从地心说到万有引力，为探索天体运行的奥秘，为何用了一千五百年？

老虎小科学，2022年4月24日12:00

1957年，前苏联发射了人类历史上的第一颗人造地球卫星，开启了太空时代。无数航天器的发射都得到了成熟的科学体系的支持。但是，几千年来，当我们回首过去时，人类认为太阳绕着地球运行，地球是一切的中心。

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早期人类对宇宙的理解很简单，那就是用肉眼观察宇宙，在繁星密布的天空中发现宇宙的奥秘并不容易，因为肉眼可以看到60006000星星（几乎都是遥远的恒星）。

面对复杂的星群，世界不同地区的文明选择了一种按其图案加以区分的共同方法。

例如，如果一个区域内有一组星星，其中几颗很容易辨认（如亮度），我们将它们连接起来，得到带下划线的图案，然后根据图案的形状命名，这些图案可以来自动物、神话人物、日常物品等。

现在所知的88星座大部分是由传统的古希腊传统星座演变而来的，但有些星座是最近才被命名的，例如显微镜座是以物体命名的。 当然，我国古代也划分了天空中的星群，其中最核心的星座是“三垣二十八宿”。 不过，在这些星群中，除了最常见的太阳、北斗七星和大行星外，还有一些其他类型的天体，它们同样具有重要地位，甚至可以被称为世界四大奇观之一。 其他地区的文明也是如此划分的，这里就不多说了。

此外，在相当长的一段时间内，人们发现星座中的星星的相对位置几乎是恒定的，这意味着星座的格局随着时间的推移是稳定的。人们假设夜空中无数的星星被固定在一个称为天球的球体结构上，而我们的星球位于天球的中心，一直围绕着地球旋转。

我们的祖先实际上更感兴趣的是天空中移动“星星”"，而不是固定在天球上星座：水星、金星、火星、木星和土星五颗行星，以及天空中的太阳和月亮。

天空繁星点点，你为什么太阳太阳月亮月亮五大行星特别感兴趣呢？

首先，这些星球的一个共同点是在天空中移动得更明显

更不用说太阳和月亮了，其中的五个似乎是以某种随机的模式移动的。在很长一段时间里，人们发现它们在加速，减速，有时甚至是逆行，行星的亮度正在变化。

火星逆行

其次，它是关于太阳和月亮的，与五颗行星相比，它们在天空中有很大的视觉面积

虽然它们的移动比五大行星更有规律，但这是因为视觉面积的大小和所呈现的更多细节，比如太阳从东到西升降时的颜色变化，月亮的相位，月食和日食。

这就是为什么古人没有把行星、太阳、月亮和星星固定在天球上的原因，所以这些天体的运动和变化是古代天文研究的一个主要焦点。

地心学说发展

从上面提到的天球模型可以知道，最早的宇宙模型应该以地球为中心，结合当时的哲学观点，任何天体都必须绕地球一周并以均匀的速度运行。 后来由于对宇宙学的深入认识，人们又提出了各种不同的假说，如万有引力论、机械能守恒定律等。这些理论对于解释太阳系的起源以及银河系的结构起了一定作用。 然而，统一的匀速圆周运动只是希望，因为现实并非如此，长期的地面观察表明，行星的运动速度和亮度各不相同。

面对这种情况，首先想到的是修正模型，而不是从另一个角度来考虑它，但最终他们明白了将行星运动分为两个均匀的匀速圆周运动意味着什么。

换句话说，在原来的公转（这个环绕地球公转的轨道叫做均轮）的基础上，行星将根据中转轮上的一点以均匀均轮匀速圆周运动移动，即在大圆的一侧加上一个小圆，叫做本轮，如下图所示

根据修正后的模型，行星在轨道上同时围绕一个点运行（称为本轮），因此从地球的角度来看，行星的视觉速度不再是一致的。行星的周期性逆行可以用亮度的变化来解释，当行星靠近行星时，亮度会变亮，反之则变暗。

