科學大爭論——地球是不是宇宙的中心？-方舟子-搜狐博客

2009-07-21 03:28 除了一些狂熱的原教旨宗教信徒，今天受過教育的人都知道地球和其他行星在圍繞著太陽運行。但是在古代，除了少數的另類，人們都相信所有的天體，包括太陽、月亮、行星和恆星，都在圍繞著地球運行，地球是宇宙的中心。正如一個人在嬰兒時期會覺得全世界都應該圍繞著他轉，隨著長大才慢慢地學會站在別人的角度設身處地思考，人類在其幼稚時期也不可避免地會以自我為中心。各種宗教也在強化著人類的自戀。如果人類是上帝根據其影像創造出來執行其計劃的，那麼人類居住的地球就沒有理由不會是宇宙的中心。 這種觀念也符合人們的日常觀察。我們每天早晨都看到太陽從東方升起，傍晚從西方落下，非常直觀地表明太陽在圍繞著地球運行。同樣，每天晚上也能看到月亮、星星都在天空中做周而復始的運動，也表明它們全都在圍繞著地球運行。古巴比倫天文學家通過仔細觀察天體的運行，甚至能夠通過數學計算預測天體的位置。在此基礎上，古希臘哲學家首先提出了天體運行的模型。 特別喜歡幾何學的柏拉圖也對天體運動做了一番幾何抽象，認為天體都是以固定的速度圍繞著地球做完美的圓周運動的，看似雜亂無章的行星運動軌跡，都可以看成是幾個圓周運動的組合。他的學生歐多克斯據此在公元前4世紀提出了第一個用來預測天體運行的數學模型。他認為天體都位於某個透明的球形殼層上，由這些水晶球層帶著它們圍繞地球運行，地球位於球層的中心。為了解釋同一個天體的不同周期運動（例如月亮除了每天的運動，還有每月的變化），他認為一個天體有多個球層：太陽和月亮各有3個，五顆已知的行星各有4個，再加上最外面的一個恆星球層，總共有27個球層。柏拉圖的另一個學生亞里斯多德基本上採納了歐多克斯的模型，只是做了一些無關緊要的改動（在各個球層之間加了一些不必要的不動球層）。 古希臘天文學家注意到，行星的運行顯得很古怪。恆星在天球上的位置是固定的，而行星的位置卻是變化的，運行速度和方向都在變，例如，它們有時運行速度會慢下來，然後反方向運行一段時間。歐多克斯給每顆行星加了4個球層：一個解釋行星每天的運動，一個解釋行星在黃道帶上的運動，另外兩個球層的轉動方向相反，用於解釋行星的逆行現象。但是這並不能完全解決行星的逆行問題。而且歐多克斯的模型還有個缺陷：因為它們是以地球為球心的同心球，每個行星與地球的距離是固定的，那麼從地球上看，它們的亮度應該沒有變化，而實際上除了金星的亮度大致不變外，其他行星的亮度是會有變化的，表明它們與地球的距離會改變。 為了解決行星逆行和亮度變化的問題，阿波羅尼奧斯在公元前3世紀末想到了一個解決辦法。在他的模型中，天體還繼續在以地球為球心的球層上運行（稱為均輪），但是它們一邊沿著這個大圓圈向前運行，一邊又在繞一個小圓圈（稱為本輪），也就是說，天體在本輪上繞行，而本輪又在均輪上繞行，這樣從地球上看，天體與地球的距離就有所變化，有時會出現逆行。同時，為了解決行星運行在黃道帶上的反常運行，阿波羅尼奧斯又提出均輪不是以地球為中心的，而是以偏離地球的某一點為中心的，它們是偏心圓。阿波羅尼奧斯用「本輪」和「偏心」巧妙地保留了柏拉圖天文學的兩個根本觀念：地球是宇宙的中心，天體運行是完美的圓周運動。 公元2世紀，托勒密根據阿波羅尼奧斯提出的這些觀念，補充了一些新觀念（認為行星不是做勻速運動，而是等角速運動），並與實際觀測結果結合起來，提出了一個能夠相當精確地描述天體運行情況的模型，成了古希臘天文學的集大成者，以至現在我們提起地心說天文學，首先想到的是托勒密。 