缺陷。阿波罗尼斯（公元前262年-公元前190年）以“本轮-均轮”的几何模型为行星与地球间距的变动提供了一种解释。行星位于一个叫本轮的小圆周上，相对本轮中心作圆周运动。本轮中心位于以地球为圆心的大圆周上，称为均轮。（事实上，这个模型非常类似于现代观点的日地月系统模型）行星的运动由本轮和均轮的旋转复合而成，有时快，有时慢，有时前进，有时倒退。为了摆脱这一困难，柏加的\t"/item/%E5%9C%B0%E5%BF%83%E8%AF%B4/_blank"阿波罗尼阿斯约前247–约前205)提出了另一种几何模型，他的模型中只有天体的轨道，而无实体的同心球，这是一个很大的进步。为了解释太阳和月亮与地球间的距离的变化，他设计了\t"/item/%E5%9C%B0%E5%BF%83%E8%AF%B4/_blank"偏心轮——地球在天体圆\t"/item/%E5%9C%B0%E5%BF%83%E8%AF%B4/_blank"轨道中心的一旁，为了解释行星的逆行现象，他提出了“本轮–\t"/item/%E5%9C%B0%E5%BF%83%E8%AF%B4/_blank"均轮”结构——行星沿本轮怍\t"/item/%E5%9C%B0%E5%BF%83%E8%AF%B4/_blank"圆周运动，本轮的中心又在另一均轮圆周上以地球为中心运行。五、\t"/item/%E5%9C%B0%E5%BF%83%E8%AF%B4/_blank"希帕克斯-“偏心圆”模型阿波罗尼斯思想后来又为\t"/item/%E5%9C%B0%E5%BF%83%E8%AF%B4/_blank"罗德斯岛上的\t"/item/%E5%9C%B0%E5%BF%83%E8%AF%B4/_blank"希帕克斯约前161–约前126)所发展。他用一个固定的偏心轮解释太阳的表观运动，用一个移动的偏心轮解释月亮的表观运动，而行星的运动则用一套本轮一均轮来解释。他的模型与实际符合得较好。希帕克斯收集和比较了古人的观测记录，从而发现了\t"/item/%E5%9C%B0%E5%BF%83%E8%AF%B4/_blank"分点岁差为36''(实际约为50'')。他测定丁约一千零八十颗恒星方位，编制了\t"/item/%E5%9C%B0%E5%BF%83%E8%AF%B4/_blank"星表。他把恒显的亮度分为六等。他通过观测月孔在两个不同纬度的平纬度，确定月亮离地球的距离约为地球直径的三十六倍，月亮直径为地球直径的三分之一(实际分别为三十倍和零点二七)。这些成就表明，当时的天文学已达到相当高的水平。希帕克斯（公元前190年~公元前120年）主张太阳沿黄道匀速运行，但地球并非位于黄道的圆心。“偏心圆”模型不改变赤道面位置，因此黄赤交点不变，即两分两至位置不变。图中，X为最远点，Y为最近点。A、B、C、D分别为两分两至点。。每个时节对应的圆弧长度不同，则时节的长短不同。尤其难能可贵的是，希帕克斯清醒地认识到不应沉溺于设计全部天体理论的梦想当中，而应该专注于系统地收集重要的观测数据，作为检视、修正、拓展天文理论的参考基础。他身体力行地进行了多项天文数据的观测。计算出回归年（太阳回到春分点所用时间）为365.25-1/300日（与现代数据仅相差14分钟，即相对误差不到十万分之三），恒星年（太阳回到同一星座位置所用时间）为365.25-1/144日，由此发现了“岁差“（回归年与恒星年的差异）。通过长年累月的观测，绘制了西方第一份”恒星表“，使用相对黄道、赤道的数据标出了至少850颗恒星的位置，并划分了亮度等级，为辅助定位行星提供了有力的依据。六、托勒密——《天文学大成》随着时间的积累，各种天文观测数据越来越详细而丰富，行星运动的更多不规则特性逐渐显露出来。单纯的“本轮-均轮”模型和“偏心圆”模型不断受到各种质疑。两三百年后的公元150年，托勒密的著作《至大论》出世。克劳迪乌斯・托勒密约公元100年－公元170年）提出了一整套解释行星问题的技巧，对古代天文学做了系统性整理与发展。他从观测数据出发，通过算术和几何论证的方法，以大量演示性过程计算和数据比照，体现出天体问题背后的数学精确性。他最主要的创见在于“偏心匀速点”的引入。“本轮”中心是相对于偏离均轮圆心的“偏心匀速点”作恒定角速率的圆周运动。根据每个行星的特殊情况，本轮平面与均轮平面或重合或倾斜。行星的许多不规则性都可借由这个改进的模型得以解释，且成效卓著。托勒密总结了希腊古天文学的成就，写成《天文学大成》十三卷。