很高兴看到观测实际与理论预测一致，但随着观测次数的增加和时间的延长，观测结果中出现了一些不一致之处，因此对模型的修正工作时断时续。

最后，公元140年，希腊天文学家托勒密建立了一个复杂而精密的地心说模型。

这个模型以地球为中心，内外嵌套着80多个圆圈，因此许多圆圈服务于五颗行星，一颗太阳和一颗月亮，虽然看起来很复杂，但却完美地解释了当时观测现象的现象。

即便如此，80多个圆圈本身注定是一个极其复杂的系统，比后来日心说还要复杂。

地球作为中心，水星，太阳，火星

日心学说的发展

朋友们想知道，如果后来出现的日心说模型如此简单，为什么之前没有人想到这一点。

当然有这样的人。大约在托勒密模型出现一两个世纪后，希腊天文学家阿利斯塔拉斯提出了所有行星都围绕太阳转的想法。根据这个想法，许多天文观测现象可以很容易地解释，而不需要托勒密的地心模型。

但是结果是，尽管这种先进的思想早已被提出，托勒密的地心说模型在1400多年里一直主导着天文学的观点，直到16世纪哥白尼提出了日心说，但是为什么呢？

一些了解日心说的朋友可能知道，这里面有宗教的因素，但是也有一个事实，那就是捍卫地心说的团体提出了很多关于日心观点问题。

如果地球绕着太阳转，为什么我们连风都感觉不到呢？

【详细解答】短文第一段最后一句说，在爱因斯坦相对论之前，科学家们最近认为宇宙中充满了一种叫做以太以太的物质

因此，在一千多年前，无法令人信服地证明它是不正当的。

“如果地球绕着太阳公转，为什么恒星视差没有被观测到？

也许有朋友不是很清楚什么是恒星视差，换句话说，如果你认为地球在自转，那么在自转周期中，地球在太空中的位置是不固定的。例如，如果你在相隔6个月的两个位置观察同一个星座，为什么这个星座中的星星相对位置没有变化呢？

从不同的观察角度同样的事情，为什么它一点都没有改变呢？ 这是因为事物之间存在着本质的差别。这种区别在人们的思维中表现为：从局部到整体、从外至内、由表及里，从而形成了一种新的认识规律。 （我们有古诗叫“视嵴梁，远近高低不等”，这句话的意思。）

当时，人们无法回答这个问题。事实上，这个问题很难回答，虽然我们现在知道它背后的原因是星星离地球很远，即使是最近的恒星视差也只有0.77秒。用肉眼也不可能分辨出它们之间的区别。事实上，我们在19世纪只测量到几个比较接近的恒星视差

因此，阿利斯塔拉斯的以日心说为中心的思想由于宗教压制和思想本身的不完善而没有广泛传播，也就不足为奇了。

哥白尼的出现

这样，托勒密创立的地心说几乎完全流传了一千四百多年多年，直到16波兰传教士尼古拉·哥白尼出现。

经过长时间的研究，哥白尼提出了现在所知的日心说理论，这里有几点值得一提：

要清楚地表明地球并非宇宙的中心

行星绕太阳转，而月亮绕地球转

地球离星星比地球离太阳远，所以夜空中星座的移动完全是由于地球的自转

因为所有的行星，包括地球，都是围绕太阳旋转的，不同行星的公转速度和公转半径是不一样的，所以会出现视觉异常，比如逆行和亮度变化

尽管日心说用太阳取代了地球原来的位置，哥白尼并没有放弃圆轨道的想法，甚至保留了比托勒密的轨道小得多的目前的轨道概念（我们现在认为这是不可避免的，因为行星的真正轨道不是圆形）。

日心说与地心说

哥白尼把他的发现写进《天体运行论》一书中，但是由于当时的宗教环境，这本书的出版变得极为谨慎，直到哥白尼去世的前两天才得到出版的消息。

然而，这本书的出版并不意味着日心说得到了广泛的传播，事实上，这本书的影响是如此之小，以至于除了一些先进精神的科学家之外，其他的普通群众都不会关心它。

还有一点值得注意的是，哥白尼虽然提出了日心说，但没有解决前面提到的地球公转和恒星视差的两个问题，这表明日心说代替地心说是一个缓慢的过程，从16世纪发表到19世纪观察到恒星视差用了近300年的时间。

