2.2: 古代天文学
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- 202809
学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 描述世界各地天文学的早期例子
- 解释一下希腊天文学家是如何推断出地球是球形的
- 解释一下希腊天文学家是如何计算出地球大小的
- 描述称为进动的地球运动
- 描述托勒密的地心行星运动系统
现在让我们简要回顾一下历史。 现代西方文明的大部分都以某种方式源于古希腊人和罗马人的思想，天文学也是如此。 但是，许多其他古代文化也开发了用于观测和解释天空的复杂系统。
世界各地的天文学
古代巴比伦、亚述和埃及的天文学家知道一年的大概长度。 例如，3000年前的埃及人采用了以365天年为基础的日历。 他们仔细跟踪了明亮的天狼星在黎明前的天空中升起的时间，该天狼星的年度周期与尼罗河的洪水相对应。 中国人也有工作日历；他们决定一年的长短与埃及人差不多。 中国人还记录了太阳上的彗星、明亮的流星和黑点。 （《科学与宇宙：简介》中介绍了许多类型的天体物体。 如果你不熟悉彗星和流星之类的术语，你可能需要复习那一章。） 后来，中国天文学家仔细记录了 “客星星”，这些恒星通常太微弱而看不见，但突然爆发而肉眼看不见，持续数周或数月。 我们仍在使用其中一些记录来研究很久以前爆炸的恒星。
墨西哥和中美洲的玛雅文化开发了以金星为基础的复杂日历，他们在一千年前从专门用于此目的的地点进行了天文观测。 波利尼西亚人学会了在星空中航行数百公里的开阔海域，这一技能使他们能够在远离起源地的新岛屿上殖民。
在英国，在广泛使用文字之前，古代人用石头来追踪太阳和月亮的运动。 我们仍然可以找到他们为此目的建造的一些伟大的石圈，其历史可以追溯到公元前2800年。 其中最著名的是巨石阵，《地球》、《月球》和《天空》中对此进行了讨论。
早期的希腊和罗马宇宙论
我们对宇宙的概念——它的基本结构和起源——被称为宇宙学，这个词源于希腊语。 在望远镜发明之前，人类必须依靠简单的感官证据来描绘宇宙的画面。 古人发展了宇宙论，将他们对天堂的直接看法与各种各样的哲学和宗教象征意义相结合。
至少在哥伦布之前的2000年，地中海东部地区受过良好教育的人们知道地球是圆的。 对球形地球的信念可能源于毕达哥拉斯时代，毕达哥拉斯是一位生活在2500年前的哲学家和数学家。 他认为圆形和球体是 “完美的形态”，因此建议地球应该是一个球体。 作为众神喜欢球体的证据，希腊人引用了我们后面描述的证据，引用了月球是一个球体这一事实。
亚历山大大帝的导师亚里士多德（公元前384—322年）的著作总结了当时的许多想法。 他们描述了月球相位的发展（其形状明显变化）是如何随着时间的推移我们看到月球阳光普照的半球的不同部分而产生的（见地球、月球和天空）。 亚里士多德还知道太阳离地球的距离必须比月球更远，因为偶尔月亮正好在地球和太阳之间穿过，暂时将太阳隐藏在视线之外。 我们称之为日食。
亚里士多德引用了令人信服的论点，即地球必须是圆的。 首先是，在月食期间，当月球进入或从地球的阴影中浮现时，在月球上看到的阴影的形状总是圆的（图\(\PageIndex{1}\)）。 只有球形物体才会产生圆形阴影。 例如，如果地球是一个圆盘，那么在某些情况下，阳光会边缘照射它，而它在月球上的阴影会变成一条线。
作为第二个论点，亚里士多德解释说，向南行驶很长一段距离的旅行者能够观测到更北边看不见的恒星。 而且，随着旅行者向南移动，北星（离北天极最近的恒星）的高度会降低。 在平坦的地球上，每个人都会在头顶看到同样的星星。 唯一可能的解释是，旅行者一定是在地球上弯曲的表面上移动，从不同的角度显示星星。 （参见《我们怎么知道地球是圆的？ 此功能提供更多关于证明地球是圆形的想法。）
