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第二季第6集：托勒密—地心说模型真的是愚昧吗？: xyshen1912 2018-7-14 07:52; 行星的运动、火星的逆行是怎样的？星座如何运动？黄道十二宫作用是什么？本轮和均论是什么？托勒密对哥白尼和开普勒有怎样的影响？现代科学的演化过程中，另外一部标志性著作《天文学大成》，它对科学演化过程产生怎样至关重要的影响？点击下面视频可观看详细介绍 https://www.bilibili.com/video/av22376346?from=searchseid=12463139390252199928; 个人分类: 现代宇宙学|3355 次阅读|0 个评论

从亚里士多德到开普勒--太阳系模型的演化过程: 热度 2 Lunalin 2018-4-22 15:07; 天文学是最古老的科学。古希腊，埃及，中国等几个文明社会都在不同时期观察到天上恒星，行星，太阳和月亮的有规律运行。从地球上通过肉眼，借助像圭表和日晷这样简单的工具，人们可以观察到： 1. 日夜交替，太阳每天东升西落，但太阳升起和降落的位置并不固定。春夏季太阳从东偏北升起，秋冬季太阳从东偏南升起。日夜长度也并不固定，夏天日长夜短，正午时太阳可以升的很高，而冬天日短夜长，正午时太阳升的很低。古巴比伦，希腊以及古代中国都曾用日晷，圭表来测量太阳的每日运行。日晷晷面平行于赤道面，晷针的上端正好指向北天极，影子每天同一时刻都指向同一方向，是很好的计时工具。圭表是直立于平地上测日影，圭表不但可以计时，也可以作为日历使用。 2. 夜间群星璀璨，整个星空像由一个巨大天球携带围绕北方一个固定点从东向西旋转，但除个别星星之外，星星间相对位置保持不变。于是人们可以把相邻行星用假想连线连接起来，构成一个一个星座，并用丰富的想象力将星座与神话故事联系起来。比如希腊神话中神后赫拉将卡里斯托变成大熊，后来宙斯把大熊提升到天界，即北天的大熊星座。中国古代也有七夕节牛郎织女的美好传说。托勒密在他的《天文学大成》中共列了 48 个星座。中国古代将星空划为三垣二十八宿，共 283 个星座，通称 283 宫。 3. 太阳除了每天东升西落，也在背景星星中自西向东沿黄道穿行。这样每天在夜空观察到的星星不同。有些星星只能在夏天观察到，而有些星星则只能在冬天观察到。黄道相对于天赤道倾斜 23 1 / 2 度。太阳环绕黄道一周需要约 365 天，依次穿过黄道十二宫的白羊座，金牛座，双子座，巨蟹座，狮子座，室女座，天秤座，天蝎座，人马座，摩羯座，水瓶座和双鱼座。人们用圭表记录太阳的运行，发现春夏秋冬四季时间长短不同，太阳在冬季运行稍快，夏季稍慢。 4. 月有阴晴圆缺，从新月到满月再到下一个新月需要约 29 天半。月亮像太阳一样除了每天环绕北天极由东向西运行以外，也自西向东在黄道附近穿行，但月亮运行路径白道与太阳运行路径黄道有 5 0 9 ’的夹角，而且黄道与白道的交点不固定。中国东汉时期伟大的文学家张衡已经知道“月光生于日之所照”。古希腊阿那克萨哥拉也断言：“太阳赋予月球光芒”。 5. 晚上观察到的星星彼此间相对位置保持不变，但肉眼很容易观察到有五个“星星” 例外，它们环绕黄道十二宫自西向东穿行，与太阳和月亮几乎在同样的轨道上。古希腊人称之为行星，中国古代天文学家把这五个“星星”与五行学说联系在一起，分别命名为金星，木星，水星，火星和土星。水星和金星环绕黄道十二宫一周大约用一年时间；火星环绕一周大约用一年 322 天；木星大约用 11 年 315 天，土星大约用 29 年 166 天。这些是行星平均运行时间，因为它们不是匀速运行，甚至有时会发生反向自东向西运行。古代中国把行星自西向东运行称为“顺行”，把自东向西运行称为“逆行”，把顺行和逆行的转折点称为“留”。比如火星平均每隔约 780 天会发生一次逆行，每次逆行约 72 天左右时间。古代几个文明社会都对天上太阳，月亮，行星和恒星进行过精确的观测，对它们的运行规律也都有基本掌握。但是把日月星辰的运行作为一个整体去认识，建立起数学模型用数学方面解释天体运行现象，预测天体运行位置则发生在古代希腊，由此导致了现代科学的诞生。把日月星辰的运行作为一个整体始于古希腊哲学家柏拉图，他认为所有天体都在围绕地球做匀速圆周运动 , 我们观察到的天体复杂运行只是一种表象，天体运行可以用匀速圆周运动的组合来解释。为此他给数学家和天文学家提出一个问题：如何组合太阳，月亮，行星和恒星的匀速同向圆周运动才可以得出与我们的实际观测一致的结果。数学家和天文学家经过二千多年的努力，先后建立了同心球模型，地心学说模型，哥白尼日心学说模型，半地心学说模型以及开普勒日心学说模型。同心球模型前面介绍过从地球上观测太阳存在两种运动方式，一种是每天的东升西落，另一种是每年沿黄道带由西向东运行一周。月亮也存在两种运动，一种与太阳一样，每天从东边升起，从西边落下，另一种是每月从西向东运行一周。恒星只有一种运动，即每天的东升西落。行星要复杂的多，不但有每天的东升西落，而且在背景恒星中有时顺行，有时逆行。古希腊最杰出的数学家，天文学家欧多克索斯 (Eudoxus of Cnidus) 最早对柏拉图 (Plato) 提出的问题进行了研究，他提出了第一个太阳系数学模型 -- 同心球模型。他的模型由 27 个透明天球组成：一个携带恒星的天球，该天球以地球为中心每天由东向西旋转一周。 2. 三个匀速圆周运动的太阳天球。外太阳天球运行轴和运行速度与恒星天球一致，每天环绕地球由东向西运行一周。太阳位于内太阳天球赤道，内太阳天球轴相对外太阳天球轴倾斜 23 1 / 2 度，内太阳天球就像连接在外天球一样与外太阳天球同步运行的同时每年也围绕自身的轴由西向东运行一周。这样即可以解释太阳每天的视运行，也可以解释太阳每年在黄道带的视运行。欧多克索斯给太阳加的第三个天球可能是因为欧多克索斯错误地认为太阳存在在黄道上的缓慢变化。 3. 三个匀速圆周运动的月亮天球。外月亮天球和内月亮天球与太阳天球类似，不同之处在于内月亮天球每月从西向东运行一周，而不像内太阳天球每年运行一周。欧多克索斯给月亮加的第三个天球可能用来解释月球白道与黄道交点在黄道上的缓慢运动。 4. 五颗行星（金星，木星，水星，火星和土星）每颗行星四个天球，一共二十个行星天球。每个行星天球最外一个天球围绕地球每日由东向西运行一周，其旋转轴与恒星天球，太阳和月亮天球的外天球旋转轴一致。第二个天球类似于太阳和月亮的内天球，它们以不同速度环绕相对外天球轴倾斜 23 1 / 2 度的轴由西向东运行。这样解释了行星日和年的视运行。行星的逆行由两个内天球的运行产生。两个内天球以同速反向围绕两个近平行轴旋转，行星链接在最内天球。两个内天球的轴如果完全平行，它们相向运行会使行星保持在同一位置，但是因为它们的轴不完全平行，行星会发生上下和左右摇摆，它们在黄道带内的运行就叠加出一个 ∞ 字形 , 这样可以解释行星的顺行和逆行。欧多克索斯的模型存在不少问题，比如不能解释季节长短和行星亮度的变化，他的模型是同心球 -- 球体都以地球为中心，太阳，月亮和行星与地球间的距离不变，这样不会有季节长短和行星的亮度的变化，而人们早已经观测到冬夏季长短不同，而且行星亮度变化很大，尤其在“留”时亮度最大。另外该模型虽然可以较理想地解释木星和土星的运行，但不能解释水星的运行，对金星和火星也不理想。亚里士多德 (Aristotle) 改进了欧多克索斯的模型，人们后来提到同心球模型更多的与亚里士多德联系起来。无论同心球模型存在多少不足，这是人类建立的第一个天体运行数学模型，对现代科学的兴起具有深远意义。有人把欧多克索斯称为古希腊时代的牛顿，他当之无愧。由于同心球模型的不足，该模型很快被另一个更好的模型取代 — 托勒密地心模型。地心模型托勒密 (Claudius Ptolemy) 在《天文学大成》中系统介绍了托勒密地心模型。他的模型地球静止于宇宙中心，既不自转，也不公转。最外层的透明恒星天球携带所有其他天球每天从东向西运行一周。为了更好地描述季节的长短，行星的逆行，行星亮度的变化并且仍然满足柏拉图提出的天体匀速圆周运动的要求，托勒密地心模型引入了几个数学概念：本轮，均轮，偏心圆，以及匀速点。 1. 本轮：本轮是均轮上的小圆。行星和月亮不是直接围绕地球做匀速圆周运行，而是在本轮上围绕本轮中心匀速圆周运转。 2. 均轮。均轮携带本轮围绕地球匀速圆周运转。本轮的中心在均轮上运转。 3. 偏心圆：地球不在均轮的中心，而是与均轮中心有一定距离。 4. 匀速点：与地球位于均轮中心两侧，距离均轮中心距离相等。行星本轮中心不是围绕地球做匀角速运行，而是围绕匀速点做匀角速运行。在托勒密地心模型中太阳天球最为简单，太阳只有一个均轮，没有本轮，太阳在均轮上沿黄道由西向东做匀速圆周运转。地球不在太阳均轮中心，而是偏离太阳均轮中心距离约为太阳均轮半径的百分之三。太阳围绕均轮中心匀速圆周运转，相对于地球而言太阳在近地点时运行速度加快，远地点时运行速度减慢。这样可以很好地描述季节长短的不同。托勒密月球天球包括一个本轮和一个均轮。均轮围绕地球由西向东做匀速圆周运转，而月球在本轮上围绕本轮中心做反向匀速圆周运转。后来托勒密为了解决月亮上下弦问题而又对月亮天球进行了复杂化处理，这样反而带来许多问题。托勒密模型预测月球在围绕地球运行过程中月亮与地球间的距离每月会发生很大变化，这意味着月亮视大小也应该有很大变化，这与观测不符。托勒密地心模型对内行星水星和金星与对外行星火星，木星和土星的处理方式不同。托勒密模型中内行星水星每 88 天在其本轮上运行一周，金星每 225 天在在其本轮上运行一周。水星和金星的本轮中心在各自均轮上围绕地球运行一周正好一年，而且该中心一直位于地球和太阳的连线上。外行星火星，木星和土星在各自本轮上每年运行一周，火星本轮中心用 1.88 年在均轮上运行一周，木星本轮中心用 11.9 年在均轮上运行一周，土星本轮中心用 29.5 年在均轮上运行一周。每个外行星本轮中心与行星连线一直保持与地球和太阳连线平行。行星的本轮和均轮沿同向运行。托勒密模型对行星逆行的解释比同心球模型要好理解的多。比如火星自身在其本轮上由西向东运转，本轮中心在均轮上由西向东运转，当火星在本轮上运行到最接近地球时它在本轮上的运行方向与本轮在均轮上的运行方向相反，看起来火星开始朝后运行。这时候火星离地球最近，所以也最亮，最红。托勒密意识到只用本轮和均轮模型计算结果与对行星运行的观测不符，他给行星的均轮引入了偏心圆和匀速点。地球不在均轮的中心，而是有一定偏离。地球偏离火星均轮中心距离为火星均轮半径的百分之十，偏离金星中心百分之二，偏离土星中心百分之六，偏离木星中心百分之五。偏心圆理论让行星本轮中心以匀速围绕行星均轮中心运行，而不是地球。加入偏心圆并没有完全解决理论模型与观测结果间的偏差，于是托勒密又为每个行星引入了匀速点。