从哥白尼到开普勒

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奥赛安德尔为了此书能安全发行，擅自增加了 一篇《关于本书的假说告读者》的未加署名的 前言，大意说书中的理论并不代表行星在空间 的真实运动，而是为编算星表、预推行星位置 的一种人为的设计。当时哥白尼已经身患重病， 无力反对这篇前言。后来这篇前言一直被当作 哥白尼的亲笔，多次出版都被保留在书中。直 到上一世纪中叶，有人在布拉格的图书馆里发 现了《天体运行论》的原稿才搞清楚，在以后 再版时将它删去了。1543年5月24日哥白尼收 到刚印好、飘着油墨香味的《天体运行论》的 样书时，已经不能说话了，不久，他便离开了 人世。
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从幼年到青年时期他在当地求学，除了学习古典著作 以外，还研究天文学，并且学会了使用简单的天文仪 器。之后，他的舅父本来想培养他成为教职人员，所 以送他到意大利游学，在那里他学习了教会法律、希 腊文，并且得到了博士学位。在意大利，他继续对天 文学保持浓厚的兴趣，除了阅读拉丁文的天文著作之 外，他还学会阅读希腊文的天文著作。他26岁时，来 到罗马，在那里教授天文学与数学。后来又学习了两 年医学。
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火 星 荧 惑 )
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(
木 星 岁 星 )
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(
土 星 镇 星 填 星 )
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( ,
5大行星运行规律，从表中可
发现，前2个和后3个不同，前 者称为内行星，后者称为外 行星。
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•1．1 天体的视运动
从远古起，人类就注意并观察日、
月、星辰的运动和变化。世界各民 族都是这样。所观察到的这些变化 大致可以归纳如下：
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天球每一昼夜旋转一周，天上的恒星相对位置 不变。天球旋转轴的北极在北极星附近。一切 天体都参加天球的周日运动。方向从东向西。 太阳在天球上每日由西向东约1°，365.24天 运行一周，其轨迹称为黄道。太阳运行的速度 夏季比冬季慢，如在6月1日到6月30日运行了 27.5° ， 而 在 12 月 1 日 到 12 月 30 日 运 行 了 29.5°。将周日运动星图上与北极星呈90°的 星连起来，称为赤道。黄道和赤道交角为 23.5°。
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月 亮 玉 兔 ）
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星 名 视周期 水 星 116日
运动特点
在太阳附近摆动与太阳的最大夹 角在 18°－28°（平均23°）之间 在太阳附近摆动，与太阳最大夹 角约40°

金
星 约217日


火
木 土
星 约687日
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1．3 托勒密的天文学成就


托勒密（Ptolemy,?－120年）系统整理了伊巴 谷的工作，并且进一步发展后完成了著作《大 汇编》，这就是后人所说的托勒密体系。这个 体系在后来由于被认为符合基督教的教义，被 看作一成不变的教条，统治了天文学达1000多 年。 托勒密的观察很精细，而且制造过不少好的天 文仪器，他发现了天球北极的易位，即岁差现 象。他还发现了星球在近地平线时的快速升高， 即光折射的影响。
2.
3.
古希腊人的天文学和托勒密系统 尼古拉· 哥白尼及其贡献 开普勒的行星运动三大定律
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•§1 古希腊人的天文学和托勒密系统

