2.4: 现代天文学的诞生
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- 202808
学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 解释哥白尼是如何开发太阳系的日心模型的
- 解释哥白尼的行星运动模型，并描述支持该模型的证据或论点
- 描述伽利略在运动和力研究方面的发现
- 解释伽利略的发现如何使证据平衡向哥白尼模型倾斜
在饱受冲突蹂躏的中世纪欧洲，天文学没有取得重大进展。 伊斯兰教在七世纪之后的诞生和扩张导致了阿拉伯和犹太文化的蓬勃发展，这些文化保存、翻译和补充了希腊人的许多天文观念。 例如，今天许多最亮恒星的名字都取自阿拉伯语，“天顶” 等天文术语也是如此。
随着欧洲文化开始摆脱漫长而黑暗的时代，与阿拉伯国家的贸易使人们重新发现了 Almagest 等古代文献，并重新唤起了人们对天文学问题的兴趣。 哥白尼的作品（图）体现了天文学的这次重生（法语为 “文艺复兴”\(\PageIndex{1}\)）。
哥白尼
文艺复兴时期最重要的事件之一是地球从宇宙中心移出，这是一位波兰神职人员在十六世纪发起的智力革命。 尼古拉斯·哥白尼出生于维斯瓦河沿岸的商业城镇托伦。 他的培训是法律和医学，但他的主要兴趣是天文学和数学。 他对科学的巨大贡献是对现有行星运动理论的批判性重新评估，以及以太阳为中心或日心的新太阳系模型的开发。 哥白尼得出结论，地球是一颗行星，所有行星都绕着太阳转。 只有月球绕地球运行（图\(\PageIndex{2}\)）。
哥白尼在他去世的那一年 1543 年出版的《De Revolutionibus Orbium Coel estium》（论天球革命）一书中详细描述了他的想法。 到这个时候，旧的托勒密系统需要进行重大调整才能正确预测行星的位置。 哥白尼想开发一种改进的理论来计算行星位置，但是在这样做的过程中，他本人并没有摆脱所有传统偏见。
他首先提出了他那个时代常见的几个假设，例如天体的运动必须由统一的圆周运动的组合组成。 但是他并没有（像大多数人一样）假设地球必须位于宇宙的中心，他提出了优雅而有说服力的日心系统的辩护。 尽管他的思想直到他去世一个多世纪后才被广泛接受，但学者们对他的思想进行了大量讨论，并最终对世界历史进程产生了深远的影响。
对日心理论提出的反对意见之一是，如果地球在移动，我们都会感知或感受到这种运动。 固体物体会被从地表撕下，从很高的高度掉落的球不会直接击中其下方的地面，依此类推。 但是一个动作的人不一定知道这个动作。 我们都经历过看到相邻的火车、公共汽车或轮船似乎在移动，却发现移动的是我们。
哥白尼认为，地球围绕太阳的运动同样可以很好地代表太阳在一年中绕地球的明显运动。 他还认为，天球的明显旋转可以通过假设地球在天球静止时旋转来解释。 哥白尼反对说，如果地球绕轴线旋转它会飞成碎片，哥白尼回答说，如果这种运动会使地球四分五裂，那么地心假设所要求的更大天球的运动速度更快将更具破坏性。
日心模型
哥白尼的《革命》中最重要的思想是，地球是围绕太阳旋转的六个（当时已知的）行星之一。 利用这个概念，他得以绘制出太阳系的正确大致画面。 他按正确的顺序放置了离太阳最近的行星：水星、金星、地球、火星、木星和土星。 此外，他推断出行星离太阳越近，其轨道速度越快。 凭借他的理论，他能够解释没有周周期的行星的复杂逆行运动，并为太阳系得出一个大致正确的比例。
哥白尼无法证明地球是围绕太阳旋转的。 实际上，经过一些调整，旧的托勒密系统也可以解释天空中行星的运动。 但是哥白尼指出，托勒密宇宙学很笨拙，缺乏其继任者的美丽和对称性。