匀速点与地球位于均轮中心两侧，距离均轮中心距离相等，行星本轮中心以匀角速围绕匀速点运行，而不是地球和均轮中心。这样在托勒密模型中可调参数包括本轮和均轮半径，均轮中心与地球之间偏离距离，本轮中心在均轮上的运行周期，行星在本轮上的运行周期等参数。托勒密通过调整这些参数可以让他的模型接近观测结果。这已经是一种现代科学研究方法。但这种 “ 调参 ” 还是属于拼凑，托勒密时代人们还没有认识到行星的椭圆运行轨迹以及行星的非匀速运行，而且托勒密天文学的本轮，均轮，匀速点，偏心圆的设置过于繁杂，不利于实际应用。哥白尼日心模型大大简化了托勒密模型。哥白尼日心模型哥白尼 (Nicolaus Copernicus) 首先不喜欢托勒密模型中的匀速点设置，在他的《试论天体运行的假设》一文中他明确指出：“托勒密以及其他多数天文学家的行星理论虽然与观测数据相符，但也存在许多问题。这些理论需要引入匀速点，这样一来行星无论在自身均轮上还是相对本轮中心都不是匀速运行。” 哥白尼要建立一个满足于柏拉图匀速圆周运动要求的体系。在《试论天体运行的假设》中他接着说：“意识到这些缺陷，我常想能否找到一个更加合理的圆周运动设计，在该体系中天体都围绕各自中心呈匀速运动，正如绝对运动所要求的那样。” 哥白尼在《试论天体运行的假设》中提出了他的天体运行设想，但没有介绍技术细节，这些细节在哥白尼 1543 年出版的巨著《天体运行论》做了完整介绍。哥白尼的日心模型是这样的：地球每日携带地球上的所有物体（包括海水，空气等）围绕固定轴由西向东旋转一周。整个星空看起来像以巨大速度每日围绕地球运行，其实恒星天球没有运动，而是地球在自转。我们观测到的太阳年视运行不是由于太阳的运行，而是由于地球绕太阳公转，地球围绕太阳匀速运行。太阳不在地球运行轨道的中心，太阳中心与地球运行轨道中心的距离是轨道半径的 1/25 。地球轨道半径与地球恒星间的距离相比可以忽略不计，所以看起来就像地球位于宇宙中心，而太阳围绕地球运行。地球自转轴每年围绕垂直于地球公转轨道平面缓慢旋转一周。（这其实是哥白尼的误解）不存在天体运行轨道的共同中心。地球中心不是宇宙中心，只是地面物体受重力吸引朝向的中心以及月球天球中心。所有天球都围绕太阳运行，太阳就像处于所有天球的中心，因而宇宙中心靠近太阳。行星围绕太阳运行，土星 30 年完成一周运行，木星，火星，金星和水星分别用 12 年， 2 年 9 个月， 9 个月和 88 天完成一周运行。天球的次序为：最高的是静止的恒星天球，恒星天球包含其他所有天球，而且其他天球的运行位置的确定也都是相对于静止的恒星天球。恒星天球下面是土星天球，接下来是木星天球，火星天球，地球天球，金星天球，最后是水星天球。月球天球围绕地球中心运行，而且也随地球一起围绕太阳运行，就像一个本轮一样。离太阳越远，天球运行速度越慢。行星的视逆行和留不是它们自身的运动，而是由于地球的运行。地球的自转和公转可以足够用来解释天体的多种不规则视运行。比如当地球超越行星时，从地球上观测行星在背景恒星中会逆行，这时地球与行星距离最近。月球除了每年与地球一起围绕太阳运行一周，而且围绕地球每月运行一周。地球围绕太阳运行的轨道就是月球的均轮，月球在自身本轮上围绕地球运行。哥白尼给月球设了三个本轮。哥白尼不喜欢托勒密的匀速点方法。为此他为行星引入了更多本轮：给水星引入六个，金星，火星，木星和土星各四个。这样加上每颗行星的均轮，哥白尼日心模型中共有 34 个正圆，包括水星的七个，金星的五个，地球的三个，月球的四个，以及火星，木星和土星各五个。哥白尼模型将太阳放在中心，恒星不动，行星围绕太阳运行，地球也是一个行星，在围绕太阳运行的同时也在自转，这让解释所有天体的视运行变的非常简单，完全不再需要托勒密模型中设置的硬性条件。比如托勒密模型要求内行星水星和金星本轮中心一直位于地球和太阳的连线之上，外行星火星，木星和土星与它们各自本轮中心的连线一直平行于地球和太阳连线。哥白尼模型解释逆行也更加简单，逆行不过是地球和行星相对运行的结果，不是行星自身的运动。这样也不再需要托勒密模型中的大本轮（哥白尼模型中的本轮要小的多）。哥白尼模型中恒星天球也不再高速运转，正如哥白尼在《天体运行论》所述： “ 物体位置的改变可能是由于物体的运动或观测者的运动，或两者的运动不同（因为如果两者平行同速运行的话就看不到运动）。从地球上看天空像在转动，如果地球在转，那其他天体看起来就像在反向运行 …… 地球与整个天空相比只不过是一个小点，就像有限与无限相比 …… 难道我们不会奇怪如此浩瀚的宇宙 24 小时旋转一周，而不是小小的地球？ ” 哥白尼模型中所有天体一起构成完整的整体，正如哥白尼在《天体运行论》所描述： ” 如果把其他行星的运动与地球的轨道运行联系在一起，并按每颗行星的运转来计算，那么不仅可以对所有的行星和球体得出它们的观测现象，还可以使它们的顺序和大小以及苍穹本身全都联系在一起了，以至不能移动某一部分的任何东西而不在其他部分和整个宇宙中引起混乱。 ” 而托勒密模型每颗行星的视运行都取决与本轮与均轮的半径之比，本轮与均轮的大小无法确定。比如可以将水星的均轮定为比土星均轮大，只要相应调整水星本轮大小就可以。这样托勒密模型显然不是一个完整整体。半地心模型第谷 (Tycho Brahe) 是一位伟大的天文观测者，在天文望远镜发明之前他的观测精度无与伦比。第谷对恒星做了长期精心观测，他没有观测到恒星的周年视差。按照哥白尼理论，如果地球围绕太阳运行，就应该存在恒星的周年视差。于是第谷没有接受哥白尼的日心模型，而是建立了自己的半地心模型。第谷体系是这样的： 1. 地球静止于宇宙中心，既不自转，也不公转。 2. 天球，太阳，月亮和行星围绕地球每日从东到西运行一周 3. 月球和太阳围绕地球运行 4. 其他行星都围绕太阳运行开普勒太阳系模型托勒密和哥白尼面临的共同难题是行星的非规则运行。托勒密引入了偏心圆和匀速点来描述这种非规则运行，而哥白尼则采用了引入更多本轮的方法。开普勒（ Johannes Kepler ）是第一位大胆摒弃柏拉图提出的匀速圆周运动要求的天文学家。依助于第谷无与伦比的观测精度（第谷观测天体位置的精度误差只有 1/15 o ），开普勒断定行星运行轨道不是正圆，而是椭圆；行星在椭圆轨道上不是匀速运行；行星运行速度与其与太阳距离有关。后来人们将之总结为开普勒三大定律：开普勒第一定律：行星运行轨道为椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。开普勒第二定律：行星与太阳的连线在相同时段扫过的面积相同。开普勒第三定律：行星绕太阳公转周期的平方和它们的椭圆轨道的半长轴的立方成正比。开普勒第一定律表明行星运行轨道具有两个特性，一是偏心，即太阳不在轨道中心，二是椭圆，即轨道不是正圆。这里真正关键之处在于太阳不在轨道中心，而不是轨道的椭圆特性。因为焦点与椭圆中心间的距离正比于偏心率 e ，而椭圆短轴与长轴的比值与偏心率的平方有关。因为行星的偏心率 e 较小，偏心率 e 的平方可以忽略。以火星为例，火星偏心率 e 为 0.0934 ，太阳作为火星椭圆轨道的一个焦点到火星椭圆中心的距离是火星椭圆轨道平均距离的百分之 9.34 ，而火星椭圆轨道的短轴与长轴之间只有约百分之 0.5 的差别，这样完全可以用偏心圆替代椭圆。这就是为什么虽然哥白尼和托勒密都用了偏心圆，而没有采用椭圆，他们模型预测结果仍然可以与实际观测结果非常吻合的原因。哥白尼把太阳放在偏离偏心圆圆心的（ 3/2 ） e 处，而托勒密的太阳均轮把地球放到偏离均轮中心的 2e 之处。开普勒第二定律表明行星围绕太阳做非均速运行，距离太阳近时运行较快，距离太阳远时运行较慢，在相同时间间隔内行星与太阳连线扫过的面积相同。托勒密引入的匀速点与开普勒第二定律有关。如果不考虑太阳与行星的连线，而是考虑行星椭圆轨道另一个空焦点与行星的连线，忽略椭圆偏心率的平方和高次方（行星的偏心率都很小，偏心率的平方和高次方可以忽略不计），开普勒第二定律也可以表述为行星围绕该空焦点做匀速运行。托勒密引入的匀速点实质上就是这个空焦点，这可以说是托勒密的最大贡献。托勒密能从对大量观测数据的处理中找到这个空焦点来满足行星匀速运行的要求，这相当了不起。而哥白尼完全否定托勒密的匀速点设置，哥白尼采用的是加小本轮的办法，他的预测结果并没有比托勒密模型更加精确，在此点上托勒密更加高明。其实托勒密的模型可以做的更好，如果他在他的太阳均轮中把地球偏离太阳均轮中心均轮半径的 0.0167 ，在太阳均轮中心相反方向设置与地球到均轮中心距离一致的匀速点，让太阳围绕匀速点做匀角速运行，那托勒密模型的预测误差将极小，在那时肉眼观测条件下几乎观测不到误差。托勒密没有这样做，他把地球放在太阳均轮半径的 0.0334 位置处，让太阳围绕均轮中心匀速运行。因为在托勒密模型中所有其他行星的运行都与太阳运行有关，比如内行星本轮中心一直位于太阳和地球的连线上，外行星本轮中心与行星连线一直保持与地球和太阳连线平行，这样造成了托勒密模型对所有行星运行预测的误差。开普勒第三定律表明行星距离太阳越远其运行速度越慢，行星绕太阳公转周期的平方和它们的椭圆轨道的半长轴的立方的比值为一常数。比如地球的公转周期为一年，与太阳之间的距离为 1 个天文单位，地球公转周期的平方除以地日距离的立方为 1 。以天文单位为行星到太阳间距离的单位，其他行星的公转周期的平方除以距离的立方也非常接近 1 。哥白尼本来可以自己发现开普勒第三定律。他利用观测行星的距角来确定行星距离太阳的远近，他采用直角三角形方法计算了行星的轨道半径，其误差只有 1% （土星除外）。哥白尼正确确定了行星距离太阳的远近，最远为土星天球，接下来是木星天球，火星天球，地球天球，金星天球，最后是水星天球。哥白尼也从行星的会合周期（从地球上观察行星重新回到与太阳冲或合的位置所需要时间，受地球公转影响）正确计算了行星的恒星周期。（行星重新回到背景恒星的同一位置需要的时间）。托勒密模型无法确定行星与地球间的距离，该模型只受本轮和均轮半径比值影响。本轮和均轮都可以自由变化，只要保持本轮和均轮半径比值不变，计算结果是一样的。不过后来托勒密在《行星假说》一书中判断星体与地球的远近关系从近到远为月亮，水星，金星，太阳，火星，木星和土星。伽利略 (Galileo Galilei) 利用自己制作的天文望远镜对金星和木星进行了详细观察，他的观察结果第一次向人们直接证实日心理论的正确性。伽利略观察到金星也有与月亮一样的相。虽然托勒密与哥白尼模型都容许金星相的存在，但两种理论的相不同。托勒密理论中金星一直位于太阳和地球之间，这样金星的相不会超过半圆。然而按照哥白尼理论，当金星位于远离地球的轨道另一边时会被完全照亮。另外伽利略用天文望远镜观察发现有四颗“小星星”沿黄道排列围绕木星运转，他断定木星轨道有四个卫星围绕木星运转，这证明地球并不是所有天体运行的中心。 