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行星运动理论的发展过程


行星运动理论的发展过程

点击率:[608] 发布日期:[ 2007-06-01]文章类型:[教学改革]

行星运动理论的发展过程 生活在地球上的人类,不能感觉地球的运动,却能直接看到日月星辰绕地球旋转,因此,很容易误认为地 球是静止不动地居于宇宙的中心,于是地心说应运而生。公元前 4 世纪,古希腊哲学家亚里士多德 (Aristotle)提出整个宇宙是一个多层水晶球,地球位于水晶球的中心,恒星、行星、太阳和月亮都在各 自的轨道上围绕地球旋转。这是历史上最早的地心说,后经过古希腊天文学家托勒密(公元 90—168 年) 在二世纪中叶加以系统化之后,曾风靡世界达一千五百年之久。这一现象主要是因为这种说法与当时教会 的教义吻合,得到了教会的大力支持。 托勒密首先将希腊和罗马的天文学做总结,并写了一本有名的《大综合论》 ,这一本书可说是古今天文之大 成,书中不仅说明了所有天文学的知识,也大大的宣扬了著名的《天动说》 ,这个理论认为,所有的天体都 在〝本轮环〞上绕著地球公转,一圈一圈往外,有时为了修正星体的运动,必须在本轮环上再加本轮环, 这样一来天体的运动就会变得很复杂,对于精度不高的古代,这样做当然有其好处,只不过到了后来,天 文观测仪器的改进终于使《天动说》寿终正寝。但是,由于中世纪教会的影响《大综合论》成为中世纪的 天文典,而天动说也藉此支配中世纪的欧洲达一千多年之久。 中世纪的欧洲由于教会的压迫,自然科学的进展不大,因此这个时期的天文学重心便集中在阿拉伯。中世 纪天文学最主要的成就是岁差的测定和历法的修正,在当时甚至已经有光学的研究出现。这些阿拉伯天文 学的成就,为波兰伟大的天文学家哥白尼的新体系奠定了基础.而哥白尼的名著《天体运行论》的出版正揭 示了科学革命的到来。 哥白尼的天体运行论一书出版后日心学说就像涟漪一样地向外传布。哥白尼之后,意大利学者布鲁诺 (Giordano Bruno)进一步认为,太阳只是无数恒星中的一颗,仅是太阳系的中心,而不是宇宙的中心, 这一认识使哥白尼日心说得到了进一步发展。由于日心说危及到当时罗马教会的思想统治,反动教会对布 鲁诺恨之入骨,用种种恐怖手段逼迫布鲁诺放弃日心说,布鲁诺宁死不屈,最后被活活烧死。 1609 年,意大利著名物理学家、天文学家伽利略(Galileo)用望远镜巡视星空,获得了一系列的重 要发现——银河是由无数单个的恒星组成的,木星有 4 颗卫星,金星有圆缺变化,这些观测事实有力地支 持了日心说。 教会非常恐慌, 将伽利略传到罗马的宗教法庭受审, 并宣判他有罪, 直到 300 多年后的 1984 年,这一冤案才得以昭雪。 尽管罗马教廷对宣传、支持日心说的科学家加以重重迫害,然而经过开普勒(Johannes Kepler) 、伽 利略和牛顿(Isaac Newton)等人的工作,哥白尼的学说不断获得胜利和发展。后来的许多发现使地球 绕太阳转动的学说得到了举世公认的证明。特别是 1846 年,人们根据日心说理论的计算而准确地发现了 海王星,哥白尼的日心说终于得到了完全的证实。加上 1781 年天王星的发现,1930 年冥王星的发现, 日心说在对地心说的斗争中最终取得了彻底的胜利。 如果我们把今天源源不绝的科学成果比喻成自来水,那么哥白尼就可以说是一位装设水管的工人,而把这 个水龙头扭开的人则是牛顿,但是其中有一些非常重要的人,他们告诉牛顿水龙头在哪里。这些人把水龙 头的位置告诉牛顿,牛顿把水龙头扭开,于是,科学的成果便一直不断的产生,这个水龙头的流水不虞匮 乏,因为它直接与真理的海洋相连. 在哥白尼之后,出现了一位天文学史上举足轻重的天文观察家,也就是第谷。他在其一生中以当代最最精 确的精度观测了天空中的行星,其精确程度可说是达到了肉眼的极限。他对天文学最重要的贡献就是他穷 毕生精力所累积的观测资料,这些资料在他死后由他的学生开普勒继承,而开普勒也因为第谷的资料而发 现了行星运动定律。其次,第谷是一个地心说的拥护者,为了使地心说不至于完全溃败,他也提出了一种 介于日心说和地心说之间的行星运动体系,可惜的是他没有成功,因为日心说毕竟〝较符合〞实际的情况。