天文学作为自然科学最早的学科，它的 任务主要是描述、记载和观测天体的运 动。也可以说，主要是天体这种特殊物 体的运动学。近代精密力学的最早萌芽 即是从天文学开始的。
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在唯一的学生雷蒂库斯与其他朋友的极力劝说之下， 哥白尼终于同意出版《天体运行论》了，雷蒂库斯以 极大的热情帮他缮写手稿并且以这本书的编辑的身份 前往纽伦堡联系出版事宜。在纽伦堡，雷蒂库斯收到 了哥白尼补写的将此书献给教皇保罗三世的献词。这 份献词的目的是向教皇阐述此书绝无亵渎之意，以求 得教皇的谅解和庇护。在献词中，哥白尼提到他出版 这本书的忧虑是怎样被他的一些好友消除的，但是， 由于疏忽，哥白尼没有一处提到雷蒂库斯。也许是由 此引起雷蒂库斯的不快，从而丧失了对出版此书的热 情，并放弃了此书的编辑工作，转由纽伦堡的出版商 奥赛安德尔（A.Osiander, 1498－1552）继续。
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《天体运行论》定稿之后，一直未付印，因为他意识 到他的体系与教会所提倡的地心说是根本对立的，必 为教会所不容，所以踌躇再三。 1539年，有一位名叫雷蒂库斯（G. J. Rheticus, 1514 －1574）的青年数学家专程到波兰拜访哥白尼，在两 年之中学会了哥白尼的学说，成为哥白尼的热烈的拥 护者和亲密的朋友。雷蒂库斯写了一篇《天体运行论 浅说》，这篇文章是以写信的方式介绍了《天体运行 论》的基本要点。文中对这本书赞美备至，但未提作 者的名字，称作者为“托伦的神父”。大约在1540－ 1541年间，这篇文章以单行本的形式出版了，并且引 起了社会上强烈的反响。
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§2 尼古拉· 哥白尼及其贡献
2．1

哥白尼的生平简历
尼 古 拉 · 哥 白 尼 （ Nicholas Copernicus,1473－1543）出生于波兰的普 鲁士地区，10岁时他父亲去世，由他舅 父抚养长大。他的舅父是这个地区的主 教，在当时政教合一的西方，实际上是 这个地区的最高统治者。
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托勒密的观察很精细，而且制造过不少好的天文仪器， 他发现了天球北极的易位，即岁差现象。他还发现了 星球在近地平线时的快速升高，即光折射的影响。 托勒密的系统是： 地球处于天球的中心； 各行星与日、月绕地球作等速圆周运动，而且还 进行沿着绕自己平均位置为中心的小圆（本轮）作等 速运动。对行星的轨道圆来说，地球的位置是偏心的； 星空是一个以地球为中心的24小时旋转一周的球 体。
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在这些复杂的星球运行图上，最早天文学的 任务在于：
1． 尽量ຫໍສະໝຸດ Baidu确的地确定太阳、月亮与 五大行星的运动规律； 2． 预言它们以后的位置； 3． 讨论它们可能的真实运动图形。