1684 年 8 月，著名天文学家哈雷 (Edmond Halley) （哈雷彗星以他命名）问牛顿，如果太阳对行星的引力与行星和太阳间的距离平方成反比，那行星运行轨迹应该是什么形状？牛顿回答说是椭圆形。牛顿告诉他自己早就计算过，但现在不能给他自己的证明。几个月后，牛顿发给哈雷一篇九页纸的论文 -- “关于物体轨道运行” — 不但证明了行星的椭圆运行，而且一举证明了开普勒三大定律。 1687 年 7 月哈雷资助牛顿出版了划时代巨著《自然哲学的数学原理》。哈雷告诉英国皇家学会：“（这部专著）用数学方法证明了哥白尼模型。。。。只用朝向太阳中心的重力与距离平方成反比这一假设完全证明了天体运行的所有现象。” 《自然哲学的数学原理》提出的万有引力定律揭示了天体运行的本质，让人们对哥白尼模型和开普勒三大定律有了深层次认识，也终结了地心说和日心说之争。参考文献： 1. Steven Weinberg: To Explain the World—The Discover of Modern Science 2. 陈方正：继承与叛逆 — 现代科学为何出现于西方 3. James Cleick: Issac Newton 4. James A.Connor: Kepler’s Witch 5. Nicolaus Copernicus: On the Revolutions of the Heavenly Spheres 6. Nicolaus Copernicus: A Commentary on the Hypothesis Concerning Celestial Motion 7. Max Planck: Copernicus Discovered Nothing 8. http://www.lcse.umn.edu/astronomy1001/spring-2010/Lect04-2-1-10-chapter-23-2pp.pdf 9. http://farside.ph.utexas.edu/Books/Syntaxis/Almagest/node3.html 10. http://astro.unl.edu/naap/ssm/animations/ptolemaic.swf; 个人分类: 科普|15772 次阅读|2 个评论

托勒密地心说模型是不是科学？ -- 与方舟子先生商榷: 热度 4 Lunalin 2018-3-4 14:03; 方舟子先生在 2018 年 1 月 11 日微博中发表了自己于 2009 年写作的文章《科学大争论——地球是不是宇宙的中心？》，在文章的末尾，方舟子先生指出：“托勒密模型虽然也能够比较精确地预测行星的位置，但是进一步的观察已证明托勒密模型最多只是一个数学模型，不能反应行星运动的实际状况，已被更仔细的观察所否定，成了错误的理论，当然不成 ( 注：可能作者笔误，应为称 ) 其为科学。”对方舟子先生的观点我有不同看法，我认为托勒密地心说模型代表了现代科学出现之前希腊科学的最高水准，托勒密是一位伟大的天文学家和数学家，他对人类科学发展所做出的贡献被大大低估。什么是科学？剑桥英文词典对科学一词的定义是 “ 通过对客观世界的结构和运动规律进行仔细研究，特别是通过观察，测量，和实验（所获得的知识），以及研发理论来描述这些行为所获得的结果。 ” 托勒密地心说理论完全符合科学的定义。托勒密全名克罗狄斯·托勒密（ Claudius Ptolemy ），现今对其生平知之甚少，可以确定的是他在公元 127 年到公元 141 年之间在埃及亚历山大进行天文观测。托勒密的科学研究涉猎甚广，在光学方面他研究了光的折射，反射，大气折射效应，以及光的颜色等。在地理方面他采用经度和纬度绘制了世界地图。托勒密也是一位伟大的数学家，其数学能力可与阿基米德或开普勒媲美，远在哥白尼和伽利略之上。他在天体运行模型中进行的匀速点设置充分体现了他的数学应用能力。在纯数学方面他提出了著名的托勒密定理，即圆的内接四边形两对对边乘积之和等于两条对角线的乘积。托勒密应用该定律来生成他进行三角函数计算所需要的弦表。托勒密最杰出的当然是他在天文学方面的成就。托勒密所著《天文学大成》代表了现代科学诞生之前天文观测和天文理论的巅峰。《天文学大成》一共十三卷，系统介绍了早期天文学家以及托勒密自己对恒星，行星，太阳和月亮的观测成就，介绍和解释了日月食成因，提供了 1022 颗恒星的位置和亮度星表，解释了计算天体运行所需要的数学工具，比如弦表和球面三角函数，介绍了计算和预测天体运行的本轮和均轮模型。《天文学大成》有不同版本， 1515 年出版的拉丁文版本内容如下：第一卷介绍了亚里士多德的天体运行同心球理论，解释了弦表，球面三角函数，以及对黄道和赤道交角的观测。第二卷介绍天体的日运行，包括天体每日的升落，日长，正午点，二分点和二至点圭表阴影位置。第三卷介绍年长，太阳的视运行。托勒密介绍了喜帕恰斯发现的二分点进动。在该卷托勒密开始解释本轮理论。第四卷和第五卷讨论月球的运行，月球的近地点和远地点，日月相对地球的大小和远近距离。第六卷介绍日食和月食。第七卷和第八卷介绍恒星的运行，包括二分点进动。托勒密给出了 48 个星座， 1022 颗恒星星表，描述了恒星在星座中的位置以及恒星经纬度和亮度。第九卷托勒密介绍了建立行星模型面临的问题以及水星的运行和数学模型。第十卷计算金星和火星的运行以及数学模型第十一卷介绍土星和木星的运行以及数学模型第十二卷介绍行星的逆行。第十三卷行星纬度变化。在托勒密的天体运行模型中，地球处于静止状态，按现代科学术语来说就是以地球为静止参考系，透明恒星天球携带太阳，月亮和行星天球每天从东向西运行一周，太阳，月亮和行星天球除每日的从东向西运行以外，也在黄道附近由西向东运转。太阳，月亮和行星在各自本轮上运转，而本轮中心则围绕地球运转。太阳的本轮半径为 0 ，每年围绕地球在太阳均轮上运行一周。地球不在太阳均轮中心，而是偏离太阳均轮中心距离约为太阳均轮半径的百分之三。托勒密模型中内行星水星每 88 天在其本轮上运行一周，金星每 225 天在在其本轮上运行一周。水星和金星的本轮中心在各自均轮上围绕地球运行一周正好一年，而且该中心一直位于地球和太阳的连线上。外行星火星，木星和土星在各自本轮上每年运行一周，火星本轮中心用 1.88 年在均轮上运行一周，木星本轮中心用 11.9 年在均轮上运行一周，土星本轮中心用 29.5 年在均轮上运行一周。每个外行星本轮中心与行星连线一直保持与地球和太阳连线平行。行星的本轮和均轮沿同向运行。如果所有天体的运行都是完美的匀速圆周运动，那托勒密的地心模型与哥白尼日心模型完全等价，只是参照系不同。日心模型以太阳为静止参考系，所有行星围绕太阳匀角速运行。将参考系转换为以地球为静止参考系，只需要从每个行星的运行中减去地球的运行，这样从地球上观测，每个行星的运行都是两个圆周运动的叠加。一个是行星的圆周运动，一个是圆周的中心以地球为中心的圆周运动，如下图所示。托勒密对太阳，月亮和行星的运行测量都相对于恒星，所以我们可以不用考虑地球自转的影响。但开普勒定律告诉我们行星运行轨道是椭圆，太阳不在中心，而在椭圆的一个焦点，行星运行速度不是均速。托勒密的解决办法是给行星的均轮引入了偏心圆和匀速点。地球不在均轮的中心，而是有一定偏离。地球偏离火星均轮中心距离为火星均轮半径的百分之十，偏离金星中心百分之二，偏离土星中心百分之六，偏离木星中心百分之五。偏心圆理论让行星本轮中心以匀速围绕行星均轮中心运行，而不是地球。加入偏心圆并没有完全解决理论模型与观测结果间的偏差，于是托勒密又为每个行星引入了匀速点。匀速点与地球位于均轮中心两侧，距离均轮中心距离相等，行星本轮中心以匀角速围绕匀速点运行，而不是地球和均轮中心。与下图所示：偏心和匀速点的设置充分体现了托勒密的胆识以及智慧。他大胆放弃了包括柏拉图，亚里士多德在内古希腊圣贤一直信奉的地球中心说，而是坚持理论要符合观测数据。匀速点的设置是托勒密对古代天文学的一个重要贡献，体现出托勒密高超的数学能力和技巧。匀速点的设置符合开普勒第二定律，我们可以证明开普勒第二定律描述的相同时间间隔内行星与太阳连线扫过的面积相同完全可以表述为行星围绕匀速点（即行星运行椭圆轨迹太阳焦点外的另一个焦点）做匀角速运行。卡尔·萨根在《魔鬼出没的世界》一书中记载当他在芝加哥大学物理系学到托勒密的地心说模型时，许多学生都印象深刻，有些学生甚至要重新审视他们坚信的哥白尼模型。托勒密的模型只做到了以地球为静止参考系的一级近似，其实他的模型可以做的更好，可以做到二级近似甚至更高级近似。如果他在太阳均轮中把地球偏离太阳均轮中心均轮半径的 0.0167 ，在太阳均轮中心相反方向设置与地球到均轮中心距离一致的匀速点，让太阳围绕匀速点做匀角速运行，那托勒密模型的预测误差将极小，在那时肉眼观测条件下几乎观测不到误差。如果在本轮中也设置与均轮一样的偏心和匀速点，那托勒密的模型将非常精确。回到托勒密地心说模型与哥白尼日心说模型哪个科学的问题。爱因斯坦在《相对论》一书中描述了一列匀速行驰的火车，乘客从车窗口丢下一块石头，乘客看到石块直线下落，可是路基上的人看到石块沿抛物线下落。爱因斯坦问石块所经过的各个位置是在直线上还是在抛物线上？爱因斯坦说两者都对，只是参照系不同，没有独立存在的运动轨迹，而只有相对于特定参考物体的轨迹。用运动的相对性并不是要“把水搅浑”，运动是相对的，地球不是中心，太阳也不是中心，地球不是静止不动的，太阳也不是静止不动的。地心说和日心说是可以进行坐标转换的。所以严格来说托勒密地心说模型与哥白尼日心说模型不是哪个科学的问题，而是哪个更好的问题。显然日心说模型更简单，直观，有效。日心说能够很快被天文学家接受其中开普勒和伽利略起了决定性作用。哥白尼本人提出的模型不比托勒密的模型简单和精确，哥白尼放弃了托勒密的匀速点设置，而是为行星引入了更多本轮：给水星引入六个，金星，火星，木星和土星各四个。这样加上每颗行星的均轮，哥白尼日心模型中共有 34 个正圆，包括水星的七个，金星的五个，地球的三个，月球的四个，以及火星，木星和土星各五个。关于托勒密模型需要用到 80 个左右的本轮和均轮的说法并没有历史依据。开普勒依据第谷无与伦比的精确观测数据对哥白尼模型进行了优化。开普勒是十分出色的数学家，其数学应用能力显然在同代人伽利略之上。他经过多年艰辛努力，历经无数次的失败，尝试采用多种不同的天体运行轨道和速度来拟合第谷的观测结果，终于得出正确的天体运行理论，其核心即行星运行三大定律：行星围绕太阳运行轨道不是正圆，而是椭圆，太阳在椭圆的一个焦点上；行星在椭圆轨道上不是匀速运行，行星与太阳的连线在相同时段扫过的面积相同；行星绕太阳公转周期的平方和它们的椭圆轨道的半长轴的立方成正比。开普勒去掉了哥白尼为行星设置的本轮，大大简化并完善了哥白尼模型。伽利略为日心说的传播起了巨大推动作用。