哥白尼的体系,是什么引出“日心说”15

小小怪 2022-06-1707:49:08名人评论9阅读模式

本系列文章预计会有30个章节,这套文献将系统讲述物理学本身,这里是第四季第14篇

(本文内容较长,阅读需8min)

今天我们来详细谈一下哥白尼,在我们专栏的第一季里面曾经已经谈过哥白尼了,不过今天我们再深挖一下他的故事。

说起哥白尼我们第一个反应就是日心说,在我看来几乎就是,日心说=哥白尼,这两者就能画上等号。

自哥白尼提出日心说到托勒密发布地心说,整整经历了1400年。尽管在托勒密去世后的几百年间,其理论得到了修改,但都是些相对较小的修改,因此在接下来的1400年间,占主导地位的天文学理论实际上还是托勒密的理论。

所以你看,我们最关心的问题其实是,地心说已经根深蒂固于欧洲民众,那到底是什么原因导致哥白尼会在万人迷糊中得出一个日心说来呢?接着往下看,

哥白尼是在16世纪早期发展出了自己的理论体系《天体运行论》,并在去世那一年出版了这个理论,而且是在朋友的劝说下才发表。

早年哥白尼在大学期间受到一些人文主义思想的熏陶,对数学和天文学有浓厚兴趣,钻研得很深。所以,在回到家乡获得稳定的工作和社会地位之后,他在业余时间继续钻研天文学。这种以神职人员的身份兼职从事学术探索的情况,在中世纪的欧洲特别常见,新知识也往往掌握在神职人员和教会的手里。

所以你会发现哥白尼终其一生都没有在在世的时候亲眼看到自己的理论发布于众。也就是说,哥白尼自己也根本不存在对托勒密体系的批判和指责,只是默默地将自己的思想记录在自己的内心深处。

好,接下我们来详细看看所谓的日心说。

【日心说体系】

哥白尼体系是一个日心说体系。今天,我们认为太阳是太阳系的中心,然而值得注意的是,在哥白尼体系中,太阳不仅是行星运转的中心,甚至哥白尼认为太阳是整个宇宙的中心。

哥白尼体系与托勒密体系有许多共同点,而最明显的区别就在于太阳和地球的位置不同。同样,与托勒密体系一样,哥白尼体系也运用了本轮、均轮和偏心圆,尽管这个体系明显不需要等距点。

哥白尼模型对火星的研究与我们讨论托勒密体系时一样,为了简化系统,我们将重点关注某一个行星的运动。

再次以火星为例,在哥白尼体系中,火星围绕点A沿圆形轨道运转(同样地,像这样的一个小圆圈就被称为本轮)。

点A围绕点B沿圆形轨道运转(同样地,这样的圆圈被称为均轮,或者如果这个圆圈是偏心的,那就是偏心圆)。点B同样在运动,但在运动的同时,它相对于点C的位置保持不变。

地球沿偏心圆运转时,偏心圆圆心就是点C(为了简化示意图,图中没有标出地球,但是如果图中有地球,那么点C就将是地球沿偏心圆运转时的偏心圆圆心)。点C沿点D外围的一个圆圈运转,最后,点D围绕太阳沿圆形轨道运转。所以,我说哥白尼体系像托勒密体系一样复杂是有原因的。

【为什么哥白尼需要如此复杂的一套设置?】

简单地说,答案会是,如果没有这样一个复杂的设置,就不能给出合适的预言和解释。

你可以理解为,当你发现一大批数据的时候,总想死板硬套往你自己设置的算法里面去套,数据验证了,也代表你的算法是正确的。

换句话说,与托勒密体系的情况一样,通过使用这样复杂的设置,哥白尼发展出了一个能够很好地给出预言和解释的体系(尽管并没有比托勒密体系更好,但至少是一样好)。

如果没有这样的设置,哥白尼就不能够得出与已知数据相符合的模型。简言之,就像托勒密体系一样,哥白尼体系也非常复杂,但是归根结底,这个系统是行得通的,也就是说,它对相关数据的解释和预测可以说是非常准确的。

【哥白尼的优势】

经过一些资料的查阅,哥白尼的模型最大的亮点在于对逆行运动的解释。

在哥白尼体系中,地球是与太阳的距离排名第三的行星,火星排名第四。除此之外,地球围绕太阳运转两圈时,火星只能围绕太阳运转一圈。因此,地球每两年可以追上火星一次,然后超过火星。

