第06讲 近代天文学革命

哥白尼革命
哥白尼 • 1473年2月19日生于波兰 • 18岁进入波兰的克拉科夫大学学习医学 • 1496年来到意大利，先后在波洛尼亚大学和帕多瓦 大学学习法律、医学和神学 • 从波洛尼亚大学天文学家德·诺瓦拉那里学到了天文 观测技术和希腊的天文学理论 • 1506年回到波兰，1509年写出了《概要》 • 1539年写出了天文学史上伟大著作《天球运行论》
布鲁诺
• 1548年出生于意大利 • 1584年出版哲学著作《论原因、本 原和太一》和《论无限的宇宙和多 世界》，发展了哥白尼的宇宙学说， 提出提出无限宇宙、无数个世界思 想 • 1600年2月17日，布鲁诺被天主教 会判处火刑
第谷的精密天文学
• 1546年出生于丹麦 • 汶岛天文台
百度文库密天文学
• 更大、更稳定、更准的新仪器 更精确的数据 • 定期观测 更可靠更广泛的数据 把欧洲天文学从古代数据的依赖中解放出来
新星与彗星
• 1572年，仙后座超新星爆发 “超新星比金星还亮，而且整整两年都保持肉眼可见” 1612年，该新星被观察到明显增亮 该超新星应该在月上区，位于恒星的领域之中 冲击了天空永恒不变的教条 • 1577年出现大彗星 彗星是星体，并且位于行星的领域之间 冲击亚里士多德的“彗星只是被点燃的火元素”的教条 天球可以被穿透——天球其实并不存在
• 问题：哥白尼的革命性在哪里？
哥白尼日心说的根本内涵
柏拉图主义对亚里士多德主义的反击 • 数是解释自然的钥匙，自然的秩序是几何的，简洁 的、和谐的、美观的 • 太阳是至高无上的 未来新范式的草图 • 哥白尼提出了另外一种选择，一个新的框架，以后 开普勒、伽利略、笛卡尔、牛顿等人正是在这个草 图上不断细描深刻，最终完成了近代科学的建构
第六讲 近代天文学革命
回顾古代天文学
同心球时期 米利都学派： 粗糙的宇宙图景 行星不规则运动 毕达哥拉斯学派： 和谐宇宙 柏拉图： 拯救现象 天文测量时期 阿波罗尼： 本轮与均轮
欧多克斯： 同心球理论
喜帕恰斯： 偏心运动
亚里士多德： 水晶球模型
托勒密： 偏心等距点
拯救现象的技术性装置
(B)
(A)
Tips：吉尔伯特磁力学的对开普勒的影响
• 1600年《论天然磁石和磁体》 • 地球内部是有同质的磁性物 质构成 哥白尼和开普勒可以解决离 心力的问题 • 由于地球是一个巨大的磁体， 所以它有一个灵魂 摆脱不了物活论
《宇宙的和谐》——开普勒第三定律
第三定律——调和定律： 行星公转周期的平方与它同太阳距离的立方成正比
伽利略与他的望远镜
• 1609年，伽利略听说荷兰人发明一种玩具——望远 镜，可以用两块透镜的组合把远处的物体拉近，从 而可以看得更清楚，于是就回去自己制作，用来做 天文观察
(C)
托勒密的基本假定
1、天是球形的并且像球那样 转动 2、地作为一个整体也是球形 的 3、地位于整个天的中央，好 像一个中心 4、由于地球的太小，而到恒 星天球的距离很大， 地球对于恒星天球来说， 小得犹如一个点 5、地球不参与任何转动 • 托勒密是纯粹的数理天文 学家
亚里士多德的宇宙论传统
• 亚里士多德把天分 成月上区和月下区。 • 地上的运动：用四 元素说、自然位置 来说明 • 天上的运动：用完 美的圆周匀速运动 来说明，而这就是 数理天文学家们的 使命——拯救现象
《概要》的基本概括
1. 不存在一个所有天体轨道或天体的共同的中心 2. 地球只是引力中心和月球轨道的中心，并不是宇宙的 中心 3. 所有天体都绕太阳运转，宇宙的中心在太阳附近 4. 地球到太阳的距离同天穹高度之比是微不足道的 5. 在天空中看到的任何运动，都是地球运动引起的 6. 在空中看到的太阳运动的一切现象，都不是它本身运 动产生的，而是地球运动引起的，地球同时进行着几 种运动 7. 人们看到的行星向前和向后运动，是由于地球运动引 起的。地球的运动足以解释人们在空中见到的各种现 象
第谷体系
• 除了地球和月亮，所 有的行星都绕着太阳 转 • 而太阳和月球绕着地 球转 第谷的这个折中方案 被广泛的接受
开普勒
• • • • 1571年生于德国 1596年发表《宇宙的奥秘》 1600年开始担任第谷的助手 1601年第谷逝世，死前把自己 所有的天文观测资料赠给开普 勒 1609年发表《新天文学》 1618年出版《哥白尼天文学概 论》 1619年出版《宇宙的和谐》 1627年发表《鲁道夫星表》
使用公式表示自然定律 按精确定律来决定天体的音乐，并用我们的音乐 标记的形式表示它（毕达哥拉斯学派的宇宙论）