理查德·道金斯在《盲眼钟表匠》一书中指出虽然在达尔文之前一个人可以成为一名无神论者，但“达尔文使人们成为充满理性的无神论者。”在伽利略之前人们无法科学解释地动学说带来的问题，伽利略提供了完美的解释。托勒密不是基于宗教信仰或哲学原因而坚持地球静止，而是基于理性观察。在《天文学大成》第一卷托勒密指出如果地球每日由西向东自转，那地面物体和天上白云都应该会朝相反方向运动，但这种运动并没有能够观测到。伽利略在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》提出无论一条平静河流里的一艘封闭船只处于静止状态还是在匀速运行，在船舱内进行的所有活动都是一致的。人们无论在船舱内行走，上抛物体，或观察苍蝇飞来飞去，都无法区分船只是处于静止状态还是在匀速运行。伽利略用自己制作的天文望远镜对木星卫星以及金星相的观测让许多人直接见识到地球不是所有天体运行的中心。如果说“托勒密模型最多只是一个数学模型”，那哥白尼的日心模型以及经开普勒完善的日心模型也都是一样的数学模型，都是为了用几何和数学方法描述天体的视运行规律并做出精确的预测。这三种模型都没有试图解释天体为什么像他们描述的那样运行，这问题需要等到牛顿的万有引力定律发现以后才得以解决。尼尔斯·玻尔（ Niels Bohr ） 1913 年提出波尔原子模型，电子类似行星围绕太阳一样围绕原子核在特定轨道做圆周运动。但该原子模型很快被薛定谔和海森堡提出的电子云模型所取代，电子并没有确定的轨道。牛顿万有引力定律不能成功描述水星的运行，对大质量物体使光线发生弯曲的计算结果也是错误的，爱因斯坦广义相对论正确计算了水星的运行以及太阳导致的星光弯曲角度。但我们显然不能说波尔原子模型和牛顿万有引力不是科学。一个理论被另一个更基本理论取代是科学发展规律。另外像李约瑟那样把托勒密的地心说模型与宗教迫害联系起来，认为托勒密地心说模型在西方盛行千年，从而阻碍了现代科学发展的观点更是对托勒密模型的偏见。托勒密是古希腊伟大的数学家和天文学家，人们应该重新认识托勒密以及托勒密地心说模型对科学发展所做出的卓越贡献，正如卡尔·萨根的许多大学同学那样。参考文献： http://www2.stetson.edu/~efriedma/periodictable/html/Pm.html https://en.wikipedia.org/wiki/Almagest The Demon-haunted world, Science as a candle in the dark --- Carl Sagan A modern Almagest – An updated version of Ptolemy’s model of the solar system. Richard Fitzpatrick Professor of physics, the University of Texas at Austin 科学大争论——地球是不是宇宙的中心？ http://mp.weixin.qq.com/s/GUe3092qOSlzWhebw8Huww Original 2018-01-12 方舟子; 个人分类: 科普|9107 次阅读|7 个评论

人类的攀升：日心说的凯旋: 热度 10 Einstein 2018-1-2 09:28; 按：今日中科院“科学大院”公众号同步发送，感谢Xiangrong编辑的厚爱及其团队的整理！上课的铃声响起，安静了！安静了！这似乎是久远的回忆了，好像当年老师在上课前，面对喧嚣的课堂喊话。授课的模式无非三板斧，先是温故、然后知新、最后总结。今天的精彩故事就按这三板斧展开。温故篇 2017 年8月23日，“科学大院”推送过拙文《1609年，一个新世界》。重点讲述了近400年前，伽利略利用自制的望远镜为新生不久的“日心说”杀出了一条血路，在地心说的棺材板上狠狠钉上一颗大销钉（当然，稍早的第谷先钉了颗小的），特别是金星相位的观测，大长“日心说”的斗志，一时风头无两。有些读者可能一头雾水，伽氏何方神圣？望远镜又如何大显神威？欲知这些，请查看旧文，恕此处不赘。知新篇射人先射马，擒贼先擒王。这一系列故事有些错综纷杂，不过有一条主线应当牢记心中，它是“日心说”和“地心说”殊死搏斗的核心——恒星视差。图1 恒星视差（图片来自维基百科）什么是恒星视差，旧文也交代清楚了，这里不再啰嗦。金星相位被观测到了，这是地心说无论如何解释不了的。但是！地心说腐而不朽，朽而不死，棺材缝里时不时地传出一个声音：恒星视差在哪里？这时候，每一位拥护日心说的天文学家都冒一身冷汗，默默道：这厮死不瞑目，我等心有余悸；此事不决，誓不罢休。就这样，探求恒星视差的征程开始了。一位伟人曾经说过，在科学上没有平坦的大道，只有不畏艰险沿着陡峭山路攀登的人，才有希望达到光辉的顶点。我把这句话献给主要生活在18世纪的英国天文学家布拉德雷（James Bradley，1693-1762），他在人类观测恒星视差史上留下了赫赫英名，为日心说的完胜建立了不朽功勋。图2 布拉德雷（版画，图片来自网络）（一）泛舟泰晤士河的惊天收获那是1727年的一天，和风煦日，布拉德雷和朋友乘船在泰晤士河上聚会。他无意间发现，每当船只改变航向时，桅杆上的风向标总会轻微转动。他认真观察了三四次，均是如此，于是他不解地问船员。船员凭着经验告诉他，船只改变航向时，风向并没有改变，造成风向标转动的原因只是船只在转动。说者无意，听者有心。布拉德雷从船员的这番话，一下子想到自己正在进行的天文观测，心头豁然开朗。这又是怎么回事呢？当时布拉德雷和英国一位大他4岁的天文发烧友莫利纽克斯（Samuel Molyneux，1689-1728）正一起用望远镜寻找恒星视差，但是观测过程中遇到了百思不得其解的困惑。这里需要对布拉德雷补充交代几句，早年布拉德雷受叔叔的影响喜欢上了天文，并结识了当时的天文大咖——哈雷（Edmond Halley，1656-1742）。图3 天文学家哈雷（图片来源于网络）此哈雷正是发现了哈雷彗星的那位。千里马常有，而伯乐不常有。1718年，哈雷推荐25岁的布拉德雷成为英国皇家学会的一员。布氏从此平步青云，1721年他被任命为牛津大学萨维尔天文学教授。萨维尔（Henry Savile，1549-1622）是英国一位数学家，牛津大学有以之命名的数学和天文学教授。在布拉德雷之前，著名天文学家、建筑师雷恩（Christopher Wren，1632-1723）也曾获此殊荣。到了牛津大学后，布拉德雷便把一生献给了天文学事业。从1725年开始，布拉德雷和莫利纽克斯在后者的家中用一架望远镜观测天龙座γ星（天棓四），期待通过长时间的观测发现恒星视差。这项工作不算他们的原创，因为英国物理学家胡克（Robert Hooke，1635-1703）在1669年就观测过此星一阵，可惜一无所获。这位胡克就是发现弹性定律那位，同时因一些优先权问题与牛顿争论而名扬四海。图4 胡克画像（图片来源于网络，左手所持为其研究的弹簧）那么，为什么布拉德雷要“步胡克后尘”，也把天棓四作为观测对象呢。道理很简单，对伦敦而言，此星是天顶星之一，就是说夜晚它会通过伦敦的正上空。这有什么好处呢，把望远镜镜筒垂直向上观测天棓四，星光垂直而下，会避免大气折射的干扰。这样，由于地球在公转，布拉德雷相信过一段时间就能发现恒星视差，也就是说该星在望远镜视场中的位置发生了变化。开始观测后不久，布拉德雷就发现天棓四在视场中发生了一点偏移。他心中既感到惊喜又有点忐忑。惊喜的是，观测到了期盼已久的“恒星视差”；忐忑的是，这可能只是望远镜产生的观测误差。为了保险起见，他们又进行了长达一年多的持续观测。与此同时，他们还对天顶附近的别的数颗恒星也进行了长时间观测，均发现了这些恒星的周期性偏移。但是这些结果，却让他们开始心生疑云。这又是何故？原来，观测结果显示了两个反常，表明这些恒星在视场中的偏移不可能是恒星视差。首先，观测结果显示这些恒星均有年周期为20＇＇（角秒）的微小位移。这很不可思议，因为恒星有近有远，近者视差会大，远者视差会小。怎么可能都一样呢！就好比，你绕着操场400米跑道跑步，以远处的天空为参照背景，跑半圈下来，近处房屋或树木在天空背景上改变的视位移肯定要大于远处山峰的相应视位移。其次，观测到的位移方向与恒星视差方向明显有异，作图5、图6说明之。图5 恒星（周年）视差示意图图6 光行差示意图（注：图5、图6据廖伟迅《光行差测定研究》附图重绘）恒星周年视差的位移FAFB与地球公转位移EAEB相平行，布拉德雷观测到的偏移（后被称为光行差）位移FAFB 与地球公转位移EAEB相垂直。从上面两个反常，已足以说明他们观测到的不是恒星视差。 “反常”出现了，很好！在科学哲学家库恩（Thomas Samuel Kuhn，1922-1996）眼中， “反常”往往是科学革命/突破的前夜。就在布拉德雷束手无策、仰天长叹之际，殊不知自己已经成了掀起革命狂澜的旗手。著名微生物学家巴斯德说得好：在观察的领域中，机遇只偏爱有准备的头脑（In the fieldof observation, chance favors the prepared mind）。这句话用在布拉德雷身上再贴切不过。泰晤士河上那次对风向标的观测以及船员的一番话，一下来打通了布拉德雷的“任督二脉”，正如船只改变航向时，风向标是船只和风向共同作用的结果一样，恒星固定的20角秒偏差不就是地球运动与星光运动合作用的结果嘛。想象一下雨天打伞时，在无风的情况下，如果你撑伞站在雨中，雨水是竖直从天而降的；如果你向前疾走，便需要将雨伞前倾一些，否则便会淋湿；如果你快步奔跑，自然需要把伞更倾斜一些。这些已经是生活常识了，类比下可以这么说：天顶的星光“倾泻”而下就像雨水，望远镜就像手中的雨伞，地球绕日公转就像疾走或奔跑。布拉德雷把这种因地球公转和光速运动造成的恒星位移称为“光行差” ，正是由于地球公转（V）和光速恒定（C），才造成了恒星固定的20角秒的偏差。这20角秒被布拉德雷称为“光行差常数”，正是图7中的θ角。图7 光行差常数英雄的史诗就是这样一波三折。布拉德雷本来探求的是恒星的周年视差，这是日心说的直接证据，没想到歪打正着遭遇了恒星的光行差；此事本来算是倒霉，没想到光行差正是地球公转的直接结果，事实上也证明了日心说。塞翁失马，焉知非福，信也！差点忘了布拉德雷的合作者莫利纽克斯，他还是没能熬到胜利的曙光。等布拉德雷把一切整理好并提交给皇家学会时，已是1729年了，莫氏已于前一年撒手人寰。这真是：出身未捷身先死，幸有革命继承人。光行差常数还有另一项重要运用，就是测定光速（据下公式），布拉德雷当时测定的结果是：304000±1500km/s，这比1676年丹麦天文学家罗默（Ole Rømer，1644-1710）测定的220000km/s精确很多（现代值为299792km/s）。 