事实上，在哥白尼时代，很少有人认为有办法证明日心系统还是旧的地心系统是正确的。 可追溯到希腊人并由天主教会捍卫的悠久哲学传统认为，纯粹的人类思想与神的启示相结合代表了通往真理的道路。 正如我们的感官所揭示的那样，大自然是可疑的。 例如，亚里士多德认为，较重的物体（具有使它们变得沉重的质量更高）必须比较轻的物体更快地坠落到地球。 这是绝对不正确的，正如任何简单的实验丢掉两个不同重量的球所表明的那样。 但是，在哥白尼时代，实验并不重要（如果你能原谅这个说法）；亚里士多德的推理更有说服力。
在这种环境下，几乎没有动力进行观测或实验来区分相互竞争的宇宙学理论（或其他任何理论）。 因此，日心思想争论了半个多世纪，没有进行任何检验来确定其有效性，这不足为奇。 （事实上，在北美殖民地，较旧的地心系统在1636年成立后的头几年里仍在哈佛大学教授。）
与此形成鲜明对比的是，当今科学家们急于检验每一个新的假设，在结果出来之前不接受任何想法。 例如，当犹他大学的两名研究人员在1989年宣布他们发现了在室温下实现核聚变（为恒星提供动力的过程）的方法时，美国超过25个实验室的其他科学家试图在几个实验室中复制 “冷聚变”几周——事实证明没有成功。 冷聚变理论很快就化为泡影。
我们今天如何看待哥白尼的模型？ 当科学界提出新的假设或理论时，必须首先检查其是否与已知假设或理论一致。 哥白尼的日心思想通过了这项考验，因为它至少可以像地心理论一样计算行星位置。 下一步是确定新假设做出的哪些预测与竞争思想的预测不同。 就哥白尼而言，一个例子是预测如果金星绕太阳，行星应该像月球一样经历全方位的相位，而如果它绕地球，则不应如此（图\(\PageIndex{3}\)）。 此外，我们不应该能够从地球上看到金星的整个相位，因为那样太阳就会在金星和地球之间。 但是在那些日子里，在望远镜出现之前，没有人想过要检验这些预测。
本动画显示了金星的各个阶段。 你还可以看到它绕太阳运行时与地球的距离。
伽利略与现代科学的开端
许多现代科学概念，即通过仔细的定量测量进行观察、实验和检验假设，都是由一位生活在哥白尼之后将近一个世纪的人开创的。 伽利略伽利略（图\(\PageIndex{4}\)）是莎士比亚的当代作品，出生于比萨。 像哥白尼一样，他开始接受医学职业培训，但他对这个科目几乎没有兴趣，后来转向数学。 他曾在比萨大学和帕多瓦大学任教，最终成为佛罗伦萨托斯卡纳大公的数学家。
伽利略最大的贡献是在力学、运动研究和力对物体的作用领域。 当时和我们现在一样，所有人都熟悉，如果某物处于静止状态，它往往会处于静止状态，需要一定的外部影响才能启动它。 因此，人们普遍认为休息是物质的自然状态。 但是，伽利略表明，休息并不比运动更自然。
如果物体沿着粗糙的水平地板滑动，它很快就会停止，因为它和地板之间的摩擦会起到减震作用。 但是，如果地板和物体都经过高度抛光，则在相同的初始速度下，物体在停止之前会滑得更远。 在光滑的冰层上，它会滑得更远。 伽利略认为，如果能够消除所有抵抗效果，该物体将无限期地保持稳定的运动状态。 他认为，不仅需要用力来启动物体从静止状态移动，还需要减速、停止、加速或改变移动物体的方向。 如果你曾经试图通过靠在滚动的汽车上来阻挡它，或者通过拉线来阻止行驶中的船，你一定会很感激。
伽利略还研究了物体的加速方式——改变它们的速度或运动方向。 伽利略观察物体自由掉落或从坡道上滚下来的情况。 他发现这些物体均匀加速；也就是说，在相等的时间间隔内，它们的速度增量相等。 伽利略用精确的数学术语制定了这些新发现的定律，使未来的实验者能够预测物体在不同时间长度内移动的距离和速度。
确认
理论上，如果伽利略是对的，那么同时从高处掉落的羽毛和锤子应该同时着陆。 在地球上，这个实验是不可能的，因为空气阻力和空气运动会使羽毛飘动，而不是直接向下掉落，只能通过重力加速。 几代人以来，物理老师都说尝试这个实验的地方是没有空气的地方，比如月球。 1971年，阿波罗15号宇航员大卫·斯科特拿起锤子和羽毛去月球试了一下，令世界各地的物理爱好者感到高兴。 美国宇航局提供了锤子和羽毛的视频以及简短的解释