一位希腊思想家，萨摩斯岛的阿里斯塔丘斯（公元前310-230年）甚至暗示地球正在绕太阳移动，但亚里士多德和大多数古希腊学者拒绝了这个想法。 他们得出结论的原因之一是，他们认为，如果地球绕太阳移动，他们将在地球轨道上观测来自不同位置的恒星。 随着地球的移动，附近的恒星应该相对于更远的恒星改变它们在天空中的位置。 同样，每当我们在运动时，我们都会看到前景物体似乎在更远的背景上移动。 当我们乘坐火车时，前景中的树木似乎在火车驶过时相对于遥远山丘的位置发生了变化。 不知不觉中，我们一直在使用这种现象来估计我们周围的距离。
由于观察者的运动而导致物体方向的明显偏移称为视差。 我们称由于地球轨道运动而导致恒星视觉方向的变化为恒星视差。 希腊人竭尽全力观察恒星视差，甚至寻求视野最清晰的希腊士兵的援助，但无济于事。 更亮（可能更近）的恒星似乎并没有像希腊人在春天观察到的那样移动，然后在秋天（当地球位于太阳的对面时）再次观察到它们那样。
这意味着要么地球没有移动，要么是恒星必须离得很远，以至于视差偏移非常小。 如此巨大的宇宙需要想象力的飞跃，而大多数古代哲学家都没有做好准备，因此他们退到了以地球为中心的观点的安全性，这种观点将在近两千年的时间里主导西方思维。
我们怎么知道地球是圆的？
除了本章中讨论的两种方式（来自亚里士多德的著作）之外，你可能还会这样推理：
- 让我们看着一艘船在晴朗的日子里离开港口驶向远方。 在平坦的地球上，我们只会看到飞船在航行时越来越小。 但这并不是我们实际观察到的。 相反，船只沉入地平线以下，船体首先消失，桅杆在更长的时间内保持可见状态。 最终，当飞船绕地球曲率航行时，只能看到桅杆的顶部。 最后，这艘船消失在地平线之下。
- 国际空间站每 90 分钟左右绕地球一次。 从航天飞机和其他卫星拍摄的照片表明，从各个角度来看，地球都是圆的。
- 假设你在地球的每个时区都交了一个朋友。 你在同一时间给他们所有人打电话，问：“太阳在哪里？” 在平坦的地球上，每个呼叫者都会给你大致相同的答案。 但是在圆形的地球上，你会发现，对于一些朋友来说，太阳在天空中会很高，而对于另一些朋友来说，太阳会升起、落山或完全看不见（最后一群朋友会因为叫醒他们而对你不高兴）。
使用 Eratosthenes 测量地球
希腊人不仅知道地球是圆的，而且他们能够测量地球的大小。 大约在公元前200年，居住在埃及亚历山大的希腊人Eratosthenes（公元前276—194年）首次相当准确地确定了地球的直径。 他的方法是几何方法，基于对太阳的观测。
太阳离我们太远了，所有照射我们星球的光线都沿着基本上平行的线接近我们。 要了解原因，请看图\(\PageIndex{2}\)。 以地球附近的光源为例，比如在位置 A，它的光线沿着不同的路径照射地球的不同部分。 从 B 或 C（距离更远）的光源来看，撞击地球相反部分的光线之间的角度较小。 光源越远，光线之间的角度越小。 对于无限远的光源，光线沿着平行线传播。
当然，太阳并不是无限遥远，但考虑到其1.5亿千米的距离，从太阳上某一点照射地球的光线彼此之间的偏离角度太小，无法用肉眼观察。 因此，如果地球上所有能看见太阳的人都指向太阳，他们的手指本质上就会彼此平行。 （行星和恒星也是如此，我们将在讨论望远镜的工作原理时使用这个想法。）
Eratosthenes 被告知，夏天的第一天，在埃及锡耶纳（靠近现代阿斯旺），中午阳光照射了一口垂直井的底部。 这表明太阳直接在井上——这意味着 Syene 位于从地球中心到太阳的直线上。 在亚历山大的相应时间和日期，Eratosthenes 观察到柱子形成的阴影，发现太阳不是直接在头顶，而是稍微位于天顶以南，因此它的光线形成了一个角度，垂直方向等于大约 1/50 的圆圈（7°）。 因为太阳照射这两个城市的光线彼此平行，为什么这两条光线与地球表面的角度不一样？ Eratosthenes 认为，环绕地球的曲率意味着这两个城市的 “直线向上” 是不一样的。 他意识到，对亚历山大角度的测量使他能够弄清楚地球的大小。 他看见，亚历山大在赛恩以北必须是地球周长的1/50（图\(\PageIndex{3}\)）。 据测亚历山大位于锡耶纳以北的5000个体育场。 （体育场是希腊语的长度单位，源自体育场赛道的长度。） 因此，Eratosthenes 发现地球的周长必须为 50×5000 或 250,000 个体育场。
