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        日心說模型

        日心說模型

        2016-12-23 02:35:04  微科普
        本文作者:科普知識頻道

        2016-12-23 02:35:04
        作者:科普知識頻道
        來源:微科普
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         日心說模型

         

        發生于16和17世紀的科學革命,是一個前所未有的學習和發現的時代。在此期間,由于物理、數學、化學、生物學、天文學等領域的新突破,奠定了現代科學的基礎。提到天文學,最有影響力的學者肯定是哥白尼,他創立了宇宙的日心說模型

        根據對行星運動的持續觀測,以及此前來自古典時代和伊斯蘭世界的理論,哥白尼提出了宇宙的日心說模型,地球、行星和恒星都圍繞太陽運轉。這樣,他解決了古典地心說模型所產生的數學問題和矛盾,奠定了現代天文學的基礎。

        雖然哥白尼不是首位提出,在太陽系中地球和行星圍繞太陽運轉的人,但是他們的宇宙日心說模型卻是新鮮而及時的。舉例來說,它提出的時間點,正是歐洲天文學家們絞盡腦汁解決普遍接受的托勒密宇宙模型中所出現的數學和觀測問題之時,地心說模型在公元2世界被體系化了。

        此外,托勒密模型是首個對宇宙如何運轉提出完整詳細解釋的天文系統。哥白尼的模型不僅僅解決了托勒密體系所出現的問題,而且在沒有解釋地心說模型所需的復雜數學工具的前提下,提出了宇宙的簡化視圖。隨著時間的推移,該模型贏得了廣泛的支持者,促使它成為公認的天文學公約。

         

        托勒密(地心說)模型

         

        地心模型,即地球是宇宙的中心,太陽和所有行星都圍繞地球運轉,這是自古以來就被廣泛接受的宇宙模型。在古典時代晚期,這個模型被古希臘和古羅馬天文學家體系化了,如亞里士多德(公元前384-322年),他的物理學理論成為行星運動的基礎,托勒密(公元前100前后-170年左右),提出了數學解決方案。

        地心說模型基本上可以歸結為兩個常見的觀察。首先,對古代天文學家來說,星星,太陽和行星日復一日圍繞地球運轉。第二,從地球上觀察者的角度看,地球沒有移動,使得它成為太空中一個固定點。

        地球是圓的,這一學說在公元前3世紀成為公認的事實,這個觀點被納入了地心說。因此,在亞里士多德年代,宇宙地心說模型是指,地球、太陽和所有星星是球體,而且太陽、行星和恒星都做完美的圓周運動。

        直到古埃及-希臘天文學家克勞迪 托勒密,在公元前2世紀發表了他的天文學著作《天文學大成》,這個學說才得到完善。借鑒數百年的天文學傳統,從巴比倫到近代,托勒密認為地球是宇宙的中心,所有星星都與宇宙中心保持適當的距離。

        在這個系統中每個行星都循著兩個圓形系統運動——本輪和均輪。地球并不在均輪的中心,而是偏離一定的距離,以此來解釋季節的長度變化。本輪也被認為是周轉圓,它的中心循著均輪的大圓繞地球運行。本輪的作用是解釋行星為什么會逆行,從地球上觀察,行星在天空中運行的路徑會周期性的改變運動的方向,看起來似乎速度減慢,向后移動,然后再次向前移動。

        遺憾的是,這些解釋沒有考慮到所有被觀測行星的自身特點。最為明顯的是,行星逆行圈的大小(尤其是火星)有時候比預期的大,有時候小。為了解決這個問題,托勒密提出了等分——行星軌道中心附近的點。對站在這個點上的觀察者來說,行星的本輪總是在勻速運動,在其他位置的時候移動速度不均勻。

        在1000多年的時間里,這個系統在羅馬、中世紀的歐洲和伊斯蘭世界始終都是公認的宇宙模型,以現代的標準來看,這是非常不實用的。在托勒密模型中,每一個行星都需要一個本輪圍繞均輪運轉,還引入一個點叫“等分點”,位于均輪中心的另一側對于每一個行星都設計一個“本輪-均輪”體系。