视频人物\(\PageIndex{1}\)：Hammer Versus 月球上的羽毛图片来源：美国宇航局阿波罗 15 号船员
在1590年代的某个时候，伽利略采用了哥白尼关于日心太阳系的假设。 在罗马天主教意大利，这不是一种流行的哲学，因为教会当局仍然坚持亚里士多德和托勒密的思想，他们有强大的政治和经济理由坚持认为地球是创造的中心。 伽利略不仅挑战了这种想法，而且敢于用意大利语而不是学术拉丁语写作，并公开讲授这些话题。 对他来说，教会在宗教和道德问题上的权威与自然在科学问题上的权威（通过实验揭示）之间没有矛盾。 主要是因为伽利略和他的 “危险” 观点，教会才在1616年发布了一项禁令，指出哥白尼教义 “虚假和荒谬”，不应持有或辩护。
伽利略的天文观测
目前尚不确定是谁首先想到了将两块或更多块玻璃组合在一起来制造一种仪器的想法，该仪器可以放大远处物体的图像，使它们看起来更近。 荷兰眼镜制造商汉斯·利珀希（Hans Lippershey）（1570—1619）于1608年制造了第一款引起广泛关注的 “望远镜”（现在称为望远镜）。 伽利略听说了这一发现，在从未见过组装好的望远镜的情况下，他自己建造了一台三倍放大倍率（3倍）的望远镜，这使远处的物体看起来更近和更大三倍（图\(\PageIndex{5}\)）。
1609年8月25日，伽利略向威尼斯城邦的政府官员展示了一台放大倍率为9倍的望远镜。 放大倍率为9倍，我们的意思是所观察物体的线性尺寸看起来比实际尺寸大九倍，或者说，物体的外观距离比实际要近九倍。 观察远处物体的装置具有明显的军事优势。 由于他的发明，伽利略的薪水几乎翻了一番，他被授予终身教授任期。 （他的大学同事很愤怒，特别是因为这项发明甚至不是原创的。）
其他人曾在伽利略之前使用望远镜观测地球上的事物。 但是，在改变天文学历史的洞察力中，伽利略意识到他可以将望远镜的力量转向天堂。 在使用望远镜进行天文观测之前，伽利略必须设计一个稳定的支架并改进光学系统。 他将放大倍率提高到了 30 倍。 伽利略还需要获得对望远镜的信心。
当时，人眼被认为是大小、形状和颜色真相的最终仲裁者。 众所周知，镜头、反射镜和棱镜会通过放大、缩小或反转远处的图像或将光分散到光谱（彩虹色）中来扭曲远处的图像。 伽利略反复进行了实验，以说服自己通过望远镜看到的与他近距离看到的是一样的。 只有这样，他才能开始相信望远镜在天堂揭示的奇迹现象是真实的。
伽利略在1609年末开始了他的天文学工作，他发现许多太微弱而无法用肉眼看见的恒星用他的望远镜可以看见。 特别是，他发现一些模糊的模糊分解成了许多恒星，而银河系——穿过夜空的白条——也由许多单独的恒星组成。
伽利略在检查行星时发现有四颗卫星围绕木星旋转，时间从不到2天到大约17天不等。 这一发现特别重要，因为它表明并非所有事物都必须围绕地球旋转。 此外，它表明可能有运动中心本身在运动。 地心观点的捍卫者认为，如果地球在运动，那么月球就会被抛在后面，因为它几乎无法跟上快速移动的行星的步伐。 然而，木星的卫星正是这样做的。 （为了表彰这一发现并纪念他的工作，美国宇航局命名了一艘探索木星系统伽利略的航天器。）
伽利略凭借他的望远镜得以根据金星的相位对前面提到的哥白尼理论进行检验。 在短短几个月内，他发现金星经历了像月球一样的阶段，这表明它必须围绕太阳旋转，这样我们才能在不同的时间看到日光侧的不同部分（图\(\PageIndex{3}\)）。 这些观测结果与托勒密的模型不符，在该模型中，金星在地球上盘旋。 在托勒密的模型中，金星也可以显示相位，但它们是错误的相位，顺序与伽利略观察到的相位顺序不正确。