tan θ=V/C=C=V/tanθ （注意：这里做了很大程度的简化，因为在布拉德雷时代地球的公转速度V=2πr/T中日地距离r还未获得精确的数据，布拉德雷做了许多转换计算）（二）三人齐力定乾坤光行差的发现为日心说完胜地心说又增加了一个重重的砝码。但是，恒星视差为何迟迟观测不到？让地心说支持者彻底死心的杀手锏又在何方？这关键性的谜题还在等待揭晓它的人。一等，又是100多年。人间好事多磨难，历经沧桑成大功。随着天文仪器精度的不断改进，激动人心的发现终于到了。 1837-1839年连续三年，三位天文学家独立公布了天文学界朝思暮想的恒星视差，按时间顺序他们分别是俄国的斯特鲁维（Friedrich Georg Wilhelm von Struve，1793-1864）、德国的贝塞尔（Friedrich Wilhelm Bessel，1784-1846）和英国的亨德森（Thomas Henderson，1798-1844）。图8 斯特鲁维（图片来源于网络） 1835 年，斯特鲁维负责建造俄国的普尔科沃（Pulkovo）的天文台。从第二年起，他便在那里观测天琴座α星（织女星）的视差，因为织女星很亮，是全天第五亮星，他当初认为织女星较近，视差较明显会有利观测（事实并非如此，织女星距离地球达26光年）。虽然如此， 1837年斯特鲁维还是顺利公布了他观测到织女星的周年视差，是0.125角秒，这和现在测值已经很接近了。图9 贝塞尔（图片来源于网络） 1838 年，贝塞尔利用一架本来用于测定太阳直径的“量日仪”观测了天鹅座61，周年视差为0.314角秒（现在的测值为0.294角秒）。亨德森算是这三位中最亏的一个，起了个大早，赶了个晚集。 1831-1833年他利用在南非好望角担任皇家天文学家的机会观测了半人马座α星（南门二）的视差，但迟迟未做处理。等斯特鲁维和贝塞尔公布结果后，他才着手整理数据，并于1839年公布了结果，南门二周年视差为1.16角秒。这个数值的误差有点大，测值为0.76角秒。其实亨德森也算幸运了，因为南门二在南天星空，欧洲看不到，而且它是距离地球最近的恒星，只有4.2光年。图10 亨德森恒星视差终于成了铁的事实，这三位天文学家齐力为地心说的棺材板重重敲进了最后一颗销钉。日心说从此获得了绝对性的胜利。大幕缓缓落下，你一定仍有一丝挥之不去的疑虑，这么多的贤俊良才、聪慧头脑，为什么在这条路上跋涉得如此艰难？原因并不复杂，你只要想两个数据就够了：除了太阳，最近的恒星南门二距离我们4.2光年，就是每秒30万千米的光速整整跑4.2年的距离！而太阳光到达地球才需要8分钟多一点，发挥你的想象力可知，观测恒星视差谈何容易！李白有诗曰：小儿不识月，呼作白玉盘。小孩子不懂几何学，看着像白玉盘大的满月，其实视角只有0.5°或30＇（角分）。亨德森当年观测的南门二视差约为1角秒（三人中视差最大值），只是满月的1/（30×60）=1/1800!角度如此之小，非卓识无以认知、非良器无以度量。总结篇 1543 年哥白尼发表《天体运行论》，迎来了日心说的初啼，同时也敲响了地心说的丧钟。 1609-1610 年伽利略将望远镜投向天空，一系列的天象发现完美佐证了日心说——这是踏向胜利舞台的第一台阶。 1729 年，布拉德雷在寻找恒星视差的过程中意外发现了光行差，直接证明了地球在绕日公转，这通向胜利的又一坚实台阶。 1838 年前后，斯特鲁维、贝塞尔、亨德森独立发现了恒星的周年视差，彻底解决了日心-地心长久争论的核心问题，无可辩驳地证实了日心说，这是漫漫征程、艰辛跋涉后最令人欣慰的硕果。英国科学史家布洛诺夫斯基（Jacob Bronowski，1908-1974）写过《人类的攀升》，通俗地介绍了科学，同时揭示了科学的壮美。日心说确立的过程，揭示了科学的壮美，同时融合了人类的才智、命运、机遇和对科学的热忱，这是一条崎岖但壮美的“人类攀升”之路。文不尽言，歌以咏之：哥氏宏论展旌旗，伽兄单筒窥天机。小布运好似神助，从此公转不稀奇。三足鼎立平天下，有赖科海换新仪。渺渺河汉群英谱，谢君听我歌一曲。科学大院公众号：; 个人分类: 科普|10000 次阅读|20 个评论

相对论与黎曼几何-5-相对性原理: 热度 8 tianrong1945 2014-8-23 07:56; 5. 相对性原理牛顿和爱因斯坦，这是物理学史上的两个丰碑。物理学终究不同于数学，在数学中，欧几里德可以根据五条公理建立欧几里德几何。数学家们将其中的平行共设作些许改变，又建立了双曲几何或球面几何。物理理论的建立却需要以实验观察为基础。实验观察都是在一定的坐标系，或者说一定的“参考系”下面进行的。参考系变化时，观察到的物理规律会变化吗？哪些会变化？哪些不会变化？牛顿和爱因斯坦都是在这些问题上思考和做文章，才发展出来各种物理理论。回顾物理学史，科学家为了科学而战斗、甚至献身的例子有不少。哥白尼在垂危之际才敢于发表和承认他的日心说理论；伽利略晚年时也因为坚持科学而受到罗马天主教会的迫害，被教会关押过；最为令人惊心动魄的莫过于布鲁诺为了反对地心说而被教会活活烧死的事实。这几个物理学家所坚持和捍卫的是什么？从物理的角度看，实质上也都与物理观察所依赖的参考系有关。人类有了文化，会思考之后，便认定自己所在的世界 - 地球，应该是宇宙的中心。这似乎是顺理成章、理所当然的，这种以人为本的原始观念，也与当时初略的天文观测结果相符合。太阳、星星和月亮等，每天周而复始的东升西落，很容易使人得出“一切都围着地球这个宇宙中心而旋转”的结论。当然，人们对天象的这点直观认识还建立不了科学，地心说是在公元 2 世纪时被希腊著名天文学家托勒密（ ClaudiusPtolemacus ）根据观察资料而建立和完善的数学物理模型。换言之，从物理的角度看，地心说认为地球是一个坚实、稳定、绝对静止的参考系。中国古时候对宇宙也有类似的认知，以中国东汉天文学家张衡为代表的“浑天说”所描述的：“浑天如鸡子。天体圆如弹丸﹐地如鸡子中黄﹐孤居于天内”﹐便是一个地球居于世界中心的“鸡蛋宇宙”图景。追溯历史，几乎在每一项科学理论的发展过程中，中国人都能洋洋得意地找出古人的某种说法，这样说过或那样说过，清晰表达或是模模糊糊，总之，往往是在远远早于西方发现的历史时间，中国就有某某古人预测或发现了某个科学理论（之萌芽），正如有些人说的：易经中蕴含了二进制，乌龟背上驮着现代数学；更有甚者要将佛教与现代物理扯上关系，还有人断言：算命卜卦的法则里面，也包涵了很大的科学道理。笔者并不想与持这些观点的人辩论，但实在不希望看到“科学”这个名字被随意沾污。事实上，中国古代也的确有过几位杰出的科学家，但令人深思的是，西方古人的原始想法，往往能发展成某种学说，并由后人继续研究而终成正果，进而使科学成为了西方文化中的一部分，但科学却并不是中国文化的一部分，反之，中国的“博大精深”中充斥着大量不科学伪科学反科学的成分。这种风气延续至今，在“信仰自由”等等外衣的掩盖下，似乎还有过之而无不及。其实，与其对我们祖先的智慧津津乐道，不如致力于学习和宣传真正的科学，摒弃伪科学，让科学的思想、理念、和方法，真正融入到中国文化中。托勒密的地心说统治欧洲达 1000 多年之久，直到 16 世纪初波兰天文学家哥白尼（ NicolausCopernicus ）提出日心说为止。哥白尼将宇宙的中心从地球移到了太阳，并非他故意要与教廷的宗教思想作对，而是从物理学的角度出发得到的科学结论。因为地心说解释不了越来越精确的天文观测结果。举一个最简单的例子，比如说，最初的地心说认为所有的星球都以地球为中心、按照“正圆”转圈。那么，每颗行星在圆周运动的过程中，与地球的距离应该是一个常数，这样的话，从地球上看起来的每颗行星应该总保持相同的亮度。但这点显然不符合观测到的事实，大多数星星的亮度都是不断变化的。因此，托勒密地心说理论的主要架构是认为行星以偏心点为圆心绕本轮和均轮两个正圆转动。如图 2-5-1 所示，每个行星除了绕地球的“均轮”大圈之外，还有自己的“本轮”小圈。图 2-5-1 ：地心说的太阳系模型：均轮和本轮但随着天文观测资料越来越多，测量越来越精确，加在地心说模型上的本轮和均轮也越来越多，宇宙的托勒密图景变得非常复杂。再则，地心说也解释不了某些行星在运行中突然“倒行逆转”的现象。树欲静而风不止，哥白尼并非要反对宗教，但宗教却容不了他的科学。经过长期（近 40 年）的观测、研究、和计算，哥白尼发展了日心说，但迫于教会的压力，使他陷于犹豫和彷徨，直到在生命垂危之际，才终于发表了他的理论。对任何运动的描述，都是相对于某个参考系而言的。一个站在地上的人，和另一个坐在一辆向前行驶的火车上的人，如果进行测量的话，可能有些测量结果是不一样的，这是因为他们选择的参考系不同，一个是以地面为参考系，另一个以火车为参考系。科学家们认为，某些参考系优于另一些参考系，是指哪些方面更优越呢？比如说，在某些参考系中，时间均匀流逝，空间各向同性，描述运动的方程有着最简单的形式，这样的参考系被称为惯性参考系。从这个视角来看，托勒密的地心说是以地球作为惯性系，而哥白尼的日心说则认为，太阳是一个比地球更好的惯性参考系。然而，两者都仍然承认存在一个绝对的、静止的惯性参照系。布鲁诺在这方面则更进了一步，他不仅仅是宣传日心说，而且发展了哥白尼的宇宙学说，他以他天才的直觉，提出了宇宙无限的思想。布鲁诺认为地球和太阳都不是宇宙的中心，无限的宇宙根本没有中心。布鲁诺这种追求科学真理的精神和成果，永远为后人所景仰。 1609 年，一个荷兰眼镜工人发明了望远镜，意大利科学家伽利略（ Galileo Galilei ， 1564-1642 ）用望远镜巡视夜空，观察日月星辰，发现了许多新结果。这些新结果启发伽利略思考一些最基本的物理原理，著名的相对性原理便是他的成果之一。伽利略的相对性原理是说物理定律在互为匀速直线运动的参考系中应该具有相同的形式。伽利略在他 1632 年出版的 “ Dialogue Concerning the Two Chief World Systems ” 一书（简称“对话”）【 1 】中的一段话描述了这个原理，其中的大意是：把你关在一条大船舱里，其中有几支苍蝇、蝴蝶、小飞虫、金鱼等，再挂上一个水瓶，让水一滴一滴地滴下来。船停着不动时，你留神观察它们的运动：小虫自由飞行，鱼儿摆尾游动，水滴直线降落……，你还可以双脚齐跳，向哪个方向跳过的距离都几乎相等。然后，你再使船以任何速度前进，只要运动是均匀的，没有摆动，你仍然躲在船舱里，感觉不到船在行驶时，你将发现，所有上述现象都没有丝毫变化，小虫飞，鱼儿游，水滴直落……，你无法从任何一个现象来确定，船是在运动还是在停着不动。即使船运动得相当快也是如此。伽利略描述的这种现象，中国古书《尚书纬·考灵曜》上也有类似的记载：“地恒动而人不知，譬如闭舟而行不觉舟之运也。”。中国古籍上的这段文字可追溯到魏晋时代，即公元 220 年— 589 年，要早于伽利略一千多年。