火星逆行的日心说解释

伽利略的观察证据

在三百年的发展历程中，以伽利略、开普勒、牛顿等为代表的重要贡献者的出现，为日心说日心说观测和理论本质层面上的发展提供了强大的动力。

让我们从伽利略开始，他是第一个用望远镜观测来支持和证明日心说的科学家。（值得注意的是，望远镜诞生于17世纪，这意味着在此之前天文学家基本上能够用肉眼观测。）

1610年伽利略用自制的望远镜观察木星，发现这颗木星有四个卫星，都围绕木星运行

很明显，这个结果和托勒密的地心模型有很大的不同，这些被认为是围绕地球运行的恒星，怎么可能是木星的卫星？

在望远镜下的金星也和月球一样，它有“云和圆的天空”，有满月和月亮残月等现象

让我们从地心模型开始，太阳、金星和地球的位置是相关的：地球在中心，金星的轨道在太阳轨道内

这意味着当金星向地球移动时，太阳光的光线会被挡住。由于金星除了公转外，还会沿着这个轮子移动，所以在运行轨道时，地球表面的一部分会被地球看到。不幸的是，无论金星如何转动，它永远也无法显示出一个完整的圆

但伽利略实际上是通过望远镜看到金星的满月的，这至少说明金星是围绕太阳运行的，这无疑是日心说的有力证据。

不幸的是，在这种宗教环境，伽利略的一系列言行最终导致教会憎恨他，并利用宗教法庭将他处死。

行星运行定律

值得庆幸的是，伽利略并不是当时唯一一个“战斗”的人，同时还有另外一个人，他也通过大量的观察来支持日心说：开普勒。

从1600年起，开普勒利用他的老师第谷积累的数十年精确的视觉观测资料，试图根据大型日心说，提出一套适用于所有行星的规则。

我们花了近20年的时间，终于提出了被开普勒三定律三的行星运动定律，其原理如下：

行星的轨道是椭圆的，太阳在椭圆的焦点上

太阳和任何行星之间的直线在相同的时间内扫过相同的区域

行星的轨道周期平方与轨道半长轴的立方体成正比

开普勒用这三个定律来说明行星绕太阳的轨道是椭圆而不是正圆，公转速度不匀速，周期和半长轴之间存在定量关系

在这一点上，我们可以说，托勒密的地心说在理论上已不再必要，因为不仅日心说比它简单，而且开普勒对它进行了细致的修改，使它以完美的形式出现在世界面前。

牛顿在苹果树下

然而，开普勒的工作并不是人类对行星运动研究的终结，开普勒去世12年后的1642年，一个名叫艾萨克·牛顿的婴儿在伽利略去世的那一年出生在英国林肯郡。

说起这个名字，想必所有的朋友都很熟悉，因为这个小婴儿将成为历史上最伟大的科学家之一，是的，是的，是的，不是的。

事实上，让我们回顾一下牛顿以前的科学史，无论是托勒密的地心说，哥白尼的日心说，还是后来伽利略、开普勒等人利用观察数据完善的日心说。

我们发现，在1500多年的科学探索过程中，没有人触及过行星运动背后的原理，为什么行星这种方式运动？

可以说，在牛顿时代，科学家们在寻找行星运动规律的过程中遇到了瓶颈，是艾萨克·牛顿迈出了最后一步。

在1665年， 牛顿出生在一个贫穷而又富有的家庭里。他的父亲是一个着名的物理学家，母亲是位优秀的女性，他们的生活条件很优越。但牛顿从小就有一种自卑感。 受黑死病影响， 牛顿从剑桥回国后，在国内的那两年里，他利用他的数学成就——流数术（后来被称为微积分）和力学发现，最后是科学家为他奠定的基础——提出了万有引力定律。

然而，谦虚的牛顿没有首先出版他的著作，而是将其隐藏了二十多年，最终在他的朋友埃德蒙·哈雷的支持下于1687年出版了他的科学杰作《自然哲学的数学原理》。

万有引力定律告诉我们，宇宙中所有的质量物体都互相吸引，吸引力的大小与质量成正比，与距离的平方反比。

牛顿终于发现了行星运行背后的原因，因此，无论是在实际观测还是理论解释中，人类最终都抓住了行星运行的奥秘。

从地球中心到太阳太阳从地球地球定律的正圆到椭圆轨道轨道，直到后来的收集者牛顿提出了万有引力定律来填补天体运行奥秘之谜，这一千五百多年来，这一千五百个春秋见证了人类为解释和预测天体运动所进行的斗争。