在他一生观测生涯当中,他也记录、发现了以前所未见的天象,如历史上著名的〝第谷之星〞就是一颗爆 发的超新星。这一个超新星的记录使得人们意识到,天空中的恒星并不是一成不变的,因此人类对于天堂 的梦想有点幻灭。另外,他还发现了月球运动中的〝二均差〞,这是一个预测月球运动的修正项。为了观 测的方便,他本身也是一位天文仪器制造家,他的仪器使得当时的观测精度达到肉眼的颠峰,只有望远镜 才能超越它。 说到第谷,就不能不谈一谈开普勒了。他和第谷是师生关系,也是第谷最得力的助手。约翰.开普勒 (Johannes Kepler,1571-1630) ,德国近代著名的天文学家、数学家、物理学家和哲学家。他以数学的 和谐性探索宇宙,在天文学方面做出了巨大的贡献。 开普勒是继哥白尼之后第一个站出来捍卫太阳中心说、并在天文学方面有突破性成就的人物,被后世的科 学史家称为“天上的立法者”。开普勒之所以留名青史的原因,是因为他发现了著名的《开普勒行星运动三 大定律》 ,这些定律是在没有光学仪器的时代中,最后的重大发现。 在他继承了第谷的事业后,他对第谷留下来的资料进行计算。对火星轨道的研究是开普勒重新研究天体运 动的起点。因为在第谷遗留下来的数据资料中,火星的资料是最丰富的,而哥白尼的理论在火星轨道上的 偏离最大。起先他仍按照传统观念,假设行星进行的是匀速圆周运动,但是用正圆编制火星的运行表,火 星老是出轨。他便将正圆改为偏心圆。在进行了无数次的试验后,他找到了与事实较为符合的方案。可是, 依照这个方法来预测卫星的位置,却跟第谷的数据不符,产生了 8 分的误差。这 8 分的误差相当于秒针 0.02 秒瞬间转过的角度。这样子的误差在很多人眼里可能微不足道,但开普勒绝对的相信他老师所遗留的 观测资料,于是他决定不用圆轨道来计算行星位置,而改用其他的圆锥曲线。在进行了多次实验后,开普 勒将火星轨道确定为椭圆,并用三角定点法测出地球的轨道也是椭圆,断定它运动的线速度跟它与太阳的 距离有关,使计算值与观测值有了相当好的吻合。按开普勒的说法〝就凭这 8'的差异,引起了天文学全部 的革命〞。 而将其总结,就是开普勒第一运动定律: 1. 行星轨道为椭圆,太阳在其任一焦点上。 这个定律将哥白尼学说推进了一大步。而第二定律与第一定律几乎同时发现 : 2. 行星的向径(行星与太阳的连线)在单位时间内扫过的面积相等。 这也就是说,行星在近地点公转得较快,在远地点公转得较慢。换而言之,行星的运动并不是匀速的。综 合第一及第二定律,我们可以知道,行星并不是象人们以往所想象的那样在进行匀速圆周运动。这一定律 进一步推翻了唯心主义的宇宙和谐理论,指出了自然界的真正的客观属性。 在发现这两条定律后,开普勒继续他的工作,在几年之后,终于将第三定律完整的呈现在世人眼前 : 3. 行星公转周期的平方正比于轨道半长轴的立方。 这一定律揭示了太阳的所有行星轨道半长轴的立方与周期的平方比值为同一个常数的规律,将太阳所有行 星的运动联系了起来,将太阳系变成了一个统一的物理体系。后来这一定律又被推广到了对于任意的同一 中心天体(恒星、行星)它们的所有环绕天体的轨道半长轴的立方与周期平方的比值为常数。 这三条定律所揭示的,是一个力学的新境界,也是天体力学的成功。哥白尼学说认为天体绕太阳运转的轨 道是圆形的,且是匀速运动的。开普勒第一和第二定律恰好纠正了哥白尼的上述观点的错误,对哥白尼的 日心说做出了巨大的发展,使"日心说"更接近于真理。更彻底地否定了统治千百年来的托勒密地心说。开 普勒还指出,行星与太阳之间存在着相互的作用力,其作用力的大小与二者之间的距离长短成反比。 开普勒不仅为哥白尼日心说找到了数量关系,更找到了物理上的依存关系,使天文学假说更符合自然界本 身的真实。开普勒在完成三大定律时曾说道:“这正是我十六年前就强烈希望探求的东西。我就是为了这个 目的同第谷合作的……现在大势已定!书已经写成,是现在被人读还是后代有人读,于我却无所谓了。也许 这本书要等上一百年,要知道,大自然也等了观察者六千年呢!” 不过,开普勒在其一生中,却无法对这行星运动定律做出解释。一是因为当时的数学工具不足,另一个原 因是他的生命没那么长。但是开普勒也对于重力的存在做出了猜测,事实上,这行星运动定律正是牛顿力 学在天体力学的展现,而这定律在科学史上之所以如此举足轻重,就是因为这三大定律导致了数十年后牛

顿重力理论的发现。 ( 1609 年,开普勒出版了《新天文学》一书,提出了著名的开普勒第一和第二定律。而开普勒第

三定律则是在 1619 年出版的《宇宙谐和论》中提出的。 )


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