无法精确评估 Eratosthenes 解的准确性，因为人们怀疑他使用了哪种希腊体育场作为距离单位。 如果是普通的奥林匹克体育场，那么他的成绩大约太大了 20%。 根据另一种解释，他使用的体育场等于大约1/6公里，在这种情况下，他的数字在40,000公里正确值的1％以内。 尽管他的测量结果不准确，但他在仅使用阴影、阳光和人类思想力量的情况下成功地测量了我们星球的大小，这是历史上最伟大的智力成就之一。
Hipparchus 和 Precession
也许古代最伟大的天文学家是希帕丘斯，他出生在当今土耳其的尼西亚。 他在公元前150年左右在罗得岛建立了一个天文台，当时罗马共和国正在将其影响力扩大到整个地中海地区。 他在那里尽可能准确地测量了天空中物体的位置，编制了一份包含大约 850 个条目的开创性恒星目录。 他为每颗恒星指定了天体坐标，指定了它在天空中的位置，就像我们通过给出纬度和经度来指定地球上一个点的位置一样。
他还根据恒星的表观亮度将其划分为视在量级。 他称最亮的恒星为 “一等级的恒星”；将下一个最亮的星群称为 “二级恒星”；依此类推。 这个经过修改的相当任意的系统至今仍在使用（尽管它对专业天文学家的用处越来越小）。
通过观察恒星并将他的数据与以前的观测结果进行比较，希帕丘斯得出了他最引人注目的发现之一：在过去的一个半世纪中，北天极在天空中的位置发生了变化。 希帕丘斯正确地推断出，这种情况不仅发生在他的观测所涵盖的时期，而且实际上一直在发生：天空旋转的方向变化缓慢但持续不断。 回想一下天极和天赤道部分，北天极只是地球北极向天空的投影。 如果北极在摆动，那么地球本身一定在摆动。 今天，我们明白，地球轴线指向的方向确实缓慢但有规律地变化，我们称之为进动。 如果你曾经看过陀螺摆动，你就会观察到类似的动作。 顶部的轴线描述了一条圆锥形的路径，当地球的重力试图将其推倒时（图\(\PageIndex{4}\)）。
因为我们的星球不是一个精确的球体，而是在赤道稍微凸起一点，所以太阳和月亮的拉力会使它像顶部一样摆动。 地球轴线大约需要26,000年的时间才能完成一个进动圈。 由于这个运动，我们的轴指向天空的点随着时间的推移而变化。 虽然北极星是当今最接近北天极的恒星（它将在2100年左右到达最接近的点），但天琴座中的维加星将在14,000年后成为北极星。
托勒密的太阳系模型
罗马时代最后一位伟大的天文学家是克劳迪乌斯·托勒密（或托勒密），他在140年左右在亚历山大蓬勃发展。 他写了一本庞大的天文学知识汇编，如今它被称为阿拉伯名字 Almagest（意思是 “最伟大的”）。 Almagest 不只涉及托勒密自己的作品；它包括对过去的天文学成就的讨论，主要是希帕丘斯的天文学成就。 今天，它已成为我们有关希帕丘斯和其他希腊天文学家工作的主要信息来源。
托勒密最重要的贡献是太阳系的几何表示，它预测了行星在任何所需日期和时间的位置。 Hipparchus 手头没有足够的数据来自己解决问题，反而积累了观测材料供后代使用。 托勒密用他自己的新观察结果补充了这份材料，并制作了一个持续一千多年的宇宙学模型，直到哥白尼时代。
解释行星运动的复杂因素是，它们在天空中的明显徘徊是它们自身运动与地球轨道旋转相结合的结果。 当我们在移动的地球上从有利位置观察行星时，这有点像你在赛车比赛的同时观看赛车。 有时候对手的汽车会经过你，但在其他时候你会通过他们，使他们看起来相对于你向后移动了一段时间。
该图\(\PageIndex{5}\)显示了地球和离太阳更远的行星（在本例中为火星）的运动。 地球沿着与另一颗行星相同的方向绕太阳行驶，在几乎相同的平面上移动，但其轨道速度更快。 结果，它会定期超越地球，就像内部赛道上速度更快的赛车一样。 该图显示了我们在不同时间在天空中看到行星的位置。 图右侧的星场中显示了行星在恒星中的路径。
图：行星在地球轨道之外的\(\PageIndex{5}\)逆行运动。 图中的字母显示了地球和火星在不同时间的位置。 通过沿着从每个地球位置穿过每个相应的火星位置的线条，你可以看到火星的逆行路径与背景恒星的对比情况。
