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《漫话星空》
天地倒转
风起天阑    来源社团:浙江理工大学科普协会...
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· 本文作者想介绍天文学发展历程及相关知识、古今中外科学大师的主要科学成就特别是与天文学相关的成就的意愿非常强烈,而且努力用通俗易懂的语言来阐述,这些都很值得肯定。由于太想全面、系统地进行介绍,似乎忘了这是写给谁看的,重点内容、主线、主要的读者对象都不够突出。对古代的科学大师及相关成就介绍的篇幅在全文中占的比例也偏大了。 · 一篇主要介绍太空观测历史的科普文章,开头用FAST引出现在人对宇宙的观测,然后追逐人类的对于宇宙观测的历史。文中科普了很多古代天文学家和一些古人对于宇宙认知的理论。文字通俗易懂,传达的科学信息也基本正确,是篇还不错的科普文章。 · 作者用朴实流畅的语言,介绍了近7000年天文学发展史上走在前列的科学家、哲学家,以及他们的科学精神、科学思想和方法,同时用大量的篇幅介绍了关于时空的测量、万物本原、浑天说、日心说、恒星的演化、大爆炸宇宙论等等理论,并在描述时融入自己的思考。可以看出,作者在写作之前做了大量功课,是下了一番功夫的。 但是,作为科普文章,“漫话星空”这个标题太大,作者希望读者籍此文了解星空的方方面面,却恰恰失去了重点,给人感觉是泛泛而谈。若不是星空迷,这长篇大论的,很难一口气读完。话说回来,若是星空迷的话,这些知识恐怕早已了解。 建议作者在今后创作科普文章时,选取一两个科普点,用细节、用人物、用故事去阐述。 · 科学史是科普的宝库,也是科普创作值得推荐的起步经验。由在校大四学生撰写的《漫话星空》,体现了作者对与天文学史掌握的全面性。古代天文学研究最重要的使命是确定时间和空间,在时空测量方面,作者讲述了古希腊时期和中国古代如何测量大地形状、研究尼罗河泛滥、十二星座、圭表测影、测量地球周长等;在宇宙的组成方面,从古希腊哲学家朴素的四元素论,逐渐发展到原子学说和元素周期表的出现;在宇宙观方面,讲述了中国古代的盖天说、西方的地心说、日心说,再到现在的宇宙大爆炸理论。作者对这些从古到今的科学史娓娓道来,传递出科学并非真理,而是不断更新、不断演化的认知过程。本文的一个特色是,多处恰到好处地引用了南仁东、爱因斯坦等中外科学家的经典语句,为本文增设不少。

中国古代的浑天说和盖天说并没有涉及到“谁是宇宙中心”的问题,盖天说回答不了这个问题,而浑天说,实际上已经暗含了“大地是宇宙中心”的意思。在古希腊,人们不仅有了“大地是球形的”的认识,还对地球、太阳与宇宙之间的关系作了思考:地球是宇宙的中心?还是太阳是宇宙的中心?又或者是其他物质?

注1:古人的认识程度和科学水平有限,对太阳、月亮、金星、木星、水星、火星、土星的研究要超过对其他星体的研究。现在看来,这些星体均是太阳系内部的,离我们最近的。我们生活中地球上,太阳是我们看到的最大的星体,并且每日东升西落,这也可能是人们在研究“谁是宇宙中心”的问题时,一般只针对地球和太阳进行讨论的原因。

针对这个问题,在西方世界就产生了两种主流学说:地心说和日心说。这两种学说之间的论争并没有像浑盖之争一样持续千年之久,地心说一直在西方存在了1500余年之久,并且在此期间一直是西方天文学家开展研究的基石,居于统治地位。在日心说诞生后不久,地心说就被推翻了。并且,日心说也并不是凭空诞生的,早在古希腊时期,就有人提出了类似的学说,却并没有得到重视。

古希腊的宇宙观

Universe,宇宙,这应该是现在多数人所学过的宇宙一词英文的一般写法,其实最初不是这样的。毕达哥拉斯学派第一次把宇宙称作cosmos,意为有秩序的宇宙,这种秩序必须到数及其关系中去寻找。

除此之外,毕达哥拉斯学派还构造了一个“中央火”的宇宙模型,他们认为宇宙的中央是一团火,是宇宙的祭坛,所有天体包括太阳、地球共10个(其余是月亮、水星、金星、火星、木星、土星以及“对地星”)都以匀速圆周的形式围绕着“中央火”运动,“对地星”在地球的内侧,大小、速度与地球完全一样,这样,地球上的人就看不见“中央火”了。这可以算是最早的准“日心说”模型,但这种说法是完全臆想出来的。