其中确定了一年的持续时间，编制了\t"/item/%E5%85%8B%E7%BD%97%E7%8B%84%E6%96%AF%C2%B7%E6%89%98%E5%8B%92%E5%AF%86/_blank"星表，说明\t"/item/%E5%85%8B%E7%BD%97%E7%8B%84%E6%96%AF%C2%B7%E6%89%98%E5%8B%92%E5%AF%86/_blank"旋进、折射引起的修正，给出\t"/item/%E5%85%8B%E7%BD%97%E7%8B%84%E6%96%AF%C2%B7%E6%89%98%E5%8B%92%E5%AF%86/_blank"日月食的计算方法等。他利用希腊天文学家们特别是希帕恰斯的大量观测与研究成果，把各种用\t"/item/%E5%85%8B%E7%BD%97%E7%8B%84%E6%96%AF%C2%B7%E6%89%98%E5%8B%92%E5%AF%86/_blank"偏心圆或小轮\t"/item/%E5%85%8B%E7%BD%97%E7%8B%84%E6%96%AF%C2%B7%E6%89%98%E5%8B%92%E5%AF%86/_blank"体系解释\t"/item/%E5%85%8B%E7%BD%97%E7%8B%84%E6%96%AF%C2%B7%E6%89%98%E5%8B%92%E5%AF%86/_blank"天体运动的地心学说给以系统化的论证，后世遂把这种\t"/item/%E5%85%8B%E7%BD%97%E7%8B%84%E6%96%AF%C2%B7%E6%89%98%E5%8B%92%E5%AF%86/_blank"地心体系冠以他的名字，称为\t"/item/%E5%85%8B%E7%BD%97%E7%8B%84%E6%96%AF%C2%B7%E6%89%98%E5%8B%92%E5%AF%86/_blank"托勒密地心体系

[2]。这部巨著是当时天文学的\t"/item/%E5%85%8B%E7%BD%97%E7%8B%84%E6%96%AF%C2%B7%E6%89%98%E5%8B%92%E5%AF%86/_blank"百科全书，直到\t"/item/%E5%85%8B%E7%BD%97%E7%8B%84%E6%96%AF%C2%B7%E6%89%98%E5%8B%92%E5%AF%86/_blank"开普勒的时代，都是天文学家的必读书籍。《\t"/item/%E5%85%8B%E7%BD%97%E7%8B%84%E6%96%AF%C2%B7%E6%89%98%E5%8B%92%E5%AF%86/_blank"天文学大成》——500年的希腊天文学和\t"/item/%E5%85%8B%E7%BD%97%E7%8B%84%E6%96%AF%C2%B7%E6%89%98%E5%8B%92%E5%AF%86/_blank"宇宙学思想的顶峰——统治了天文界长达13个世纪。这样一本知识上参差交错且复杂的著作，不是单独一个人所能完成的。托勒密依靠了他的先驱者，特别是希帕恰斯，这一点是无须掩盖的。他面对的基本问题是：在假设宇宙是以地球为中心的、以及所有天体以均匀的速度按完全圆形的轨道绕转的前提下，试图解释天体的运动。因为实际天体以变速度按\t"/item/%E5%85%8B%E7%BD%97%E7%8B%84%E6%96%AF%C2%B7%E6%89%98%E5%8B%92%E5%AF%86/_blank"椭圆轨道绕地球以外的中心运动，为了维护原来的基本假设，就要考虑某些非常复杂的\t"/item/%E5%85%8B%E7%BD%97%E7%8B%84%E6%96%AF%C2%B7%E6%89%98%E5%8B%92%E5%AF%86/_blank"几何形状。托勒密使用了三种复杂的原始设想：本轮、偏心圆和\t"/item/%E5%85%8B%E7%BD%97%E7%8B%84%E6%96%AF%C2%B7%E6%89%98%E5%8B%92%E5%AF%86/_blank"均轮。他能对火星、金星和\t"/item/%E5%85%8B%E7%BD%97%E7%8B%84%E6%96%AF%C2%B7%E6%89%98%E5%8B%92%E5%AF%86/_blank"水星等等的轨道分别给出合理的描述，但是如果把它们放在一个模型中，那么它们的尺度和周期将发生冲突。然而，无论这个体系存在着怎样的缺点，它还是流行了1300年之久，直到15世纪才被\t"/item/%E5%85%8B%E7%BD%97%E7%8B%84%E6%96%AF%C2%B7%E6%89%98%E5%8B%92%E5%AF%86/_blank"哥白尼推翻。地心说是世界上第一个