        然而,這個模型確實比較準確地預測了行星運動,并在接下來的1500年里,被用來發展占星術和天象圖。到16世紀,這個模型逐漸被哥白尼、伽利略和開普勒所支持的日心說模型所取代。

         

        哥白尼(日心說)模型

        在16世紀,哥白尼開始設計他的日心說模型。哥白尼的工作是建立在古希臘天文學家的阿里斯塔克(西方公元前300多年,阿里斯塔克和赫拉克里特就已經提到過太陽是宇宙的中心,地球圍繞太陽運動)基礎上,并參考了馬拉蓋學派和多位伊斯蘭世界的著名哲學家的理論。16世紀初,哥白尼在題為《短論》的論文中歸納總結了他的天體運動學說的基本思想。

        1514年,哥白尼的手稿開始在朋友中流傳開來,他們中的許多人是天文學家和學者。這本四十頁的手稿記錄了日心說假設的思想,日心說假設共包含7項基本原理。具體包括:

        不存在一個所有天體的共同中心;

        地球是月球軌道中心;

        所有天體都繞太陽運轉,宇宙的中心在太陽附近;

        地球到太陽的距離同地球和太陽到星星的距離之比是微不足道的,因為距離遙遠,我們觀看星星的視線幾乎是平行的,這時視差接近于零;

        人們看到的行星向前和向后運動,是由于地球運動引起的;

        地球圍繞太陽做圓周運動,是環繞太陽的周年運動。地球不止有一種運動方式(地球除了旋轉外,還有某些運動);

        地球圍繞太陽的軌道運動使行星的運動方向上看起來是相反的。

        此后,他繼續為更加細致的工作進行數據收集,到1532年,他已經接近完成了他的巨著–天體運行論(關于天體運動的革命)。在這本書中,他提出了他的七個主要論點,以更詳細的表述和計算來支持他的論點。

         

        由于害怕教會的懲罰(以及可能,擔心他的理論存在一些科學缺陷),哥白尼沒有公開他的研究,直到去世前一年。到1542年,在他死亡之前,這本著作才在紐倫堡出版。

        日心說模型的影響:

        盡管擔心他的觀點招來爭議,哥白尼理論的出版僅僅導致了來自宗教權威的輕微譴責。隨著時間的推移,許多宗教學者反對他的模型。但在幾代人的時間里,哥白尼的理論傳播的更加廣泛,而且為大眾所接受,同時也獲得了許多有影響力的支持者。

        這些支持者包括伽利略(1564年-1642年),他利用望遠鏡觀測太空,解決了日心模型的缺陷,同時也發現了支持日心說的證據。例如,伽利略發現木星的衛星,太陽黑子,以及月球表面凸凹不平,所有這些發現顛覆了行星是完美球體的概念,行星與地球并不類似。伽利略對哥白尼理論的支持導致了他被軟禁。

        德國數學家和天文學家開普勒(1517年-1630年)引入橢圓軌道概念,幫助改進日心說模型。在此之前,日心模型還使用了圓形的軌道,它沒有解釋為什么行星在不同的時間以不同的速度繞太陽運轉。通過展示地球在其軌道上的某一點上加速,其它點減速,開普勒解決了這個問題。

        此外,哥白尼認為地球在轉動的理論,將繼續激發整個物理學領域的重新思考。之前的觀點認為外部的力量激發和維持這種運動(例如風能夠揚起帆),哥白尼的理論有助于啟發重力和慣性的概念。這些觀點由牛頓表達出來,他的理論形成了現代物理學和天文學的基礎。

        雖然進展緩慢,日心說模型最終取代了地心說。從此,人類對宇宙以及我們在宇宙中所處位置的理解將永遠的改變。

        責任編輯:科普知識網

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