在以後的一千多年，雖然托勒密模型在西方世界佔了統治地位，但是並沒有被天文學家們普遍接受。托勒密模型實際上已不認為天體在做勻速圓周運動，破壞了幾何之美，這讓一些堅信天體必定在做完美的運動的天文學家很不滿。而且托勒密的模型非常複雜、繁瑣，為了能讓其模型符合觀測結果，解釋天體運行的種種反常，就必須增加均輪和本輪的數量，到16世紀時，據說要用到80個左右的這些輪才能符合當時的觀測結果。 因此有一些天文學家提出其他模型試圖替代他們認為存在缺陷的托勒密模型。這些模型也都是以地球為中心的，直到16世紀才出了一個另類——哥白尼（1473-1543）在1543年提出太陽才是宇宙的中心。其實日心說並不是哥白尼首先提出的，它的出現比托勒密模型還要早。在公元前3世紀，古希臘天文學家阿利斯塔克已提出恆星和太陽靜止不動，地球和行星在以太陽為中心的不同圓形軌道上繞太陽運行，地球每天繞軸自轉一周。 托勒密模型很難解釋的許多天文現象，日心說能夠輕而易舉地解釋。例如行星的逆行問題，很容易解釋成是因為行星環繞太陽運行，從同樣在環繞太陽運行的地球上觀察時產生的視差。 日心說的另一個優勢是可以確定各個行星軌道的次序。在柏拉圖的模型中，各個天體與地球的距離從近到遠依次是月亮、太陽、金星、水星、火星、木星、土星和恆星。而在托勒密的模型中，這個順序則是月亮、水星、金星、太陽、火星、木星、土星和恆星。最成問題的是水星和金星，究竟哪一個與地球的距離更近，用地心說難以確定。改用日心說模型，則可以確定是金星更靠近地球。 在地心說模型中，各種天體不管它們多麼不同，與地球的距離有多遠，都每隔24小時環繞地球一周。這很難讓人理解。但是改用日心說模型，這個現象的原因就簡單明了：那是地球自轉造成的假象。 日心說也就是地動說，把天體的東升西沉解釋為地球繞自轉軸自西向東轉動造成的假象。但是這帶來了新的問題。地球的自轉速度應該非常快（按現在的測量結果，在地球赤道上的自轉線速度為465米／秒），那麼為什麼人們覺察不到地球的運動？就像在快速行駛的車上人們能感覺到迎面吹來的風一樣，地球以這麼快的速度自西向東轉，那麼就應該有東風持續在吹，為什麼沒有？我們從塔上拋下一塊石頭，在它落地的時候，如果地球在自轉，它應該落到了後面，為什麼還落在塔底？同理，為什麼飛鳥和雲彩沒有被地球的自轉甩到後頭？這些日常生活的觀察似乎都與地動說相矛盾。 日心說還存在另一個問題。如果地球在繞著太陽公轉，在公轉軌道的不同位置上觀測恆星，應該看到恆星在天球上的位置發生了變化，也就是出現了視差，星座的形狀在一年之中會出現變化。但是肉眼和最初的望遠鏡都看不到恆星視差，星座的形狀保持不變，這似乎意味著地球並沒有在圍繞著太陽運動。看不到恆星視差的真正原因是由於恆星離地球非常遠，它們與地球的相對位置的變化極為細微，但是這意味著宇宙非常浩瀚，超出了古代天文學家的想像，所以他們不考慮這種可能性。沒有恆星視差被認為是日心說的一個致命弱點。 另一個觀察也對地心說有利。金星的亮度在一年的大部分時間內都差不多，這似乎表明金星與地球的距離保持不變，符合地心說模型，用日心說則難以解釋，按日心說，金星和地球都在圍繞太陽運轉，它們之間的相對位置會發生變化，金星的亮度也應該發生變化。 由於這些原因，雖然日心說早就有人提出，但是一直沒有受到重視。