但中国人仅仅到此为止便没有了下文，伽利略却由此而广开思路，大胆提出相对性的假设：“物理定律在一切惯性参考系中具有相同的形式，任何力学实验都不能区分静止的和作匀速运动的惯性参考系”。这个假设继而发展成为经典力学的基本原理，称之为相对性原理。物理定律不应该以参考系而改变，基于这点的相对性原理听起来似乎不难理解。伽利略在《对话》一书中所描述的现象，也是我们每个人在坐火车或飞机旅行时，都曾经有过的经验。伽利略的相对性原理中，时间仍然被认为是绝对的，空间位置则根据所选取参考系的不同而不同。两个互相在 x 方向作匀速运动 u 的坐标参考系中，分别测量出来的时空坐标（ t 、 x 、 y 、 z ）和（ t’ 、 x’ 、 y’ 、 z’ ）将有不同的数值，这两套数值之间可以通过“伽利略变换”互相转换，见图 2-5-2 。从伽利略时代过了两百七十多年之后，爱因斯坦登上了历史舞台。他又重新思考这条“相对性原理”。当时，启发爱因斯坦思考的动力是来自于经典物理宏伟大厦明朗天空背景下的一片乌云。经典物理的宏伟大厦主要由经典力学和麦克斯韦电磁理论组成，两者各自都已经被大量实验事实所证实，正确性似乎毋庸置疑，但两者之间却有那么一点矛盾之处。如上所述，经典力学的规律满足伽利略的相对性原理，在伽利略变换下保持不变，但经典电磁理论的麦克斯韦方程在伽利略变换下却并不具有这种协变性。也就是说，对经典力学现象，所有相互作匀速直线运动的惯性参考系都是等价的，但对电磁现象而言，却不是这样，因为相对性原理不成立了。因而，对经典电磁理论来说，物理学家就只好假设存在一个特别的、绝对的惯性参考系，只有在这个特定的参考系中，麦克斯韦方程才能成立，这就是被称之为“以太”的参考系。图 2-5-2 ：伽利略变换和洛伦兹变换以太是被假设为“静止不动”的，因此，地球相对于这个不动的惯性参考系的运动应该被观测到，但物理学家们在这方面并未发现任何蛛丝马迹。……。之后，爱因斯坦将相对性原理从经典力学推广到经典电磁学，建立了狭义相对论。再后来，又把相对性原理从惯性参考系推广到非惯性参考系，从而建立了广义相对论。（下次继续）参考资料：【 1 】 MauriceA. Finocchiaro: Retrying Galileo, 1633-1992, University of California Press, 2007 上一篇：内蕴几何系列科普目录下一篇：爱因斯坦和相对论; 个人分类: 系列科普|14573 次阅读|7 个评论

[转载]他们为什么反对哥白尼？: 热度 2 pzh1945 2014-2-10 14:02; 他们为什么反对哥白尼？作者：丹尼尔森（Dennis Danielson）葛兰尼（C. M. Graney） 2014-02-06 09:43:59 来源：南方周末哥白尼（1473-1543）（南方周末资料图/图）哥白尼关于地球绕太阳旋转的革命性理论颠覆了一千多年来的科学与宗教智慧。在此后的数十年间，大多数科学家都拒绝接受这一理论，即使是在伽利略利用望远镜得到了那些划时代的观测结果之后，依然如此。他们的反驳不仅仅是出于神学观点。观测证据支持一种与之竞争的宇宙论，即第谷的“地缘日心说”。 2011年，日内瓦附近的欧洲核子研究中心（CERN）的一个研究小组，向730千米外的意大利格兰·萨索国家实验室（Gran Sasso National Laboratory）发射了一束中微子。研究人员在测定中微子飞行时间时发现，中微子的速度不知为何似乎超过了真空中的光速。科学界对这一惊人结果有何反应呢？几乎所有人都没有放弃确立已久的爱因斯坦学说（即任何物体的速度都不可能超过光速），他们认为一定是研究人员的测量结果出了问题（事实证明的确如此）。现在，想象我们处于400年以后的未来，那时爱因斯坦的观念已经被取代；科学家早已用实验证实，中微子的确能够超光速运动。如果我们那时回顾今天的物理学家，会如何解释他们不愿接受这一证据呢？我们会因此断言21世纪的物理学家顽固不化、不愿接受新思想吗？或者说他们这样做是出于非科学动机——一群保守的爱因斯坦主义者恪守着传统和权威的规定？我们希望今天这些“顽固”的科学家能够得到更公正的评价，因为他们不愿放弃合理的结论（即使这些结论最终可能被证明是错误的）是有科学根据的，而不仅仅是出于一种顽固的偏见。这类故事在科学史上并不少见。19世纪的天文学家认为，银河系构成了整个宇宙，他们分析了仙女座星系的首批图像，确信自己看到的是一颗恒星，其周围是一个初生的太阳系，而我们现在知道，仙女座星系其实是一个包含上万亿颗恒星的遥远星系。同样，爱因斯坦曾确信宇宙是静态的，因此在他的方程中引入一个宇宙学常数以使宇宙保持静止。这两种看法都是合理的，但都是错误的。正如在《环球科学》2012年第7期上，麻省理工学院的戴维·凯泽（David Kaiser）和普林斯顿大学的安吉拉·N.H.克里杰（Angela N. H. Creager）在《错误推动科学革命》一文中所说，本身是错误的，但同时能够有效推动科学进步的假说，是可能存在的。任何事在事后来看总是更清楚。当然，对于超光速中微子案例，我们几乎没有什么后见之明。但我们的确知道一个著名的、已知结局的故事，即哥白尼和他的“日心说”理论。哥白尼认为，地球每天自转一周，每年绕太阳公转一周，今天所有人都接受这一理论。哥白尼体系直接挑战了人们长期持有的信念，这一信念在公元2世纪由天文学家托勒密（Ptolemy）写入其著作《天文学大成》（Almagest）中，即太阳、月亮和恒星围绕静止于宇宙中心的地球旋转。 1543年，哥白尼在《天球运行论》（De Revolutionibus Orbium Coelestium）中提出了他的革命性思想，当时有许多科学家阅读了这部著作并钦佩不已，科学家为之作注，并用它改进自己的天文学预测。然而，即使到了57年后的1600年，放弃地球静止这一信念的、真正意义上的天文学家两只手就能数完。大多数科学家仍然倾向于似乎已是常识的“地心说”。我们在谈论日出日落时，似乎也在赞同这一学说。 “日心说”宇宙论遭遇的僵局，有时会被认为是科学家固守偏见。这一僵局最终被伽利略打破。1609年，伽利略组装了一架望远镜，开始观测恒星、月亮和行星，结果发现“地心说”和“日心说”都是错误的。在1609年之后的很长时间里，天文学家仍然有令人信服的科学理由来怀疑哥白尼。他们的故事生动地表明，研究者可以有很好的理由来抵制革命性观念，甚至是那些最终被证明非常正确的观念。（南方周末资料图）第谷的新宇宙论丹麦天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brahe）提出了一种看似很有力的怀疑理由。他于1588年提出了一种不同的地心理论（见左图下方），即“地缘日心说”（geoheliocentric），这个理论有两大优点：它符合我们对世界如何运作的深刻直觉，与已有数据的吻合程度也比哥白尼体系更好。第谷是一位杰出人物。他建造了一座城堡式的天文台，开展了庞大的研究计划，其预算堪比美国航空航天局，配备了最好的仪器和最优秀的助手。正是由于最终采用了第谷的火星数据，约翰内斯·开普勒（Johannes Kepler，第谷的助手之一）才算出了行星的运行轨道是椭圆形。在证明第谷对于天文学的重要性时，哈佛大学的历史学家欧文·金格里奇（Owen Gingerich）常会提到阿尔伯特·库尔修斯（Albert Curtius）于17世纪中叶编撰的资料，其中集合了自古以来所有的天文学数据——从这些资料可以发现，两千年来有价值的数据大多数都来自第谷。哥白尼体系的精妙打动了这位成就极高的天文学家，但在某些方面也使第谷感到困惑。困惑之一是，无法解释地球为什么会运动（牛顿提出的引力理论可以给出很好的解释，但第谷生活的年代距离牛顿物理学的诞生还有一个多世纪）。地球的尺寸已为人们所知，这样一个直径数千千米、布满岩石和泥土的球体的重量显然十分巨大。在街上推动一辆负载货车尚且困难，什么力量能够推动这样一个物体绕太阳运转呢？相比之下，恒星和其他行星的运动则很容易解释——自亚里士多德时代以来，天文学家一直认为，天体是由一种地球上找不到的、特殊的以太物质构成的。这种物质会自然地快速旋转，如同你不拉货车它就会停止，都是很自然的事情。第谷说，哥白尼体系“巧妙而彻底地避免了托勒密体系中一切多余或不和谐的内容……但它为地球这个笨重、怠惰、不适合运动的东西赋予了与以太天体一样快的运动速度”。在这方面，古代天文学家和现代天文学家有共同之处，后者为了解释他们观察到的现象，假定宇宙在很大程度上由“暗物质”或“暗能量”所构成，这与我们已知的任何东西都不相同。哥白尼体系中的恒星同样令第谷感到困惑。托勒密说，恒星天体“大得无法度量”，因为我们观察不到恒星的周日视差（diurnal parallax）——当恒星从地平线升起，越过头顶又从地平线落下，地球观察者与恒星之间的角度和距离发生变化时，恒星的位置和外观没有出现明显变化。由此可以推出，地球的直径与恒星距离相比可以忽略不计。托勒密写道，地球“就像一个点”。哥白尼知道，我们甚至连周年视差（annual parallax）——地球沿轨道公转引起的恒星相对位置的变化——也检测不到。假设地球果真绕太阳旋转，却不存在周年视差，这将意味着，恒星间的距离非常大，与之相比，地球公转轨道（哥白尼称之为“大圆” ）的直径可以忽略不计，“就像一个点”。于是，宇宙的尺寸将被重新定义，变成了——几乎令人无法置信的——“无法估量的广大”。不仅如此，第谷很清楚，哥白尼的假说不仅对宇宙尺寸的认识有深远影响，对单个恒星的尺寸也是如此。我们仰望夜空时，单个恒星看起来有固定的宽度，托勒密和第谷都曾测量过。我们现在知道，这些遥远的恒星实际上是点光源，我们看到的宽度是光波通过圆孔（比如望远镜或虹膜）所产生的结果。但在当时，天文学家们对光的波动性一无所知。第谷用简单的几何学计算出，如果恒星间的距离像哥白尼所说的那样遥远，那它们的尺寸则必须有“大圆”那么大。即使是最小的恒星也会使太阳相形见绌，前者之于后者就如同一个葡萄柚之于一个点。这同样很难让人相信——第谷说，如此巨大的恒星是荒谬的。正如历史学家阿尔伯特·范·海尔登（Albert Van Helden）所说，第谷的“逻辑无可挑剔，其测量也无可指责。哥白尼主义者能做的无非是不得不接受这一论证的结果”。面对着似乎无可辩驳的物理证据，哥白尼主义者并未放弃其理论，而是被迫诉诸神的全能。“俗众初看起来荒谬不经的这些观点，不应被轻易地指责为荒谬，因为神的智慧和威严其实远远超出了他们所能理解的范围，”哥白尼主义者克里斯托弗·罗特曼（Christoph Rothmann）在一封给第谷的信中写道，“你可以将宇宙想象为浩瀚无垠，将恒星想象得广大无边，但这仍然无法与无限的造物主相比。人们认为，国王地位越尊贵，其宫殿就应越加宏伟，才能配得上他的威严。那么，你认为神的宫殿应有多宏伟？” 