在地球经过火星的这段时间里,从地球上观察,火星似乎是相对于背后的恒星在向相反方向运动。上图可能有助于说明这一点。图中的直线同样是从地球看火星和后面恒星的视线,这些直线可以显示出火星与后面恒星的相对位置。

请注意,这些直线通常沿一个方向运动,代表火星与恒星的相对位置通常向东偏移运动。举个例子,从数字1到3,火星表现出的是其通常的向东运动,而从数字4到6,火星是向西偏移,最后从数字7到8,火星又恢复了其通常的向东偏移。

从图中可以看出真正引起误差的来自于地球与火星之间的相对运动。

在哥白尼体系中,火星只有在被地球追上并被赶超的过程中才会进行逆行运动。请注意,在这段时间里,地球和火星距离最近,因此在这段时间中,可以预期看到火星比其他任何时候都要更亮。

木星和土星也都是相同的情况,也就是说,这些行星只有在大约与地球距离最近的时候才会进行逆行运动。

所以,对火星、木星和土星的逆行运动与这些行星达到自身最大亮度的时间点之间的相互关联,哥白尼体系给出了相当自然的一个解释。

【到底是什么因素促动了哥白尼?】

这个问题的原因我们在物理学第一季也没能给出一个正确的答案。

确实很遗憾,哥白尼晚年才发布了自己的著作,而且是在朋友的劝说下才发表。那么很多历史考证在此全部消失了,当时没有人能解释为什么哥白尼提出日心说。

关于这个问题有两种解释,第一种解释来自美国加州大学历史系教授罗伯特*S*韦斯特曼写成了一本书,即《哥白尼的问题》

而且这个问题反而成了现代物理学的一段哲学问题,在这本书前,有一位科学史经过调研当时大量的历史记录后认为,哥白尼当时是为了更好的占星,也就是算命。

因为在当时哥白尼生活的时代,有大量的占星家在当时的环境中。现在的我们觉得这是迷信,但是在当时是特别正常的事情,也不难理解。

而《哥白尼的问题》这本书论证,哥白尼提出日心说的最初动机不是为了科学,甚至不是为了天文学本身,而是为了拯救占星术。所以当时哥白尼可能是为了算命方便,而不是为了科学。

因为占星术,会牵扯到日月星辰的运行状态,所以一定会和天文学交叉。而当时的占星术因为计算不准确的问题屡屡出现失误,而这个时候哥白尼就对这些问题做了研究,并发表了自己那不属于科学本身的《日心说》。

另外一种解释是,哥白尼的认知来自于当时新柏拉图主义所影响

新柏拉图主义就是一种基督教化的柏拉图哲学。柏拉图生活在公元前400年,粗略地说,他认为有很多各种各样客观存在,但又没有实体的永恒形式。

这些形式是知识的客观存在,也就是说,与仅是秉持一个信念或观点相比,当我们得到了知识时,我们所得到的就是关于这些形式的知识。

举个例子,当我们知道了毕达哥拉斯定理,或者数学中的其他真理,我们所得到的知识并不是关于地球上某种物体的(比如画在纸上的三角形)知识,而是关于一个客观存在,但又没有实体的永恒形式的知识。

所以,如果哥白尼是受到了对新柏拉图主义的影响,那么这与日心说观点之间的联系是非常直接而明确的:如果认为太阳是上帝在宇宙中的实体代表,那么上帝的实体代表最合适的位置将是宇宙的中心。

在这个解释中,为什么哥白尼会秉持一个以太阳为中心的宇宙观,其实基本原因就在于他深受新柏拉图主义影响的哲学性观点。

【总结】

以上就是对哥白尼模型和哥白尼思想的一个简单阐述,我们只需了解即可,但是有几个事实我们必须知道,

1.日心说并没有直接的佐证,而且哥白尼的日心说模型并没有托勒密的模型准确。所以在很长一段时间大家对日心说保持的态度是将信将疑,当时的教会也基本保持中立。

2.16世纪末,哥白尼的日心说在欧洲颇为流行,但传播的捷径需要感谢他的朋友乔凡尼*布鲁诺。布鲁诺宣扬日心说的同时还反对宗教哲学,所以引起了罗马教廷的怨恨并惨遭火刑。所以并不是他支持日心说才被拉去火刑。

好,今天就这样,接下来的几章将会进入近代科学领域,敬请关注!

Masir

祝,安好~

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