何況阿利斯塔克提出的只是一個簡單的定性模型，並不能用於預測天體運行。哥白尼為日心說創建了第一個數學模型，試圖與實際觀測結果結合起來，但是其精確程度還不如托勒密模型。這並不奇怪，托勒密模型本來就是根據實際觀察結果拼湊起來的。其實，在數學上日心說和地心說模型可以做到等價，達到相同的精確程度。但是哥白尼並不是一個很好的天文觀測者，而且他的某些觀念比托勒密還落後（例如堅持認為天體只能做勻速正圓運動），雖然為了能符合觀測結果，他也保留了托勒密模型中的行星本輪，但是精確度仍然不如托勒密模型。 在哥白尼提出日心說的幾十年間，幾乎沒有人接受他的觀點。除了托勒密模型比它更實用外，還有宗教和哲學的原因導致人們排斥日心說。當時在西方國家占統治地位的天主教會支持地心說，很容易從他們信奉的基督教《聖經》裡頭找到依據。這本來沒有什麼奇怪的，因為《聖經》是古人寫的，當然會反映出古人的天地觀。另一方面，地心說也更符合當時西方學者信奉的亞里斯多德物理學。亞里斯多德物理學認為世界由土、水、氣、火四種元素組成，此外還有一種叫以太的元素組成了天體。在這五種元素中，土最重，組成了地球的核心；水較輕，覆蓋在地球的表面；氣、火更輕，籠罩著地球或向上飄揚；以太最輕，位於天上。那麼，由最重的土形成的地球位於宇宙的中心，由最輕的以太形成的天體環繞地球運動，是最自然不過的了。而按照哥白尼的模型，要讓最重的地球反過來做運動，最輕的以太反而不動，似乎是很荒謬的。 不過，日心說模型對行星運動的解釋更簡單明了，這一優勢仍不容忽視。丹麥天文學家第谷（1546－1601）試圖把日心說的理論解釋優勢和地心說的實際觀測優勢結合起來，提出了一個調和模型。在第谷的模型中，地球仍是宇宙的中心，太陽和月球圍繞著地球運動，但是其他的天體則圍繞著太陽運動。 第谷被認為是天文望遠鏡發明之前最偉大的天文學家，手中掌握著當時最精確的行星觀測數據，需要有人加以整理。1600年，德國天文學家開普勒（1571-1630）去第谷的天文台工作。分派到的活兒是根據第谷的數據確定火星的運行軌道。開普勒對自己的數學能力非常自信，跟第谷的弟子隆哥蒙塔努斯（1562-1647）打賭說用8天的時間就可以完工。開普勒遠遠低估了這項工作的艱巨性，事實上他花了5年的時間才找到了答案。 開普勒一開始之所以如此自信，是因為他認為已發現了行星運動模型。和第谷不同，他堅信日心說，在1597年出的一本書中提出了一個日心說模型，把各個行星的運行軌道分別用一種正多面體分隔開來。由於正多面體只能有5種（四面體、六面體、八面體、十二面體和二十面體），也就意味著行星最多只能有6顆，剛好是當時已知的行星數目。開普勒認為這正說明了日心說模型是上帝的安排，因為在地心說模型中，月球是第7顆行星，沒法放進這個模型中。這個模型看上去非常優美，但是卻無法與第谷的觀測數據相吻合。開普勒只好放棄這個他自以為是受到上帝的啟示發現的模型，另找突破。 起初，開普勒像哥白尼那樣認定行星在做勻速圓周運動，但是採用哥白尼所反對、托勒密使用的偏心圓方法來求解火星軌道模型。在經過大約70次嘗試後，終於讓火星軌道和觀測數據基本吻合。但是這個模型很繁瑣，而且結果還有一點誤差，在某些地方模型和觀測數據有8分（即1.133度）的差距。對此開普勒仍不滿意。他開始意識到無法找到一個符合第谷的觀測數據的圓形軌道，試著把軌道用卵形來表示。 