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[转载]地心说诞生史:历时7个世纪,统治欧洲天文学近1500年

已有 218 次阅读 2021-6-14 22:29 |系统分类:科研笔记|文章来源:转载

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地心说诞生史:历时7个世纪,统治欧洲天文学近1500年

2020-12-09 20:14·张老师科普

地心说诞生史:历时7个世纪,统治欧洲天文学近1500年


说到地心说,很多人就想到托勒密,但其实地心说的诞生是一个复杂又艰辛的过程,从“地心说原型”产生到托勒密的“终极版本”中间涉及到了多个科学家。

我是张老师,这一期我们就一起来聊一聊:“地心说”艰难的诞生过程

地心说的原型

在上一期的视频中,我们讲到了毕达哥拉斯根据自己的完美论提出了地球是个球形的观点,虽然没啥证据,但也算是蒙对了!

不过呢,这个观点只是毕达哥拉斯宇宙观中的1小部分,他的脑洞比我们想象中要大得多!

地心说诞生史:历时7个世纪,统治欧洲天文学近1500年

毕达哥拉斯

他还认为球形的地球就是宇宙的中心,外面被一圈同样是球形的天空包着;天空的外面则有一圈叫“和谐球”的球,太阳、月亮、五大行星都在里面运行;而 “和谐球”外面又有一圈叫做 “天界”的球,所有恒星都住在这里;最后,“天界”之外还有一圈永不熄灭的天火,星星们通过反射“天火”发出光芒。

就这样,地球、天空、和谐球、天界、天火,这5个球构成了宇宙这个大球,里面所有的天体都围绕着地球这个中心做着匀速圆周运动,这就是毕达哥拉斯完整的宇宙观,也算是的“地心说”的原型。

地心说诞生史:历时7个世纪,统治欧洲天文学近1500年

毕达哥拉斯的宇宙观,地心说原型

由于毕达哥拉斯是当时学术界的大佬,地位高、粉丝又多,还发现了勾股定理、黄金分割率,所以他的这个宇宙观,虽然没啥证据,但也有不少人认同,而他的“天球必须是球形”和“天体运动必须是均匀的”这两个观点,更是成为了古希腊到17世纪之前,描述天体运动必须要遵循的两个标准。

然而,观测宇宙在当时也是一份正儿八经的工作,占星家们天天都要盯着天空看,所以,随着对宇宙观察时间的拉长,大家发现事情好像没有这么简单

地心说诞生史:历时7个世纪,统治欧洲天文学近1500年


地心说的1.0版本

有一位叫做柏拉图年轻人,他就是后来大名鼎鼎的唯心主义代表人,他说:“如果所有天体都是绕着地球做匀速圆周运动,那么五大行星为什么有的时候会顺行,有的时候会逆行呢?

他可不是觉得毕达哥达斯不对,而是觉得背后有一些我们没发现的东西,于是他呼吁自己的学生一起想一想:“怎么才能用均匀有序的运动,描述看起来不规则的行星运动?”

地心说诞生史:历时7个世纪,统治欧洲天文学近1500年

柏拉图

这里我们顺便科普一下行星逆行,我们平时坐在车里,看外面骑自行车的人,你就会发现他虽然骑的很卖力但却在往后退。

“行星逆行”就是这么个原理,在太阳系里,八大行星离太阳越近公转的速度越快,比如距离太阳最近的水星只要88天就可以绕太阳转上一圈,而最远的海王星则需要165年才能绕太阳一圈,所以所谓的行星逆行实际上就是地球跑的比别的行星快,造成的错觉,而这放在认为地球是宇宙中心的古希腊身上,自然就成了行星在逆行。

地心说诞生史:历时7个世纪,统治欧洲天文学近1500年

火星逆行现象原理

我们再说回来,第一个跳出来在地心说的基础上,解决行星逆行问题的人,是柏拉图的一个学生:欧多克斯,他利用多个“同心球”叠加运动解释行星了逆行的现象。

我们拿火星举例,他说火星其实是被四个透明的同心球带着运动的,这四个同心球一个套一个,各自都保持着完美的圆周运动,但是他们每个球的转向和速度是不一样的,彼此组合之后就形成了火星逆行的“奇怪”曲线。

地心说诞生史:历时7个世纪,统治欧洲天文学近1500年


欧多克斯最后给太阳和月亮套上了3个同心球5大行星各套上4个同心球,加上最外面装星星的恒星天球,一共是27个天球组成了一个新的宇宙观。

欧多克斯是第一个开始使用几何思维,真实去模拟天体运动的人,这是天文学上的重要里程碑,他的同心球模型也是真正意义上的地心说模型1.0版本

后来,柏拉图的另外一个大师级的学生,也就是我们上一期提到的论证了“地球是球”的大佬亚里士多德,他又在欧多克斯的基础上继续改进和完善,倒腾出了一个一共有49个天球的水晶球模型,这把同心球理论推到巅峰,主导了当时古希腊的天文学。

