科學(xué)史上對(duì)天體運(yùn)行的認(rèn)知過(guò)程

韋松英

人類關(guān)于天體的運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過(guò)程，從提出地球是一個(gè)球，到證實(shí)地球是一球形；從地心說(shuō)到日心說(shuō)；從行星運(yùn)動(dòng)的圓軌道到橢圓軌道；從提出行星間存在引力到引力平方反比關(guān)系的猜想、證明，再到萬(wàn)有引力定律的建立，經(jīng)歷了兩千多年的歷史。在這個(gè)過(guò)程中，無(wú)數(shù)科學(xué)家做出了努力，下面就按歷史發(fā)展的順序，對(duì)主要貢獻(xiàn)的歷史人物以及事件做一個(gè)綜述。

1“地心說(shuō)”與“日心說(shuō)”之爭(zhēng)

古時(shí)人們就有“天圓地方”的說(shuō)法，認(rèn)為地球是方形的。公元前五六世紀(jì)，畢達(dá)哥拉斯從哲學(xué)的角度，提出地球應(yīng)是完美的圓形。

公元前350年前后，亞里士多德（前384-前322）觀察月食，認(rèn)為那是地球在月球上的投影，據(jù)此推斷出地球應(yīng)為球形。支持這一觀點(diǎn)的還有其他證據(jù)，比如觀察到遠(yuǎn)處漸漸靠近的船只，總是先見到桅桿，后見到船身。亞里士多德還提出了地球是宇宙的中心，地球是由水、氣、火、土組成，天體由“以太”組成。

托勒密，地球中心說(shuō)。地球是一個(gè)在宇宙中心一動(dòng)不動(dòng)的球體，太陽(yáng)、月亮以及其他行星都圍繞著地球做完美的圓周運(yùn)動(dòng)。他提出，各行星都有自己的一個(gè)圓軌道，稱為“本輪”，所有本輪的圓心又在一個(gè)以地球?yàn)橹行牡膱A周上，這個(gè)圓周稱為“均輪”。為了很好的解釋天體的運(yùn)動(dòng)，本輪均輪達(dá)到80多個(gè)，后來(lái)又提出了偏心圓，這個(gè)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，但卻較好的解釋了人們所能觀測(cè)到的天體的運(yùn)動(dòng)情況。他的這個(gè)天體模型一直流行到文藝復(fù)興結(jié)束。

哥白尼（1473-1543），他在意大利讀書時(shí)期，便對(duì)天文問(wèn)題產(chǎn)生濃厚興趣。在學(xué)習(xí)托勒密的《至大論》后，他認(rèn)為托勒密的體系太過(guò)復(fù)雜，他提出如果將太陽(yáng)作為宇宙的中心，可以大大簡(jiǎn)化托勒密的模型。1543年，哥白尼的著作《天體運(yùn)行論》出版，他的體系將圓減少到了34個(gè)，與托勒密的體系相比，更為簡(jiǎn)潔。但是在行星方位的預(yù)測(cè)方面，與托勒密相比，并沒(méi)有提高精度。

2行星運(yùn)動(dòng)軌道的確定

第谷（1546-1601），他在大學(xué)學(xué)習(xí)的是法律，但卻對(duì)天文學(xué)有著更為濃厚的興趣。他利用課余時(shí)間觀察天象，發(fā)現(xiàn)自己觀察到木星和土星靠在一起的時(shí)間比星歷表的預(yù)言早了一個(gè)月，這激勵(lì)他編制更為精確的星歷表。為了能有更好的觀察條件，他在歐洲游學(xué)，后來(lái)得到了丹麥國(guó)王的資助。1576年在赫芬島，胡恩島上建立天文臺(tái)、圖書館、實(shí)驗(yàn)室、印刷廠。在那里觀察了二十多年，得到大量的天文數(shù)據(jù)。1599年，在丹麥國(guó)王腓特烈二世逝世后，移居布拉格，繼續(xù)觀察。他為后人留下了珍貴的、精確的觀測(cè)數(shù)據(jù)，為開普勒后續(xù)研究提供了寶貴的數(shù)據(jù)。第谷本人是地心說(shuō)的支持者，他認(rèn)為太陽(yáng)和其他行星一起繞地球運(yùn)動(dòng)，地球是宇宙的中心，是不動(dòng)的。