如果火星的軌道不是圓形，它與太陽的距離就是變化的。開普勒認為是太陽發出的力在推動著行星運動，它們之間的距離越遠，推動力越弱，運動速度就越慢。在遠日點速度應該最慢，而在近日點速度應該最快。這樣，在開普勒看來，行星就不是在做勻速運動了，不過他仍然想找到某種類似勻速的東西，認為火星在軌道上速度最慢與最快的這兩點，與太陽的連線在相等時間內所掃過的面積相等。他進而把這個結論推廣到軌道上的所有點，也就是我們今天說的行星運動第二定律（也叫面積定律）。 接下來開普勒試圖據此計算出火星的整個軌道。他是把軌道當成卵形來計算的，在失敗了大約40次之後，終於在1605年想到火星軌道應是橢圓，發現橢圓軌道與火星的觀測數據都吻合之後，開普勒進而提出，所有行星繞太陽運動的軌道都是橢圓，太陽處在橢圓的一個焦點上。這就是我們今天說的行星運動第一定律（也叫軌道定律）。此時第谷已經去世4年了，開普勒對能否使用第谷的數據問題與第谷繼承人發生爭執，一直到1609年才出版《新天文學》一書和《論火星運動》一文，公布了這兩個定律。之後，開普勒在編製星表時，用了9年的時間，發現了行星公轉周期和軌道大小之間存在著關係：行星公轉周期的平方同行星軌道半長徑的立方之比是一個常數。此即行星運動第三定律（也叫周期定律）。 開普勒的橢圓軌道模型精巧地描述了天文觀測的結果，不必用到「本輪」、「偏心圓」這些奇怪的概念。這是非常大膽的創見。開普勒的日心說模型不僅極為簡單，只用7個橢圓就取代了幾十個圓周，而且非常精確，很容易讓做實際觀測的天文學家接受。 開普勒從小因病眼力受損，沒法自己做天文觀察。日心說的天文觀測證據是由伽利略（1564－1642）提供的。伽利略手中多了一樣第谷所沒有的東西：天文望遠鏡。1610年1月，伽利略發現有4顆衛星圍繞著木星運行。這對托勒密模型是一大打擊，因為按照托勒密模型，所有的天體都應該圍繞著地球運行。對托勒密模型最致命的打擊發生於1610年9月，伽利略發現金星像月球一樣會出現周期性的盈虧變化。金星與月球一樣本身並不發光，而是反射太陽光。在托勒密模型中，金星在太陽軌道內圍繞著地球運轉，看上去只能始終像彎彎的新月那樣，而不可能出現圓滿。但是在日心說模型中，金星和地球都圍繞著太陽運轉，金星的軌道在地球軌道之內，那麼由於金星、地球和太陽的相對位置在不斷變化，從地球上看到的金星被太陽照亮的部分也就在不斷變化。因此，金星的位相變化正是日心說所預測的，托勒密模型則完全無法解釋。在伽利略公布了這一發現後，大部分天文學家就不得不放棄托勒密模型，改用日心說模型或第谷模型。金星的位相變化也解釋了為何從地球上看金星的亮度在一年的大部分時間內都差不多：金星接近地球時光碟面積增大導致的亮度增加恰好被位相變化導致的亮度減少抵消了。 伽利略的其他發現也在顛覆著天文學的傳統觀念。伽利略發現月球表面起伏不平，布滿了坑坑，這與天體都是由完美無缺、永恆不變的物質組成這一傳統觀念直接衝突，說明天體可能是由和地球一樣的物質組成的。伽利略還發現，用望遠鏡看來，行星都是有確定形狀的圓盤，但是恆星卻仍然看不清形狀，這說明恆星與地球的距離要比行星遠得多，宇宙比托勒密模型認為的浩瀚得多。此外，伽利略還發現銀河其實是由無數恆星組成的，恆星的數量比以前認為的多得多。 如果日心說是正確的，那麼不僅地心說是錯誤的，亞里斯多德的物理學也出了問題。亞里斯多德物理學認為，運動或不動是物體的內在屬性。