开普勒在科学思想上的贡献
强调量的重要性：一切确定的知识必定是关于它的 量的特征的知识，完美的知识总是数学的 • “在凡是有有质的地方，同样也有量，而总不是反 之亦然” • 新的因果观念：用数学的简单性和数学和谐来解释 原因 对比 亚里士多德 四因说 有效的数学假说必须是在观察到得世界中能够严格 的加以证实的 古代天文学：先预设了圆周匀速运动的模型 开普勒：根据数据，再提出模型
• • • •
《宇宙的奥秘》
• 使用毕达哥拉斯学派和 柏拉图曾用来解释元素 与宇宙的五种正多面体 的几何方法，并把这些 正多面体与行星轨道联 系起来，让当时已知的 六个行星的天球依次外 切于一个正多面体，由 之构成了一个几何化的 宇宙模型。 典型的柏拉图主义者
《新天文学》
1600年开始担任第谷的助手 第谷精确可靠的数据使得开普勒不得不放弃他的 得意之作,并开始考虑新方案 1609年发表《新天文学》 ① 提出开普勒第一定律和第二定律
亚里士多德主义与新柏拉图主义
亚里士多德主义 ＝亚里士多德主义 + 基督教 + 托勒密宇宙模型 中世纪—>文艺复兴—>科学革命之后的衰落 • 地球是宇宙的中心，却是宇宙中最易腐朽之物，而宇宙间 最黑暗的地狱就设在地球的中心 • 水晶球是永恒的、完美的、透明的，他由至高无上的上帝 来推动（不彻底的物理学改造） 新柏拉图主义 ＝柏拉图主义＋基督教 教父哲学—>中世纪的衰落—>文艺复兴时期的复兴 • 万物皆数 • 太阳是至高无上的
哥白尼与托勒密的区别
• 放弃使用偏心等距点 • 将宇宙的中心置换为太阳 • 地球不是静止而具有多种运动（自转、公转） 产生一定的简单性、和谐性、美观性
哥白尼的保守性
• 数据来源大部分还是来源于希腊天文学 • 继续使用天球概念 • 宇宙依然是有限的，保留了恒星天 • 更加频繁的使用本轮和均轮 这使得哥白尼的学说在另外一些地方又显得比 托勒密体系复杂 • 在物理基础的问题上并没有很大的突破
文本阅读：哥白尼的辩护词
• 反对理由：如果地球在转动，空气就会落在后面，而形成一股持久的 东风。 • 哥白尼答复：空气含有土微粒，和土地是同一性质，因此逼得空气要 跟着地球转动。 • 哥白尼答复：空气转动时没有阻力是因为空气和不断转动的地球是连 接着的。 • 反对理由：一块石子向上抛去，就会被地球的转动抛在后面，而落在 抛掷点的西面。 • 哥白尼答复：由于受到本身重量压力的物体主要属于泥土性质，所以 各个部分毫无疑问和它们的整体保持同样的性质。 • 反对理由：如果地球转动，它就会因离心力的作用变得土崩瓦解。 • 哥白尼答复：如果地球不转动，那末恒星的那些更庞大的球就必须以 极大的速度转动，这一来恒星就很容易被离心力拉得粉碎。 • 哥白尼答复：离心力只在非天然的人为运动中找得到，而在天然的运 动中，如地球和天体的运动中，则是找不到的
《新天文学》——开普勒第一定律
第一定律——轨道定律 火星划出一个以太阳为焦点的椭圆 打破圆周轨迹的神话 抛弃天球概念
《新天文学》——开普勒第二定律
第二定律——面积定律： 由太阳到火星的矢径在相等的时间内划出相等的面积 打破匀速运动的神话
《新天文学》——天体物理学
② 提出要建立天体物理学 不但要符合完美的几何图形，更要从无论动力学 找原因 • 对比 亚里士多德为何提出水晶球模型 • 对比 哥白尼的动力学基础
哥白尼日心说的同化与接受
• 技术上 技术上，哥白尼的日心说面临很多挑战 1. 离心力问题 2. 恒星视差 • 宗教上 宗教上，哥白尼的日心说抵触了基督教的一些 教条，尤其是地心说的教条 • 比如《约书亚记》
《天球运行论》的流行，而日心说则广受批评
小结：哥白尼的日心说的非革命性
① 与托勒密相差无几，只是用置换宇宙中心的方法 来换取托勒密的偏心等距点 ② 简单性和精准性并没有比托勒密提高多少 ③ 面临非常严峻的挑战：离心力和恒星视差 ④ 没有得到广泛接受
哥白尼的立场：日心说是真实的，不仅仅是为方便而设 人的地位的悄然提高
文本阅读：哥白尼对日心说的宣言
• 在所有行星的中心居住着太阳，在这个位置它可以 一瞬间照亮整个宇宙，对于这个最壮丽的神殿，谁 能将这盏明灯安放到另外或者更好的地方？事实上， 将太阳是为宇宙的明灯十分贴切，另外它也是宇宙 的心灵，并一直是宇宙的统治者。至尊的赫尔墨斯 被称为“看得见的上帝”，而索福克勒斯在《厄勒 克特拉》中则被称为“万物的洞察者”。于是，太 阳就好像做在王座之上，统治着围绕它旋转的整个 行星家族。