中央火”宇宙模型

                                                    图5.1 中央火”的宇宙模型

后来,阿里斯塔克,这位被誉为“希腊化时代的哥白尼”的天文学家,提出了一个假说:太阳和恒星都是静止不动的,太阳位于轨道中心,地球沿着一个圆周的周边绕太阳运动,地球又绕自己的轴每日自转一周,所以会看到太阳及恒星的周日转动;地球上看不出恒星相对位置的变化是因为恒星和地球的距离远大于地球的轨道。他提出的这个假说被称为“地动说”,1700多年后哥白尼提出的日心说与它并没有多大差别。

阿里斯塔克

                                                           图5.2 阿里斯塔克

阿里斯塔克的观点远远走在时代前面,与普通人的常识和经验不符。并且人们向他发问,如果地球自转,则垂直上抛物体的落地点应该偏西,而事实上并不是如此。托勒密《至大论》一书中,也曾对阿里斯塔克的地动说提出了批评:如果认为地球在运动,物体就会斜着下落,浮云、飞鸟就会随着地球一起运动。当时的人们还不懂相对运动的原理,也没有引力的概念,所以这种质问是很致命的。

在罗马历史学家普鲁塔克的书中曾说:“阿里斯塔克只是假设如此。” 可见,阿里斯塔克提出这种见解确实仅仅是作为一种猜想式的假说,并没有加以详细的讨论。假说与科学理论之间存在着天壤之别,阿里斯塔克并没有观察数据和数学方法来支撑他的假说,因此他的这一天才的、革命性的思想并没有受到古希腊人的重视,也就没有在当时的天文学界传播开来。

更加不幸的是,作为阿里斯塔克地动说的强大竞争对手——本轮-均轮模型诞生了,给了地动说致命一击。这个模型最初是由数学家阿波罗尼提出来的,后来经过天文学家喜帕克斯完善后才逐渐被世人知晓。模型是比较“复杂”的,但是它的理念是相当重要的。它认为模型的中心是地球(即宇宙的中心是地球),行星在一个较小的圆周——本轮——上匀速运动,本轮的中心在另一个大轮——均轮——上匀速运动,地球就是所有均轮的中心。

本轮-均轮模型

                                                       图5.3 本轮-均轮模型

这个模型也体现了毕达哥拉斯学派球形简约、和谐、匀速的观点。它在当时可以很好的解释行星逆行的现象,所谓行星逆行,就是说从地球上观察,行星在天空中会周期性的做逆向运动,这主要是由于行星运转的轨道有内外之分、运行的速度有快慢之差导致的。行星在本轮上运动,本轮之上的均轮又绕地球运动,如果行星的运动速度相对于本轮在均轮上的运动速度足够快,那在地球上就可以观察到水逆现象。在这种情况下,行星会先停下来,在逆行点处转一圈,然后再接着向前运动。除此之外,这个模型还能很好地解释了日食、月食等许多天文现象。

本轮-均轮模型中关于行星逆行的解释

                                      图5.4 本轮-均轮模型中关于行星逆行的解释

本轮-均轮模型被托勒密运用到日心说体系的构建过程中,并被写入托勒密的《至大论》一书中。从此这个模型一直主宰着西方天文学,直到哥白尼时代才被推翻。

托勒密“地心说”

托勒密是一个标杆式的人物,如同牛顿是近代物理学的集大成者一样,托勒密是古代天文学的集大成者。他出生在古罗马时代的亚历山大城,那时候古希腊科学已经衰落了,但是希腊时代培育的科学花朵并没有完全枯萎,仍在罗马时代的土地上散发着余香,直到它的种子完全深埋进整个西方科学的土壤里。

托勒密

                                                             图5.5 托勒密

托勒密就是这样一个处于希腊化末期的天文学家,他系统总结了古希腊天文学的优秀成果,继承了喜帕克斯的本轮-均轮模型,创立了地心说体系。他的地心说主要有五点内容:天空像一个球;地球也是球形的;地球在天空中央,如同中心一般;地球与天空相比是一个点;地球没有任何位移。再此基础之上,日月星辰和恒星在其本轮、均轮上绕地球转动。

地心说体系

                                                             图5.6 地心说体系

托勒密建立他的地心说体系是从实际的观测资料出发的,尽管这个体系并没有反映宇宙的实际结构,但在当时却较为完满地解释了当时观测到的行星运动情况,并且还能准确地预见行星在任何时候的运动位置,同时它还取得了航海上的实用价值。所以它能得到人们的广泛认可。

地心说受欢迎的另外一个原因,是由于它被纳入了基督教神学体系之中。熟悉历史的人会知道,在欧洲中世纪,是基督教会与王室政权并存的时代,基督教会甚至凌驾于王室权威之上,影响着当时人们的思想以及科技的进展。中世纪,在科学史上被称为“黑暗的时代”。在1323年,基督教的“圣徒”托马斯·阿奎那在吸取亚里士多德的思想,并将其与基督教神学全盘结合之时,也接受了托勒密的地心说。