地球有不動的屬性，所以它必然是宇宙的中心，而天體有運動的屬性，所以它們繞著地球運行。但是伽利略指出，運動並非物體的內在屬性，而是外在的過程，地球在這方面與天體並無不同。而且，物體一旦運動起來，不靠外力也能持續下去，也就是我們今天說的慣性。慣性概念的提出解釋了我們為什麼覺察不到地球在自轉。例如，從塔上拋下一塊石頭，為什麼落在塔底，而沒有因為地球的自轉而讓它落到了其他地方？這是因為石頭拋出時由於慣性也在順著地球的自轉方向運動。 但是日心說還遺留了一個問題沒有解決。如果地球圍繞著太陽公轉，在公轉軌道的不同位置上觀測恆星，應該看到恆星在天球上的位置發生了變化，出現了視差。由於恆星的距離極為遙遠，不僅肉眼看不到恆星視差，早期的望遠鏡也看不到。直到1838年，德國天文學家貝塞耳（1784－1846）才用太陽儀首次觀測到恆星視差，證明了地球的確在圍繞著太陽公轉。1851年，法國物理學家傅科（1819－1868）在巴黎先賢祠的大廳做了「傅科擺」實驗。大廳的穹頂懸掛著一條67米長的繩索，系著一個重達28千克的擺錘，當擺錘擺動時，擺錘上的指針會在下方的沙盤上面留下軌跡。但是和一般人設想的不同，它在沙盤上留下的不是唯一一條軌跡。由於這樣的擺基本不受地球自轉影響而自行緩慢地擺動，因此由於地球帶著沙盤自轉，每個擺動周期留下的軌跡都會有所偏離。這就證明了地球在自轉。19世紀的這兩個觀察為地球的兩種運動提供了直接證據，從而最終證明了日心說的正確——當然，這時候科學家已知道太陽只是太陽系的中心，不是宇宙的中心。 但是在科學界之外，日心說並沒有取得完全的勝利。許多人仍然習慣於把地球當成宇宙的中心。2005年的一項調查表明，五分之一的美國人相信地心說。這很大程度上可能是由於無知。也有一些受過良好教育的人由於宗教原因堅持地心說。有一個叫「聖經天文學家聯合會」的國際組織，據說在20幾個國家都有會員，負責人有天文學博士學位。他們認為地心說才符合基督教《聖經》，把地心說當成了宗教信仰，卻要為其找科學依據，出了一本「學術」季刊專門用以論證地心說的正確性，已出了一百多期。 還有一些信奉文化相對主義的反科學人士認為科學無所謂對錯，日心說並不比地心說更正確、更科學。比如國內有人這麼說：「究竟是地球繞著太陽轉，還是太陽繞著地球轉？即使牛頓力學，也只能回答：看你以誰為參照系。如果以地球為參照系，假定地球靜止，那就是太陽繞著地球轉。運動是相對的，這個問題不存在絕對正確的答案！」國內還有教授給考生出考題：「試論托勒密的天文學說是不是科學？」其答案是托勒密的天文學也是科學。 用運動的相對性並不能把水攪渾。如果僅僅考慮地球圍繞太陽公轉的情形，以地球為參照系還是以太陽為參照系固然沒有區別，但是如果同時考慮其他行星的情況，以太陽為參照系無疑要更為合理。更重要的是，地心說認為太陽（以及其他行星、恆星）的東升西沉是在圍繞著地球旋轉，而其實那是地球自轉導致的假象，這個錯誤就不是用日－地運動的相對性能夠狡辯的了。托勒密模型雖然也能夠比較精確地預測行星的位置，但是進一步的觀察已證明托勒密模型最多只是一個數學模型，不能反應行星運動的實際狀況，已被更仔細的觀察所否定，成了錯誤的理論，當然不成其為科學。評論請去：http://xysblogs.org/fangzhouzi/archives/5413
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