開普勒（1571-1630），德國(guó)人，天文學(xué)家。最初，他是哥白尼日心說(shuō)的擁護(hù)者。與別人不同的是，開普勒不是盲目的接受一個(gè)觀點(diǎn)，他通過(guò)自己的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)哥白尼的體系與實(shí)際觀察到的數(shù)據(jù)有出入，他對(duì)天體運(yùn)行的規(guī)律有自己的思考。1600年，開普勒獲得了成為第谷助手的機(jī)會(huì)，在第谷逝世后，獲得了第谷所有的觀測(cè)數(shù)據(jù)。之后開始進(jìn)入長(zhǎng)期的計(jì)算中，他發(fā)現(xiàn)，如果天體是按照正圓均速運(yùn)動(dòng)，所預(yù)測(cè)的天體運(yùn)動(dòng)與第谷觀測(cè)的結(jié)果有較大的出入。他堅(jiān)信第谷的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的，那么問(wèn)題就出在天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的假設(shè)了。在之后的研究中，他發(fā)現(xiàn)活性經(jīng)常偏離圓軌道，經(jīng)過(guò)70多次的反復(fù)修正，否定了圓軌道，最后確定了橢圓。直到1609年，他在《新天文學(xué)》中公開發(fā)表了兩條行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。九年后，他又發(fā)現(xiàn)了第三定律。他用簡(jiǎn)單的三句話，概括了太陽(yáng)與行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，被后人稱為“天空立法者”。這三句話就是我們現(xiàn)在所說(shuō)的開普勒三大定律：軌道定律、面積定律和周期定律。軌道定律闡述了行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道是一個(gè)橢圓，太陽(yáng)在橢圓的焦點(diǎn)上。面積定律解釋了天體運(yùn)動(dòng)時(shí)快時(shí)慢，“太陽(yáng)與行星的連線在相同的時(shí)間內(nèi)，掃過(guò)的面積是相等的”，所以近日點(diǎn)的行星運(yùn)動(dòng)的速度比遠(yuǎn)日點(diǎn)的速度要快。周期定律：，其中T表示的是天體繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的周期，a表示的是天體繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的橢圓軌道的半長(zhǎng)軸。

3引力來(lái)源的思考及牛頓萬(wàn)有引力定律的建立

伽利略（1564-1642），意大利人。他是哥白尼的日心說(shuō)的擁護(hù)者，認(rèn)為地球是運(yùn)動(dòng)的。他始終堅(jiān)信圓運(yùn)動(dòng)是最簡(jiǎn)單最和諧的運(yùn)動(dòng)，而不關(guān)注開普勒的橢圓軌道。他應(yīng)用望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀測(cè)天體，得到很多肉眼無(wú)法觀測(cè)的現(xiàn)象，比如他發(fā)現(xiàn)了金星的盈虧變化，更加否定了地心說(shuō)，給予日心說(shuō)有力的支持。伽利略認(rèn)為，天體做圓周運(yùn)動(dòng)，是遵從慣性原理的，它們的這種圓周運(yùn)動(dòng)不需要力來(lái)支持，是自然維持的。在力學(xué)方面，他推崇實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)推理相結(jié)合的科學(xué)方法。否定了亞里士多德重的物體比輕的物體下落的快的觀點(diǎn)。他又對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究，提出了自由落體運(yùn)動(dòng)是勻變速運(yùn)動(dòng)。他不僅對(duì)地面上的落體運(yùn)動(dòng)建立了正確的認(rèn)識(shí)，更為近代科學(xué)創(chuàng)立了新的研究方法，標(biāo)志著近代物理學(xué)的開端。

笛卡爾，與伽利略的觀點(diǎn)一樣，行星的軌道是正圓，是勻速運(yùn)動(dòng)的。他提出若沒(méi)有外因的作用，運(yùn)動(dòng)的物體將以相同的速度沿同一直線運(yùn)動(dòng)，他強(qiáng)調(diào)慣性運(yùn)動(dòng)的直線性。但他否認(rèn)天體運(yùn)動(dòng)是由于引力的作用而產(chǎn)生的。他認(rèn)為太陽(yáng)周圍有“漩渦”，由于“漩渦”的作用，行星才得以不停做圓周運(yùn)動(dòng)。地球周圍也存在“漩渦”，這才使得物體能落地。

荷蘭科學(xué)家惠更斯做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)碗內(nèi)漩渦的水讓小石子拉到漩渦的中心，從而更加支持笛卡爾的漩渦模型。但令人驚奇的是，惠更斯在研究單擺問(wèn)題的時(shí)候，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng)的物體需要向心力，并推算出向心力定律，但卻未將它用在天體問(wèn)題上，未發(fā)現(xiàn)天體運(yùn)動(dòng)的力是來(lái)自于引力。

伽利略、笛卡爾認(rèn)為物體在不受其他外力作用時(shí)，將會(huì)沿著直線運(yùn)動(dòng)，他們的觀點(diǎn)引發(fā)新的問(wèn)題：（1）既然不受外力的時(shí)候物體做直線運(yùn)動(dòng)，那么天體的圓周或橢圓運(yùn)動(dòng)，需要力來(lái)維持，現(xiàn)在需要解決的問(wèn)題就是找出這個(gè)力的規(guī)律。（2）證明引力隨距離變化的關(guān)系。