在基督教看来,人是上帝根据自己形象创造的,日月星辰也是上帝为了人而创造的,人居住的地方理应在宇宙的中心这一特殊位置。托勒密的地心说体系正好为基督教义提供了“科学依据”,从那时起,它变成了与宗教教义同样神圣不可侵犯的理论。

哥白尼“日心说”

向神圣不可侵犯的地心说发起挑战的是波兰天文学家哥白尼。当时欧洲正值文艺复兴和地理大发现时期,是一个科学兴起、思想解放的时代。1496年,哥白尼来到意大利波伦亚大学,结识了天文学家诺瓦拉,在求学过程中,诺瓦拉认为托勒密地心说体系很复杂,并且他观测的数据与地心说不相符,这让哥白尼对地心说体系产生了怀疑。

哥白尼

                                                              图5.7 哥白尼

在意大利期间,哥白尼翻看了他能找到的所有古代哲学著作,他看到了阿里斯塔克的地动说,认为地动说的观点很有道理。回到波兰后,哥白尼成为了天主教士,在工作之余,他开始思考如何把宇宙中心移到太阳上去。同时,他利用四分仪、三角仪等天文仪器,观测日月星辰的运动,积累了大量数据。在分析数据时,他发现这些数据也与地心说的不一致,经过大致计算,他发现地球和其他行星确实在自己的轨道上在围绕太阳运动。这让他更加深信地动说中地球和其他行星都围绕太阳运转的说法是正确的。

促使哥白尼做出革新的动力是天主教会对旧历的改革。当时除了哥白尼之外,许多天文学家发现,由于存在数个世纪的偏差的积累,地心说体系关于行星位置或日月食的预报均有很大误差。并且欧洲航海家在航行时需要改进航海技术,而这需要更精确的天文表才可能实现。其实历法改革的计划早就被提出,但没有实质性的进展。作为当时为数不多的精通地心说体系具体细节的天文学家之一,为历法改革提出建设性意见是他必须要做的。

在这种情况下,哥白尼创立了自己的理论——日心说,他认为太阳是宇宙的中心,月球是地球的卫星,地球在自转的同时,连同金木水火土五大行星一起绕太阳做匀速圆周运动。同时,他描述了水星、金星、地球和月球、火星、木星、土星轨道实际相对太阳的顺序位置,指出他们的轨道大致在一个平面上,行星绕太阳的公转方向一致。在当时,日心说还存在着一定的缺陷,比如它认为地球等绕太阳做匀速圆周运动(而实际上是椭圆轨道),但是它的学说要比早期的地动说要科学的多,这对地心说构成了一定的威胁。

日心说体系

                                                            图5.8 日心说体系

哥白尼将他的日心说写成了书稿,在朋友之间流传、交流。但是,他并不是一个勇敢的人,他是教士,他的理论与基督教义相冲突,他担心会招致一些人的非难的攻击。以至于在1543年5月24日,在他直到临终之前,他才敢将这本书公诸于世,这就是《天体运行论》。

《天体运行论》

                                                       图5.9 《天体运行论》

果不其然,尽管哥白尼已经逝去,但是日心说仍然遭到了宗教裁判所的残酷镇压。并且我们所熟知的布鲁诺,也正是因为接受了哥白尼的学说,并更加狂热的认为太阳也不是宇宙的中心,无垠的宇宙没有中心,并大力宣传他的思想而被烧死在罗马鲜花广场。

注2:其实布鲁诺受到教会法庭的审判并不全是因为他接受了哥白尼的日心说,而是由于他热衷宗教改革,他在30岁时曾因为反对加尔文教派而入狱,1592年被监禁。1600年,因为其“异端思想”而被烧死。

尽管宗教裁判所对哥白尼的日心说镇压得很厉害,但是它仍然勾起了人们对这一学说的关注,后世的伽利略、开普勒、牛顿等人也都为了证明日心说的正确性而不断努力去探索宇宙的奥秘,他们凝集成一股崭新的强大力量,为该学说的胜利做出了巨大贡献。

日心说的问世以及《天体运行论》的出版在科学史具有里程碑的意义,这是人类认识自然界的一次巨大飞跃,它使得人类重新认识了宇宙、地球、物体的运动乃至自身在宇宙中的位置。以此为开端,自然科学从宗教神学的枷锁中独立解放出来,近代科学革命随之进入了人们的视野。


附录:

说到这里,我们一起来探讨两个问题:宗教与科学的关系以及科学的评价标准。

宗教与科学是存在矛盾和冲突的,当科学还处于弱势之中,没有力量与宗教较量时,这种冲突并不明显。但当科学逐渐成熟,建立自己的认识体系,出现了像哥白尼似的人物挑战权威时,科学与宗教的冲突就很容易被人们感受到。

科学,尤其是近代自然科学,是以经验的客观事实为基础的,通过实践来检验理论的正确性,用来解释自然界的过去和现在的各种现象和规律。但科学并没有停留在对过去和现在的解释上,它还能预见最近和未来的事物的发展过程以及我们现在并没有被发现证实的事情。比如,在爱因斯坦提出广义相对论后就曾预言了引力波的存在,在2015年人们发现了引力波,证实了该预言的正确性。而宗教是以教义或教条(《圣经》等)出发的,凡不符合教义或教条的都会被认为是异端邪说,它通过引用超自然的力量(神、上帝) 来解释各种自然现象。它并不能正确地解释自然现象,也不能去预见未来发生的事情。

那科学的评价标准是什么呢?

在今天,科学,尤其是自然科学,具有如下的特点:具体性、经验性、精确性、可检验性。其中可检验性是最为关键的特征,如果不具备可检验性,那就不能被称之为科学。但是,对于古代那些像浑天说、地心说一样的理论已经不具备可检验性,已经被证明是错误的理论了的,就不是科学了吗?当然不是。现在已被证实是错误的理论在科学发展史上是必不可少的,人们的认识水平有限,在今天看来是错误的理论并不是那些科学家的臆想和虚构(当然并不是全部),而是他们辛苦的进行思考和实践的结果,是他们所处时代的科学认识的结晶。

所以,当我们在评价过去的理论时,不能拿现在的标准来衡量它们的科学性。应该看到,那些过去的理论中虽然有错误,甚至几乎全是错误,但不能否定的是,它也会有局部性的正确内容。并且更要注意的是,那些理论中还包含着它们所使用的合理的方法、思想,这些是我们需要吸收继承下来的,这也是促使科学不断向前发展的原动力。

-完-
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本文作者想介绍天文学发展历程及相关知识、古今中外科学大师的主要科学成就特别是与天文学相关的成就的意愿非常强烈,而且努力用通俗易懂的语言来阐述,这些都很值得肯定。由于太想全面、系统地进行介绍,似乎忘了这是写给谁看的,重点内容、主线、主要的读者对象都不够突出。对古代的科学大师及相关成就介绍的篇幅在全文中占的比例也偏大了。

2018-01-24 15:18 匿名 ——

一篇主要介绍太空观测历史的科普文章,开头用FAST引出现在人对宇宙的观测,然后追逐人类的对于宇宙观测的历史。文中科普了很多古代天文学家和一些古人对于宇宙认知的理论。文字通俗易懂,传达的科学信息也基本正确,是篇还不错的科普文章。

2018-01-25 14:49 匿名 ——

作者用朴实流畅的语言,介绍了近7000年天文学发展史上走在前列的科学家、哲学家,以及他们的科学精神、科学思想和方法,同时用大量的篇幅介绍了关于时空的测量、万物本原、浑天说、日心说、恒星的演化、大爆炸宇宙论等等理论,并在描述时融入自己的思考。可以看出,作者在写作之前做了大量功课,是下了一番功夫的。 但是,作为科普文章,“漫话星空”这个标题太大,作者希望读者籍此文了解星空的方方面面,却恰恰失去了重点,给人感觉是泛泛而谈。若不是星空迷,这长篇大论的,很难一口气读完。话说回来,若是星空迷的话,这些知识恐怕早已了解。 建议作者在今后创作科普文章时,选取一两个科普点,用细节、用人物、用故事去阐述。

2018-01-28 20:50 匿名 ——

科学史是科普的宝库,也是科普创作值得推荐的起步经验。由在校大四学生撰写的《漫话星空》,体现了作者对与天文学史掌握的全面性。古代天文学研究最重要的使命是确定时间和空间,在时空测量方面,作者讲述了古希腊时期和中国古代如何测量大地形状、研究尼罗河泛滥、十二星座、圭表测影、测量地球周长等;在宇宙的组成方面,从古希腊哲学家朴素的四元素论,逐渐发展到原子学说和元素周期表的出现;在宇宙观方面,讲述了中国古代的盖天说、西方的地心说、日心说,再到现在的宇宙大爆炸理论。作者对这些从古到今的科学史娓娓道来,传递出科学并非真理,而是不断更新、不断演化的认知过程。本文的一个特色是,多处恰到好处地引用了南仁东、爱因斯坦等中外科学家的经典语句,为本文增设不少。

2018-02-08 23:46 匿名 ——

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