伽利略还观察了月球，看到了他认为可能是水的陨石坑、山脉、山谷和平坦的黑暗区域。 这些发现表明，月球可能与地球没有太大区别，这表明地球也可能属于天体领域。
有关伽利略生活和工作的更多信息，请参阅莱斯大学的伽利略项目。
伽利略的工作结束后，人们越来越难以否认哥白尼的观点，地球逐渐脱离了其在宇宙中的中心位置，并被赋予了其作为太阳行星之一的应有地位。 但是，伽利略最初遭到了很多反对。 仍在从新教改革中恢复过来的罗马天主教会正在寻求维护自己的权威，并选择以伽利略为榜样。 他不得不在宗教裁判所出庭回答关于他的工作是异端的指控，最终他被判软禁。 他的书在1836年之前一直被列入教会的禁书名单，尽管在罗马天主教会影响力较小的国家，这些书被广泛阅读和讨论。 直到1992年，天主教会才公开承认它在审查伽利略思想方面犯了错误。
哥白尼和伽利略的新思想开启了我们对宇宙观念的革命。 最终可以看出，宇宙是一个广阔的地方，地球在宇宙中的作用相对不重要。 认为地球像其他行星一样绕太阳运动的想法增加了它们本身可能是世界的可能性，甚至可能维持生命。 随着地球从其位于宇宙中心的位置降级，人类也是如此。 不管我们希望什么，宇宙都不会围绕我们旋转。
如今，我们大多数人都认为这些事情是理所当然的，但是四个世纪前，这样的概念对某些人来说是可怕和异端的，对另一些人来说却是极大的刺激。 文艺复兴时期的先驱们开启了欧洲世界，走上了我们今天仍在走的科学和技术之路。 对他们来说，自然是理性的，最终是可以知道的，而实验和观察提供了揭示其秘密的手段。
观测行星
最多在夜晚的任何时间，在任何季节，你都可以在天空中发现一颗或多颗明亮的行星。 古人已知的所有五颗行星——水星、金星、火星、木星和土星——比除最亮的恒星之外的任何一颗行星都更加突出，如果你知道何时何地观察，即使从城市地区也可以看到它们。 区分行星和明亮恒星的一种方法是行星的闪烁较少。
从我们的角度来看，金星离太阳很近，在日落之后要么在西方作为 “晚星” 出现，要么在日出之前在东方作为 “晨星” 出现。 它是继太阳和月亮之后天空中最亮的物体。 它远远超过任何真正的恒星，在最有利的情况下，它甚至可以投射出可见的阴影。 一些年轻的新兵试图将维纳斯当作即将来临的敌方飞船或不明飞行物击落。
火星具有独特的红色，在靠近地球时几乎可以像金星一样明亮，但通常它仍然不那么显眼。 木星通常是第二亮的行星，其亮度大致相当于最亮的恒星。 土星比较暗，亮度差异很大，这取决于它的大环是近乎边缘（微弱）还是更开放（明亮）。
水星很亮，但很少有人注意到它，因为它离太阳的距离永远不会太远（它在天空中的距离永远不会超过28°），而且总能在明亮的暮光天空中看见。
名副其实，行星在 “固定” 恒星的背景下 “徘徊”。 尽管它们的表观运动很复杂，但它们反映了本章所述的太阳系日心模型所依据的基本顺序。 行星的位置经常在报纸上列出（有时在天气页面上），每个月都可以在诸如《天空与望远镜》和《天文学》（大多数图书馆和在线图书馆有售）等杂志上找到清晰的地图和指南。 还有许多计算机程序以及手机和平板电脑应用程序允许你在任何夜晚显示行星的位置。
摘要
尼古拉斯·哥白尼在他的《革命》一书中向文艺复兴时期的欧洲介绍了日心宇宙学。 尽管哥白尼保留了亚里士多德关于均匀圆周运动的概念，但他认为地球是一颗行星，行星都围绕太阳旋转，使地球脱离了宇宙中心的位置。 伽利略是现代实验物理学和望远镜天文学之父。 他研究了移动物体的加速度，并于1610年开始望远镜观测，发现了银河系的本质、月球的大规模特征、金星的相位和木星的四颗卫星。 尽管伽利略因支持日心宇宙学而被指控为异端，但他的观察和精彩著作使他的大多数科学同时代人相信哥白尼理论的现实。
词汇表
- 加速
- 改变速度；加速、减速或改变方向。
- 日心的
- 以太阳为中心
- 美国国家航空航天局的 Hammer and