牛頓（1642-1727），1687年出版的《原理》中提出了萬(wàn)有引力定律，一方面解釋了落體運(yùn)動(dòng)及行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，另一方面，他通過(guò)“月地檢驗(yàn)”，將地上的落體運(yùn)動(dòng)和天上的行星運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來(lái)，得到了簡(jiǎn)潔的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。開普勒總結(jié)出了行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，但并未能做出為什么運(yùn)動(dòng)的解釋，牛頓恰在這方面做了研究。在惠更斯提出離心力（向心力）公式后，很多科學(xué)家都從開普勒的周期定律推出了引力與距離的平方成反比的關(guān)系。之后，科學(xué)家們又思考能否從中推導(dǎo)出物體的軌跡形狀。胡克聲稱自己已經(jīng)可以證明所有天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但他并未公布自己的結(jié)果。后來(lái)，1684年8月，哈雷拜訪了牛頓，希望他可以幫助解決這個(gè)問(wèn)題。牛頓聲明自己早已做過(guò)證明，但是找不到手稿，他就重新證明了一次，那個(gè)時(shí)候牛頓已經(jīng)發(fā)明了微積分，為他求解橢圓軌道的問(wèn)題提供了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。寫了論文《論軌道上物體的運(yùn)動(dòng)》寄給哈雷，這篇文章成為后來(lái)出版的《論自然科學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》的第一部分內(nèi)容。

牛頓繼續(xù)深入思考，9個(gè)月后完成《論物體的運(yùn)動(dòng)》，解決了慣性問(wèn)題，明確了引力的普遍性。牛頓思考地上蘋果落地的重力和天上月亮繞地運(yùn)動(dòng)的力是否為同一種力，這就是后人所說(shuō)的“月地檢驗(yàn)”。牛頓提出，在地面上拋射出一塊石子，石子將會(huì)在空中做曲線運(yùn)動(dòng)，然后落在地面上；如果增大初速度，石子落地時(shí)離出發(fā)點(diǎn)就越遠(yuǎn)。設(shè)想速度增加到非常大，石子將會(huì)經(jīng)過(guò)好多里的路徑才會(huì)落到地上；再繼續(xù)增大速度，它將會(huì)從地球邊上掠過(guò)。這就成為了我們現(xiàn)在所說(shuō)的近地衛(wèi)星。如果在月球的軌道上，給予合適的速度拋物體，那么物體將會(huì)繞地運(yùn)動(dòng)。這個(gè)物體可以是石子，也可以是蘋果，或是月亮。如果月亮所受地球的引力和地面上的物體所受的引力遵從同樣的規(guī)律，那么就實(shí)驗(yàn)了“天”“地”的統(tǒng)一。牛頓通過(guò)當(dāng)時(shí)已有的月球繞地運(yùn)動(dòng)的周期，月地距離，算出月亮繞地運(yùn)動(dòng)的（向心）加速度是地面物體自由落體加速度的，兩者距地球中心的距離之比為60，說(shuō)明地球?qū)υ铝恋囊偷孛嫖矬w所受的引力都和距離遵從平方反比的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了“天地合一”。牛頓在研究天體問(wèn)題的過(guò)程中，也解決了物理運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)問(wèn)題，建立了以三大運(yùn)動(dòng)定律為基礎(chǔ)的力學(xué)體系。在1687年出版的《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》中，牛頓進(jìn)行了完整的闡述。

亨利·卡文迪許（1731-1810），英國(guó)人，著名的物理學(xué)家、化學(xué)家?？ㄎ牡显S的扭秤實(shí)驗(yàn)，被評(píng)為“十大最美物理實(shí)驗(yàn)”。牛頓運(yùn)用自己的強(qiáng)大的數(shù)學(xué)能力和大膽的推論，指出萬(wàn)物之間都存在引力。但是地球上兩個(gè)物體之間的引力實(shí)在太小了，人們沒(méi)辦法測(cè)量，卡文迪許和米歇爾（1724-1793）設(shè)計(jì)的扭秤實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)了這個(gè)遺憾。在米歇爾逝世后，卡文迪許繼續(xù)鉆研，在1798年，卡文迪許通過(guò)實(shí)驗(yàn)，測(cè)出了地球的密度（發(fā)表文章《地球密度的實(shí)驗(yàn)確定》）。當(dāng)時(shí)他并未去計(jì)算引力常量G，但后人根據(jù)他的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出，并計(jì)算出具體數(shù)值，歷史上仍稱他為“第一個(gè)稱起地球質(zhì)量的人”。