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地心说的2.0版本

不过呢,行星的轨迹比想象中的要复杂的多,人们很快又注意到行星除了运动的方向经常发生变化之外,它们的亮度也会发生变化,而同心球模型并不能解释这个问题。

于是另一个牛人就登场了,他就是以研究圆锥曲线著称的阿波罗尼

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阿波罗尼

他认为,太阳、月亮还有五大行星各自都围绕着一个叫“本轮”的东西做匀速圆周运动,而本轮的中心,则是围绕着一个以地球为中心的“均轮”做匀速运动。这个模型不仅可以解释行星逆行的变化,还可以解释行星和地球距离的变化

还是以火星为例,在阿波罗尼的本轮、均轮模型下,火星绕着自己的本轮转,而本轮又绕着均轮转,这样就形成火星时顺时逆、时远时近的运动轨迹。

阿波罗尼的这个本轮,是第一个不以地球为中心的东西,千万不要小看这一点点进步,它是实证科学的萌芽,他的思维整整超前了那个时代400年,而这个本轮加均轮的模型也就是地心说模型2.0版本。

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本轮-均轮模型

地心说的3.0版本

但是问题还是没有完全解决,为了能符合越来越精细的观测数据,本轮-均轮模型加入了越来越多的轮子,但人们很快发现,有些问题不是靠添加轮子就能解决的,比如行星逆行的幅度时大时小,就没办法靠添轮子来解释

于是,天文学界教父级的大神托勒密终于在400年后粉墨登场。

地心说诞生史:历时7个世纪,统治欧洲天文学近1500年

托勒密

首先,他认真思考和总结前人的思想,画了一个宇宙模型,并阐述了他的基本的宇宙观:

  • 1.球形的地球在宇宙的中心,静止不动。

  • 2.月亮和五大行星在本轮和均轮上做着运动。

  • 3.太阳只有均轮没有本轮。

  • 4.水星和金星的本轮中心始终位于日地连线上,该连线一年中绕地球转一圈。

  • 5.火星、木星、土星到他们各自本轮中心的直线总是与日地连线平行,这三颗行星每年绕各自的本轮中心转一圈。

  • 6.“恒星天”每天绕地球转一周。

  • 7.日月和五大行星除了各自的本轮均轮运动外,还会跟着恒星天一起绕地球转一周。

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然后,他又根据自己的观测,给模型中的本轮、均轮都设计详细的大小、角度和速度值,并且用其来预测天体的位置,如果实际观测到的现象不符,他就会修正各种参数或者增加本轮,到了后来他的本轮数量甚至加到了80个!

但是,虽然轮越来越多,但模型对天体位置的预测却还存在着不小的偏差,直到托勒密在一本古籍中看到了一个只活了19岁的神童依巴古的生平。

依巴古也是个天文迷,从小就爱观测天文,他发现四季天数不同,秋天短、春天长,于是他指出地心不在太阳圆周运动的中心点,而是在一个偏心的位置上。

地心说诞生史:历时7个世纪,统治欧洲天文学近1500年

四季天数不同

依巴古的这个发现犹如醍醐灌顶,托勒密立刻修正了自己的宇宙模型,把地球的位置从正中心挪开了一点点,于是奇迹就发生了,模型的预测和观测现象相符程度大大提高,地心说模型3.0版本也是终极版本终于克服重重困难诞生了。

地心说诞生史:历时7个世纪,统治欧洲天文学近1500年

地心说模型,行星运动曲线

这个模型可以相当准确的预测日食和月食,误差不会超过1个小时,也可以基本预测五大行星的运动位置,误差也只有几天。这对于当时的人来说,就是上帝的力量。

最后,托勒密把他一生的研究写成了一本《天文学大成》,这是人类历史上第一部系统阐述天文学的巨作,也是接下来1500年里一本不用改版的天文学教科书。

地心说诞生史:历时7个世纪,统治欧洲天文学近1500年

天文学大成内容截图

直到1473年2月19日,一名婴儿悄然在波兰维斯瓦河畔的托伦市诞生,让一切即将开始变得不同,他就是——哥白尼

好啦,关于地心说模型艰难的诞生过程就说到这里,下一期我将和你们说说哥白尼怎么单挑托勒密的,关注张老师科普,我们下期再见吧。

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哥白尼




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