宇宙的本質(第四章天文簡史)

LM0318 2010-05-01

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每一个时代，真理常与谬论并存，只有时间才能筛走糟粕，厘清对错。回首历史，「真知」当然重要，但「谬论」却能映衬出「真知」的真，让我们更清楚了解它们对在哪里。

早期天文学的发展
每个民族都有一套解释天空和众星的理论和神话。对古代的中国人来说，「天」是重要而神秘的。所以，中国人很早已经对天象作认真而细致的观测，更留下了大量详细的天象记录。可惜的是中国人在天文理论方面却十分粗疏，知其然却从不深究其所以然。

早在公元前600 年，在现代文明之源希腊，生于米利都的希腊哲学家 塔利斯 已经提出宇宙自有其规律并可为人所了解。大约公元前 400 年， 帕拉图 相信宇宙是完美的，而正圆是最完美的图形，所以所有天体皆应以正圆运行，而地球则处于宇宙的中心，这是 地心说 的滥觞。

由于早期的地心说解释不了行星逆行的现象，所以在公元140 年， 托密勒 提出他的改良版地心说( 他提出了不少修订，但我们只会简述他的学说) 。

根据托密勒的宇宙观，行星皆以一个称为 均轮 的轨迹运动，而均轮的中心则依着一个称为 本轮 的大正圆绕着地球旋转。水星和金星的均轮中心，和地球及太阳中心永远连成一条直线。众星则依附在一个最外层的大天球上。

这个理论所预测的行星位置，和实际位置的误差在数度之内。当时的人对此已心满意足，结果托密勒地心说主宰了西方世界约一千五百年。

哥白尼


	鸣谢﹕ NASA.

波兰天文学家 哥白尼 (1473-1543) 提出 日心说 ，认为太阳才是宇宙的中心，而地球只不过是围绕太阳的其中一颗行星，自此人类丧失了处于宇宙中心的特殊地位。这个理论简单而精彩，亦成功解释行星的逆行现象。可惜的是，日心说预测天体运动的准确性和地心说只是不相伯仲，并未为当时的人普遍接受。

伽利略


	鸣谢﹕ NASA.

两件事实：

望远镜不是意大利天文学家 伽利略 (1564-1642) 发明的，事实上，望远镜的发明者是谁仍有争论。
伽利略的罪名是「研究科学」，肯定的是他并 没有 被教廷活活烧死。

简单来说，伽利略和梵蒂冈的冲突源于伽利略以观测和实验来寻找真理，但僵化的教廷却认为真理可以在信心中获得。宗教裁判所最后作出判决，把伽利略终生监禁，伽利略被幽禁在一间村屋之中，度过了他人生中最后的十年。

伽利略是日心说的忠实拥护者，也是世上第一个利用望远镜窥探天空的人，这是人类首次在天文上利用仪器增强自己的观测能力。

伽利略有四个主要发现：

月球上有山脉地形。
太阳黑子。
这两个发现证明天空并不是完美的。
绕着木星旋转的四颗卫星。显示宇宙有其他的「中心」，这四颗卫星现在称为伽利略卫星。
金星亦有盈亏，证明它必定是环绕太阳运行，而不是均轮的中心。

开普勒


	鸣谢﹕ JPL/NASA.

16 世纪末，丹麦天文学家 第谷 (1546-1601) 孜孜不倦，每日量度天空中行星的位置，累积了大量的天文数据。这使得他的助手兼接任者德国天文学家 开普勒 发现了着名的 开普勒三大定律 。

开普勒第一定律 ：所有行星皆以 椭圆形轨道 环绕太阳运行，而太阳则处于椭圆其中一个 焦点 之上。绘画椭圆形其中一个方法是固定一条绳子的两端，然后用笔把绳绷紧，在绳子拘束之下，笔所绘出来的图形便是一个椭圆，而绳子两个固定点则是椭圆的两个焦点。

开普勒第二定律 ：假若在行星和太阳之间画一条直线，无论行星在什么位置，在同等时间之下，这条直线所扫过的面积皆会相等。简言之，行星越接近太阳，运行速度越高。

开普勒第三定律 ：行星公转周期的平方和其与太阳平均距离的立方成正比。

(公转周期)² = (常数) x (平均距离)³

公式中常数的数值，对所有行星以至一切环绕太阳运动的人造或天然物体皆适用。假若以地球取代太阳，例如研究月球或地球人造卫星时，我们会发觉上式的常数会有所变更。

牛顿


	鸣谢﹕ NASA.

开普勒只是从数据中发现了这些关系，但他却其实并不了解其背后的原因。英国物理学家 牛顿(1642-1727) 终能探本穷源，建立出一套能解释这些关系的物理理论。牛顿伟大的地方是他能用建基于更少假设的理论，自然推导出开普勒及其他定律。

牛顿可以说是现代物理的建基者。虽然苹果掉在牛顿头上，令他悟出万有引力定律的轶事，很有可能是杜撰的，但无论如何，万有引力定律无疑是牛顿芸芸成就中其中一个重要发现。

牛顿认为万物皆会互相吸引，例如原子笔掉到地上，便是由于原子笔和地球互相吸引。假若两件物体的质量分量为 M₁ 及 M₂ ，而它们之间的距离为r ，那么它们之间的吸引力F 为

F = G M₁ M₂ / r²

公式中的 G 被称为 引力常数 ，是一个非常小的数目，所以当物体的质量很小的时候，它们之间的引力便微不足道，我们看不到日常的物件会互相吸引，例如两个人由于万有引力而互相碰撞，便是这个原因。

现在，我们终于明白为什么月球会环绕地球运行。如果地球不存在，月球便会以直线运行，飞向宇宙深处。由于地球和月球互相吸引，月球便向地球靠拢，月球不断向地球方向落下，而落下的距离刚好和月球飞离地球的距离抵销，结果月球便能够以接近圆形的轨道绕着地球运行。地球和其他行星也是这样不断向太阳落下，才会以现时的轨道绕日运行。

牛顿的引力定律亦断言，星体的轨迹除了以直线前进外，也会是四种 圆锥截线 ─ 圆形、椭圆形、抛物线或双曲线─ 中其中一种。我们称这四种形状为圆锥截线，是由于以不同方法切割圆锥体，便可以得到这些形状。太阳系大部分成员以椭圆形绕日运行，但有些彗星的轨道则为抛物线或双曲线。

结语
牛顿定律是理论天文发展上一个辉煌的序曲，之后是一时的沉寂，直至他的出现：

鸣谢﹕ NASA.

被誉为二十世纪最伟大的物理学家─ 爱恩斯坦 。他从最根本的地方检视了牛顿理论，然后提出划时代的广义相对论。现在，我们相信广义相对论仍不是终极真理。科学发展的规律一向如是，有人提出理论，假若它和实验结果吻合，我们便会接受这个理论，但当日后出现更佳的仪器，发现理论与新实验结果有所偏差，这个理论便须要再度修正，然后再进行实验，循环不息。