第谷并不为这类论证所动，而是提出了自己的宇宙体系：太阳、月亮和恒星就像托勒密体系描述的那样围绕静止的地球旋转，而行星就像哥白尼体系描述的那样围绕太阳旋转（见左上图）。这种“第谷体系”（Tychonic）保留了“地心说”的优点，因此不需要解释笨重而怠惰的地球是如何运动的，也不必因为周年时差的缺失得将恒星假设为非常遥远、巨大——在第谷体系中，恒星就处在行星外面，尺寸也相当合理。但就行星而言，第谷体系和哥白尼体系在数学上是等价的。于是，第谷体系也保留了哥白尼体系在数学上的优雅，第谷认为这种优雅避免了托勒密体系中一切多余和不和谐的内容。伽利略用望远镜观看天空时，发现了大量与托勒密的古代宇宙论直接相抵触的现象。他看到木星有卫星，证明宇宙可能有不止一个运动中心。他还观察到金星有位相，表明它围绕太阳运转。然而，这些发现并没有被当作地球绕太阳运转的证据，因为它们与第谷体系完全相容。 200年的论据 17世纪中叶，哥白尼、第谷、伽利略等先驱均已逝世，意大利天文学家乔万尼·巴蒂斯塔·里乔利（Giovanni Battista Riccioli）出版了一部著作，对各种宇宙论进行了百科全书式的评价，名为《新天文学大成》（Almagestum Novum，追随托勒密那部伟大著作）。里乔利考察了支持和反对哥白尼体系的众多论据，以及涉及天文学、物理学和宗教的论据。但里乔利指出，有两个主要论据构成了反对哥白尼体系的决定性证据。这两条论据都源自第谷的观点，都要到几百年后才能得到明确的答案。第一个论据是，里乔利认为旋转的行星应该会使抛射物和下落的物体发生某些改变，而在现实中却无法检测到这些改变。第谷曾经认为，旋转的地球会使抛射物的轨迹偏离直线。然而直到19世纪，法国科学家伽斯帕-古斯塔夫·德·科里奥利（Gaspard-Gustave de Coriolis）对这种效应做出完整的数学描述，这些偏离才被观测到。另一条是第谷提出的关于恒星尺寸的论据，里乔利用望远镜观测了恒星尺寸，并对第谷的结果做了更新。（第谷从未使用过望远镜。）里乔利设计了一种可重复测量恒星直径的流程，结果发现恒星看起来比第谷设想的还要小。但望远镜也增加了对周年视差的灵敏度，却仍未检测到周年视差，这意味着恒星必定比第谷认为的还要远。最终的效果是，恒星必定像第谷所说的那样巨大无比。里乔利抱怨哥白尼主义者诉诸神的全能来回避这个科学问题。作为一名耶稣会教士，里乔利几乎不可能否认神的能力。但他仍然拒绝接受这种解释，他说：“即使这种错误陈述无可辩驳，它也无法让更严谨的人满意。” 由于缺乏确凿的科学证据，哥白尼学说中，关于宇宙和恒星尺寸的几乎令人难以置信的说法，无法被证明是正确的，因此，哥白尼学说迟迟不被接受。1674年，英国皇家学会实验馆长罗伯特·胡克（Robert Hooke）承认：“地球是运动还是静止仍然是一个问题，自从哥白尼提出这一问题之后，现代最优秀的天文学家和哲学家为之殚精竭虑，但迄今为止尚未有人能够确切证明地球到底是运动还是静止的。” 到胡克的时代，已经有越来越多的科学家接受了哥白尼的学说，尽管在一定程度上他们仍然面临着科学难题。直到1838年，弗里德里希·白塞尔（Friedrich Bessel）才记录下了令人信服的恒星的周年视差。大约在同一时间，乔治·艾里（George Airy）就恒星为何看起来比实际更大这一问题，第一次给出了一种完整的理论解释，斐迪南·莱希（Ferdinand Reich）则首次成功检测到因地球自转引起的落体偏离。当然，牛顿的理论——不适用于第谷体系——早已回答了第谷提出的“笨重、怠惰”的地球如何运动这一问题。然而，回到伽利略和里乔利的时代，那些反对哥白尼学说的人，也有一些基于科学的相当合理、清晰且有观察依据的有利论据。虽然事实最终证明他们错了，但这并没有使他们成为糟糕的科学家。事实上，无论是过去还是现在，对他人的激烈争论提出严谨的反驳意见，一直是科学研究中的挑战和乐趣。（本文由Scientific American中文版《环球科学》授权南方周末发表，张卜天翻译。作者丹尼尔森是加拿大不列颠哥伦比亚大学英文教授，主要研究哥白尼革命的文化意义。葛兰尼是美国肯塔基州杰佛逊社区和技术学院的物理学和天文学教授。）; 个人分类: 转载|2418 次阅读|3 个评论

为什么有古代科学和现代科学之分？: 热度 2 wliming 2012-6-1 15:56; 李连达院士说，中医是古代科学，不是现代科学。这话让很多中医抓狂。有人纳闷，既然科学是客观事实，怎么还有古代现代之分？难道古代的客观事实现在可以不是客观事实？这个问题估计很多中医粉丝都搞不明白。科学的确有古代现代之分。一个“客观事实”受制于当时观测条件和水平的限制，有可能被后来的更精密的观测所否定。所以，我们曾经认为“客观”的事物后来被否定被修正是完全可能的。比如亚里斯多德认为力是运动的原因。这是建立在古代观测出来的“客观事实”基础上的古代科学，西方认可这个客观事实一千多年，但是，它后来被牛顿力学推翻，力不再是运动的原因而是运动改变的原因。而牛顿力学的很多"客观事实”又被现代量子论和相对论推翻。科学在否定中进步。有人说，被否定了就不是科学。当然，被否定了的知识肯定不是现代科学。但是，那也不是伪科学，而是古代科技不发达观测水平受限时代的科学。就拿“力是运动的原因”来讲，你推动地上一块物体，物体就运动起来。从这个意义上，力就是运动的原因。我们今天否定它，不过是因为我们认识到除了推力还有物体和地面之间的摩擦力存在。忽略摩擦力，亚里斯多德的话就是对的。所以，亚里斯多德的学说是一种粗糙的近似。再如地心说日心说也是如此。地心说被日心说否定了，但是，地心说却不是伪科学，而是观测不精确时代的近似理论。类似的事例还有很多。它们都是古代科学。还有一些古代的科学假说被彻底否定的，如热质说。可见，科学并不是一成不变的，而是随着技术的进步逐渐精确逐渐完善的。一些对科学认识不深的人，常常会犯这样的错误，以为科学就是真理，是永恒不变的。其实，科学是没有真理这个说法的，真理是胡说八道哲学的专业词汇。对科学的误解估计是很多中医粉丝的通病。; 个人分类: 哲学|1507 次阅读|2 个评论

研究者的目标: 热度 3 Rein 2011-1-31 16:14; 有段时间一直在做研究的目标是什么。是发paper么，是被引用多少次么，还是能去好学校当教授么？发paper，被引用，似乎可以作为短期目标，但是如果说研究人员只是为了发paper，这也太无趣了。至于拿教职什么的，不能当了教授就不做研究了吧？所以这也不像是做研究的目标。感觉自己比较欣赏中世纪，文艺复兴的很多科学家。比如为了证明地心说，或者日心说而献身的科学家。当然日心说或者地心说的问题已经解决了，但是现在这种还没有从科学上解决的问题也有。比如，现在很多科学家为了证明创造论或为了证明进化论而努力中。不过，好像这些和我这种计算机的研究者半点关系都没有。这不是什么自然学科，不存在什么挖掘自然的真理而努力这种研究目标。甚至，做网络研究，还不像人工智能或者人机交互，对于我的“其他目标”（比如想当老师）有促进。不过最近读数据中心的论文，很有意思，感觉研究人员也很自觉地站在了两个阵营中。一种是server-centric的研究，一种是switch-centric的研究。在国内，我接触过一点点以微软server-centric的数据中心阵营中的研究人员（微软搞server驱动程序啥的，所以站在server-centric阵营）。但是，很明显，我现在的实验室是属于switch-centric的研究阵营(Stanford是在大力推广OpenFlow switch的）。这两个阵营到不像前面那些科学家的例子那么对立，不过还是蛮有“冷战”的味道。至少，两个阵营都在极力证明自己的方法更有前途。前几天某个商学院的教授也在bible study中分享，他当时觉得大家对人性的假设很不正确（大概是说之前有个什么最基本假设说人在拥有所有信息下可以做出最优决策），他觉得这个不符合圣经中对人性的说明。于是他的研究对市场的分析就建立在人是没办法做出最正确的判断下做的，最后取得了很大的成功（大概是这个意思吧，我对这个领域完全不熟）。于是，我开始在想，做研究是不是应该有一个比发paper更高一个层次的目标，比如某种价值观的输出？; 个人分类: 学习交流|5179 次阅读|9 个评论

科研造假和误判的区分标准: 热度 2 sulihong 2011-1-25 11:28; 科研工作是一个艰苦的工作，出现错误和失败在所难免。很多科研人员都存在科研误判和犯错误的问题，但这与科研造假是有本质区别的。科研误判，他根据的是真实的试验数据，该试验数据开始时很可能误差很大，因为数据数量少，受偶然因素影响也很大。这时作出的科学结论往往都有错误判断，因为我们都不是神，这很正常。就像地心说，曾描绘了极其复杂的太阳系运行轨道，但是当时的观测人员只是错误判断得出地心说结论，他的观测数据并不是造假。日心说出来后，这些数据还可以用来验证日心说的正确性。换句话说，科研误判即使是结论错误的，对于后来的研究其数据还有可参考作用，后来的研究否定前面的结论时，必须对前面这些数据有一个更合理和更准确的解释才行。就像广义相对论在取代经典物理理论时，他必须先合理解释所有经典理论才能证明其正确性。现今商品社会，还有一种普遍的情况，论文测试数据是真实的，但是叙述因为保密需要而隐写或改写，但是这种情况，只要找到或公开其真实工艺，这些试验数据是可以重复的，后人的研究也必须符合和合理解释这些数据。科研造假，他是伪造或者捏造了不存在的试验数据和结论，后来的人试图重复这些数据和结论，是无法再重复出来这些数据的。如果其他人试图去解释这些数据和结论，只能用更多造假的数据去支持他的造假观点。为何现今科研造假成风，说穿了还是名利惹的祸，但是我们当今科技界和教育界对于科研和人生成功的标准也有错误导向，只有成为名人和挣大钱才是有本事的，没有真正回归到科学贡献的本源。万有引力定律是牛顿贡献大还是普勒贡献大，绝大多数人都过分提及牛顿的贡献，实际这中间他们是做出了同样伟大的贡献的。微积分笛卡尔的贡献也是可以与牛顿、莱布尼茨均分的。他们都是成功的。同样只要真实的贡献了科研过程的每一点和每一滴的工作，他们都是成功和受人尊敬的。只有一种失败者和该被卑鄙者，那就是捏造了数据，导致后人根本无法再重复和给出合理解释的人，因为这好似在为了自己眼前短期名利，而祸害以后所有的人。这也许是我们科研工作的道德底线。; 个人分类: 评论|5541 次阅读|2 个评论

