Lunalin的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/Lunalin

博文

托勒密地心说模型是不是科学? -- 与方舟子先生商榷

已有 1371 次阅读 2018-3-4 14:03 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦| 天文, 科普, 地心说, 日心说, 托勒密

方舟子先生在2018111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 Bohr1913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




http://blog.sciencenet.cn/blog-3296162-1102234.html


下一篇:布里斯班—一座充满浓厚科学氛围的小城

3 马德义 俞云伟 文克玲

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (4 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备14006957 )

GMT+8, 2018-6-24 00:16

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007-2017 中国科学报社

返回顶部