逆行运动
这个对火星的逆行模拟说明了从地球上看到的火星的运动以及从火星上看到的地球逆行运动。 还有一个关于两颗行星相对于彼此运动的动画，它创造了这个运动的外观。
通常，行星在绕太阳运行的几周和几个月内在天空中向东移动，但是从图中的B位置到D位置\(\PageIndex{5}\)，在我们的例子中，当地球经过行星时，它似乎向后漂移，在天空中向西移动。 尽管它实际上正在向东移动，但移动速度更快的地球已经超越了它，从我们的角度来看，它似乎正在将其抛在后面。 当地球绕轨道朝向位置 E 时，行星再次在天空中开始了明显的向东运动。 当地球在行星和太阳之间摆动时，行星的暂时明显向西运动称为逆行运动。 如今，这种向后运动对我们来说更容易理解，因为我们知道地球是移动的行星之一，而不是所有创造物的不移动中心。 但是托勒密面临的问题要复杂得多，那就是在假设地球静止的同时解释这种运动。
此外，由于希腊人认为天体运动必须是圆圈，托勒密只能使用圆来构建自己的模型。 要做到这一点，他需要数十个圈子，其中一些在其他圈子里移动，其结构复杂，会让现代观众头晕目眩。 但我们决不能让现代判断掩盖我们对托勒密成就的钦佩。 在他的时代，一个以地球为中心的复杂宇宙是完全合理的，而且就其本身而言，它也相当漂亮。 但是，据报道，正如卡斯蒂利亚国王阿方索十世在向托勒密行星运动系统解释后所说的那样：“如果全能的主在开始创造之前咨询过我，我应该推荐一些更简单的东西。”
托勒密通过让每颗行星在一个叫做 ep icycle 的小轨道上旋转，解决了解释观测到的行星运动的问题。 然后，epicycle 的中心围绕地球旋转，绕着一个叫做 d eferent 的圆圈（图\(\PageIndex{6}\)）。 当行星在 epicycle 轨道\(\PageIndex{6}\)上位于 Figure 中的 x 位置时，它正朝着与行星循环中心相同的方向移动；从地球出发，行星似乎在向东移动。 但是，当行星处于 y 时，它的运动方向与行星中心绕地球的运动方向相反。 通过选择正确的速度和距离组合，托勒密成功地使行星以正确的速度和正确的时间间隔向西移动，从而用他的模型复制了逆行运动。
但是，我们将在《轨道与重力》中看到，像地球这样的行星以椭圆而不是圆的轨道绕太阳行驶。 它们的实际行为无法用均匀的圆周运动方案来准确表达。 为了与观测到的行星运动相匹配，托勒密必须将不同的圆圈居中，不是在地球上，而是在离地球一定距离的地方。 此外，他还引入了围绕另一个轴线（称为等值点）的均匀圆周运动。 所有这些都使他的计划变得相当复杂。
托勒密能够开发出如此复杂的系统来成功解释对行星的观测结果，这是对托勒密作为数学家的天才的致敬。 可能是托勒密并不打算用他的宇宙学模型来描述现实，而只是作为一种数学表示，使他能够随时预测行星的位置。 不管他怎么想，他的模式经过一些修改，最终在穆斯林世界和（后来）在基督教欧洲被公认为权威。
摘要
亚里士多德等古希腊人认识到地球和月球是球体，他们了解月相，但由于他们无法探测恒星视差，他们拒绝了地球运动的想法。 Eratosthenes 以惊人的精度测量了地球的大小。 希帕丘斯进行了多次天文观测，制作了恒星目录，定义了恒星星级系统，并发现了北天极位置的明显变化带来的进动。 亚历山大的托勒密在他的《Almagest》中总结了经典的天文学；他使用以地球为中心的模型非常精确地解释了行星运动，包括逆行运动。 这种地心模型基于使用周转的均匀圆周运动的组合，被公认为权威已有一千多年了。
词汇表
- 明显的幅度
- 衡量恒星在天空中的亮度；数字越大，恒星在我们看来就越暗
- 宇宙论
- 对宇宙组织和演化的研究
- epicyc
- 托勒密系统中物体的圆形轨道，其中心围绕另一个圆圈（deferent）旋转
- 视差
- 地球绕太阳运动导致附近恒星的明显位移
- 进动（地球的）
- 地球自转轴缓慢的圆锥形运动，主要是由月球和太阳对地球赤道凸起的引力引起的
- 逆行运动
- 行星在天球上或相对于恒星的明显向西运动