比“地心说”更可怕的是“人心说”: YonLushgry 2010-10-9 22:50; 闫茂伟多少年前？哥白尼，尤其是布鲁诺以牺牲自己的生命为代价宣誓了并捍卫着日心说，始终如一、至死不休，就这样，在日心说的支持者、拥护者、捍卫者百折不挠、历尽艰辛的英勇而持久的战斗下，才战胜了地心说及其巨大而可怕的统治势力，并动摇和摧毁了当时众多人脑海中和心目中根深蒂固、难以泯灭的观念、理念、信念和信仰，当然，与此同时，一场具有摧毁性、颠覆性、划时代而又伟大的革命在经历了萌芽、诞生、被摧残、被迫害、牺牲、战斗的可怕而又伟大的历程后最终取得了穿越时空、贯通古今、链接未来的伟大而辉煌的胜利！由此，哥白尼、哥白尼革命、哥白尼式的革命在自然、人文的各个领域树立了崇高权威！多少年来，我们人类不再被地心说所苦苦缠绕、闷闷钳制，我们可以而且已经象征性地挣脱了地球的吸引力和束缚力，并能够在地球上叱咤风云甚至是为所欲为，也能够在地球外尚且有限的时空中悠游散步、精心探索，我们人类所做的一切的一切既昭示着日心说的伟大同时也证实了地心说的可怕要不是日心说战胜了地心说，我们人类到底是什么样的甚至还存不存在都难以说得清楚！俱往矣！但是我们人类社会中的大多数成员并没有意识到、认识到甚至还没有清醒的感受到比地心说更可怕的东西，这个东西不是别的，它就是人类自以为是、自不量力地给自己自封的以人类自身为中心的人心说！以人类为中心的观念、信念、理念、学说、理论、思想、意识、意志、行为甚至是科学体系（简称人心说），而实际上却是偏见、歪理、伪科学甚至是邪说业已在我们人类社会中的大多数成员脑海中和心目中根深蒂固、难以泯灭，就这样，这般如此、如此这般的人心说已经、正在也不知还要统治人类和其他物种乃至整个地球多少年（人类自身还总以为能够掌控地球上的一切，并一直在努力争取做到）？！我们人类社会中除了一小半部分可以说是先觉先知者之外，大部分成员有意也好无意也罢都是这一东西的拥护者甚至是捍卫者，并是其践行者更还可以为之战斗者，而与此同时，也将是这一玩意的受害者、迫害者乃至是罪有应得者或者是屈鬼冤魂者！然而，如果人类社会中的那一小半部分可以说是先觉先知者没能够战胜除了他（她）们之外的大部分人类社会成员，那么他（她）们最终也将随着整个人类社会的毁灭而一起玩完！当然，他（她）们如若不想玩完的话，现在已经到了不得不为此而战斗的时刻，他（她）们要向哥白尼及其支持者学习，以英勇而无畏的魄力来一场具有摧毁性、颠覆性的革命，而不论多么艰辛、多么可怕也要为这场革命奋战到底、至死不休！因为，唯有此才能战胜比可怕的革命更为可怕的人心说！这是危言耸听吗？看看吧我们人类已经破坏了臭氧层，同样我们人类业已受到了由此而招致的伤害与惩罚，然而不仅仅如此，人类以外的物种也受到了由此而带来的迫害，但是人类是罪有应得而其他物种却是受牵连、无辜的！还有就是，臭氧层的破坏到底会给整个人类、整个自然界、整个地球乃至宇宙造成什么性质、什么程度、多么惨烈、多么致命的恶果，估计没有哪一位智者能够说得清、更没有哪一个专家敢于断言！不过，至今仍有人以为人类只是臭氧层的破坏者之一。我们人类社会的活动或许已经导致了全球气候难以逆转的恶化，而且气候上的问题已经不仅仅是变暖的问题还是极端恶化、极端异常的问题更是气候循环系统自身难以再正常运行的问题！然而仅就全球变暖所给人类、自然、地球乃至宇宙造成的后果或许就是不堪设想的；再者，气候的极端恶化、极端异常已经在全球各地蔓延并有愈演愈烈的趋势，但是，对此有些人认为是人类造成的或者是有人类参与而加剧恶化的，而有些人却认为是气候自身固有的客观规律所导致的。好一个客观规律，真是不见棺材不落泪！气候的问题，人类难脱干系！难以数得清的多种多样的物种日益灭绝，仅就人类知道的就惨不忍睹，而人类不知道的当然就一命呜呼了！最为可怕的是，有些人对此充耳不听、视而不见，更是置若罔闻、无忧无虑，还竟美其名曰进化，真是聪明绝顶！但是，不知道哪一天、哪一段时期，人类自身也被人类自身进化了，只是到那时人类还不知道自己是怎么玩完的！悲剧啊，悲剧！关于人造太空垃圾的谈论我们可以见到这样那样的报道，即便这种垃圾是客观、大量存在的，也是极其危险的，但是由于离我们甚是遥远，所以不会有多少人关心它、关注它、担忧它。然而，这种垃圾到底会给人类、地球、星系、宇宙带来多大的灾难至今不会有人预测得到，也没有人能够预测得到！不过，想想吧：地球或摇摇欲坠或四分五裂或剧烈震动或不见光日或磕磕碰碰的那一天、那一刻，我们人类的面部表情会是怎样的呢？这或许是难以想象的，但更是不可能绝对发生不了的。太空不是什么好玩的，玩不好玩火自焚！我们人类社会中民族、国家、经济、政治、文化、社会、法律、道德、思想、欲望、需求、能力、实体、习俗、偏见、传统、交往、合作、言行、生活、环境、科技、教育、军事、宗教、种族、种群、恐怖、霸权、冷战、产业、行业、职业、资源、能源、竞争、贫穷、疾病、卫生、粮食、灾害、冲突、战争、国际、传媒、全球化无不充斥着人类中心主义的味道或阴影，一切的一切都以人或团体的人之眼光、标准、目的、意义、价值观、是非观、善恶观、美丑观、真假观、时空观衡量、取舍、行动、争夺尤其是国与国之间、民族与民族之间、种族与种族之间有时会以自己是最为优秀的姿态进行着或隐或现的争争战战，目的或许就是自以为自己是人类的中心，这或许就是人心说的变种或异化形式！等等。一一得一，一八得八！种瓜得瓜，种豆得豆！人类自以为正当、正义、善意、合理的所作所为必将给人类自身、其他物种、自然界、整个地球乃至宇宙带来这样那样的效应、后果，但是，我们却喜欢用或积极或消极、或好或坏、或正面或负面的所谓双刃剑的指标评价之。既然是一把剑，而我们人类却死死地类握着这把剑不是挥向就是刺入地球之上、地球之外的任何地方、任一东西，而对于这样的结果不是沾沾自喜人类多么多么的伟大、多么多么的神奇；就是自我安慰好些活动、事物都是两面的、不要一棍子打死。然而，人人万万没有想到的是或者防不慎防的是或者难以克服、难以避免的是：在以人类为中心的统治下，人类已经走到了不得不回头看看的地步、不得不接受惩处的时侯！那我们人类是不是真的将要玩完了？这个可不好说！而且不玩完更不好说！如果人类再以人心说统治一切，那么人类的玩完或许指日可待！那么，人类就真的要玩完了吗？那就看人类到底要怎么做了！打破、颠覆人心说或许还是一条出路，但是，要知道，人心说已经让我们人类、整个自然界、整个地球伤痕累累！那么，我们要用什么来战胜并在一定时空范围内取代人心说呢？这就是，哥白尼式的革命！诸多哥白尼的战斗！其实，对于这个问题，哥白尼给我们留下了宝贵的财富和回旋的余地：他给了我们日心说，也就是这个日心说给了我们了解世界、走出地球、发现星体、探索太空、认识宇宙的前提、基础、条件和机会！要知道，地球只是宇宙的一个成员，太阳系也只是宇宙的一个成员，而且，人类所不能够目及和触探的时空或许远不止宇宙自个而已！地球之上、地球之外、太阳系之外、宇宙之外还会有什么？不会有什么？应该有什么？真的有什么？这些问题我们人类当然需要继续探索，但我们人类不能以人心说为指导去探索这些问题！或许，哥白尼还没有来历及审视、关注、考虑这些问题就被可怕的地心说派残害（思想上）了！也或许在哥白尼之前、之时、之后及至今天甚至未来的一些时间里人心说统治了、统治着人类及其行为甚至人类之外的诸多世界！甚至就连日心说也没有对其有多大的伤害，要不然人心说不会在日心说战胜地心说之后依然横行甚至更为猖獗！为此，人类必须走出人心说及其统治之势力范围，坚定地沿着日心说战胜地心说的轨迹继续前行进而走向以宇宙为中心，并在一定时空里确立宇心说，以宇宙自身固有的真善美之自在、自为、有序、有机、多样、互动、全面、协调、圆满、统一之本质面貌来审视自身、规范自身、定为自身、改造自身！人类的核心是宇宙，而绝不是人类自身！当然宇宙之所以能够被称之为一个中心只因为宇宙之外还有人类所不能认知的东西，或许宇宙自身也只是一个东西，即便无边无际、无始无终，但宇宙自身自灭的本性并不是不可能的，而人类的所作所为要么使得宇宙加速自灭，要么宇宙会自动调试太阳与地球的关系并通过地球的反击来毁灭掉人类甚至是直接毁灭掉整个地球，要么宇宙会重新定位地球的位置以便于地球之上或之外的其他生命来取代人类，要么宇宙反击人类以致于让人类灭亡 2010-10-9 东南大学九龙湖畔; 个人分类: 论见&亮见|6335 次阅读|0 个评论

“地心说”、“日心说”谁是谁非？: hansong518 2009-12-2 23:31; 至申请科学网博客以来，一直想写一篇自己的博文。我总认为，一味的转载是没有意义的，博客应该是表达自己观念的神圣殿堂。然，由于学业较重，加之无好的素材，直至今日，才决定写一篇真正意义上的博文。今天和老师探讨，谈到了一个古老的话题：地心说与日心说之争。他说了一个观点让我很受感触。他说：地心说与日心说都是对的，他们之间并没有本质的区别。他的观点是：地心说和日心说的区别只是在于选择的坐标系不同而已，在描述问题上，只是地心处理问题的方法要复杂的多，而用日心说处理问题则相对简单。我们可以看出他的观点还是有一定的道理的。先不管他的观点是否是对的，但给我的启迪还是很大的，面对一个问题，从正面去想可能会是一种结果，但当我们换个角度再去看同一个问题时可能会得到意想不到的结果。换位思考对于我们的工作和科研，以及今后的生活都会有很好的帮助，对于我们解决实际问题也很有帮助！以上只是个人的一点体会，有不对的地方还请博友批评指正。; 个人分类: 生活点滴|7350 次阅读|1 个评论

用小学生的逻辑反驳宇宙大爆炸理论: liufeng 2008-10-26 21:25; 作者:刘锋我们在上文中指出宇宙大爆炸不仅仅是科学研究，更像是一种世界观和宗教的灌输，他们宣称发现了宇宙的起源，却忽视人类自身的局限性，宇宙大爆炸理论的拥蹙者们仿佛是中世纪的术士和牧师，站在神坛上自以为掌握了宇宙的秘密,作为对一种宇宙观和世界观的不认同，普通人也完全可以用最普通的逻辑反驳所谓的高深理论宇宙大爆炸的支持者们搬出一大堆数学和物理公式威慑普罗大众，这些人陷入到繁杂的公式和逻辑推理中，却没有抬起头真正看一下夜空中的星星。不承认人类的局限和渺小，幻想宇宙的秘密就在脚下，他们与中世纪神坛上的牧师越来越相像，但一个小学生的逻辑就可以反驳宇宙大爆炸理论的谬误。假设地球是水塘中央的水分子，在地球周围，百亿光年的距离都是水塘的范围，在水塘之外是广漠的草原，由于人类观测距离的局限,我们只能发现水塘的水,而不可能发现陆地和鲜花。宇宙大爆炸理论的可笑之处在于以为小水塘里的规律就是整个宇宙的秘密，而且宇宙大爆炸是不是小水塘的规律仍然有很多矛盾和疑点。存在这种可能,当圈3范围的光线穿越图中圈2暗物质的包围圈时发生扭曲，导致处在图中圈1的人类观测的图像是失真的，大爆炸理论的基石红移现象完全有可能是失真的现象。我们当然不能证实图中圈2暗物质包围圈的存在，但大爆炸理论的拥护者们也无法否定圈2的存在，没有定论之前，大爆炸理论的传播怎么能是科普呢？两个图联系在一起足以说明大爆炸理论是一个很不可靠的理论，我们无法完全否定大爆炸的存在，但他们能否定我们提出的质疑么,; 个人分类: 观点评述|6211 次阅读|1 个评论

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