这些一直是17世纪之前天文学追求的 目标。
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•1．2 在托勒密以前古希腊天文学 的成就
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哥白尼在30岁时回到波兰，那时他舅父在一个大教堂 里当教士，他也就在舅父的教堂里当一名博学教士。 此后他就一直在那里工作到去世。在教堂里，他的任 务是记帐、看病等教堂事务，在余下的时间就去思考 他的宇宙模式。 1512年，他的舅父去世了，他继续在那里工作，并且 在教堂附近的平台上安装了一些简陋的天文仪器，以 供他观察之用。 哥白尼最大的贡献是他积数十年如一日撰写的著作 《天体运行论》，这本书提出了日心说，从而结束了 一千多年的地心说的统治。
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2002年2月的 星图
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太 阳 金 乌 ）
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月亮由西向东运行一周时间为27.3日（即每日 运行12°－13°）每周运行约90°。朔（月亮 暗的时候）、望（月亮圆的时候）周期（与运 行周期不同）为29.5306日。如果仔细观察可 发现月亮在天空中的运行不是等速的。 除了太阳与月亮之外，古代人们把位置变化 的星称为行星，肉眼能看见的行星有5个，即： 金星（太白）、木星（岁星）、水星（晨星）、 火星（荧惑）、土星（镇星或填星）。它们的 运行规律各不相同，分别描述如表。
星 约12年 星 约29.5 年
在天球上徘徊地从西向东运行， 780日一徘徊
在天球上徘徊地从西向东运行， 399日一徘徊 在天球上徘徊地从西向东运行， 378日一徘徊
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水 星 晨 星 )
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(
金 星 太 白 )
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地 球
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托 勒 密 地 心 说 系 统 图
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托勒密的系统建立后，被人们普
遍认可，被宗教统治者定为天经 地义一成不变的真理。经过了一 千多年，到16世纪由哥白尼开始 的天文学革命打破了整个人类追 求知识的长期沉寂。这个重大时 代变革的时代背景是：
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阿波罗尼对行星运动提出均轮（deferent 即行星匀速 地绕地球运动的圆形轨道）与本轮（epicycle即行星 以匀速绕均轮上匀速运动点的又一种圆周运动）的方 案。根据这一方案可以正确解释行星的。 伊巴谷(Hiparchus,?-126BC)测得四季长短不等、一年为 365.25日。他还得到月亮的距离，他将太阳、月亮运 动编制了精密的表，用以推算日月食。他发现了岁差， 即黄道和赤道之间的交点在缓慢地改变，每年为 46.8〃（现今为48〃）。他编制了星图、发明了球面 三角学。他曾被称为天文学之父，是古代在有成就的 天文学家逆行。
• 图2
阿里斯塔恰斯测日月距离比的示意图
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古希腊在托勒密之前的天文学已经相当发达，资料也 已相当多。 毕达哥拉斯提出地球是球形的见解并给出了论证。 提出天球是多个透明球的见解，这些球带着5大行星旋 转。 阿里斯塔恰斯（Aristarchus,310-230BC）第一个尝试 测量太阳、月亮的大小及其与地球的距离。他知道月 亮反光，如以三角形EMS中，E为地球、M为月亮、S 为太阳，当正好为半月时，角M为直角，测得角E的值 为87°（准确值为89.87°），由此估出太阳与月亮的 距离的比值为18－20（准确值是346）。他的这个测量 月亮、太阳距离之比的简单方法一直被天文界使用到 15世纪。他第一个提出过日心说。
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从14世纪末开始的欧洲文艺复兴运动，使整个人类社 会充满了新的创造精神。在天文、数学、地理、化学、 航海、文艺、宗教改革、印刷术，各方面都提出新的 思想，产生了一大批巨人。 托勒密的地心说体系，愈来愈与观测资料表现出矛盾。 特别是对行星的视运动，均轮、本轮系统越来越不能 说明运动轨迹。为了弥合这种误差，不得不增加本轮， 最后竞多达80多个。虽然运算麻烦仍然无法达到与观 测的统一。哥白尼认为“天空具有超越一切的完美 性。”既然天体宇宙是上帝的创造，而上帝是万能智 慧的，绝不会造出这种连人都觉得不美、不和谐的系 统。追求一种新的宇宙模式自然是势所必然的。
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哥白尼自画像
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中世纪后，在认识论上有很大的进步， 英国教士培根（Roger Bacon,?－1250） 最早喊出号召实验与观察，“看看这世 界”，“结束教条和权威的统治”的口 号。这种思想为广大学者所赞同，从而 逐渐跳出中世纪以纯思辨作为真理标准 的方法论的约束。正是在这些背景下， 新的天文学才得以诞生。
从哥白尼到开普勒
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夫天文者，朝廷之实政、儒者之实学，非 比一人一事，可以掉三寸之舌、立地雌黄、 洒笔端之墨，依稀形似者也。此其道在于测 验。 南怀仁：《不得已辨》 丁福保等，《四部总录算法编》，商务 印书馆，1957年，《补遗》，第46页

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《天体运行论》1543年版
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2．2 《天体运行论》的要点

在《天体运行论》中哥白尼以有力的证据论证了日心 说。尽管早在古希腊已经有一些学者主张日心说，如 阿里斯塔恰斯等，但由于论据不够充分，模型又粗糙， 所以流传不广，没有得到广泛的注意。《天体运行论》 共分六卷，讨论了太阳、月亮、行星等天体在天球上 的视运动，给出了从日心说模型出发用球面三角学去 计算这些视运动的方法。由于哥白尼认真分析了托勒 密系统的矛盾，分析了大量观测数据，又进行了大量 的计算，所以终于获得世人的公认。由于书中用了大 量的几何知识，所以书的初版广告中有一句话：“没 有学过几何的人，不准入内。”