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1609年,一个新世界! 精选

已有 6235 次阅读 2017-8-23 08:25 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦|关键词:1609年 伽利略 望远镜 天文学革命 日心说

文章首发今天“科学大院”公众号(二维码见文末),感谢殷向荣老师的编辑。这几天趁着美国日全食的东风,就写了这篇近400年前的有关天文学革命的一篇文字,敬请指正!

 按(科学大院编辑所加):昨天(美国时间21日),横跨美国的日全食震撼上演,这是历史上观测和拍摄人数最多的一次日食。观测者共达数百万之多。

  其实,约8年前的2009年7月22日,也出现过一次堪称本世纪最壮观的日全食(全食时长超过6分钟),这也是2009年也被定为“国际天文年”的原因之一。

  更重要的是,这一年还是伽利略首次用望远镜进行天文观测400周年。这才是它被定为“国际天文年”的最主要原因。

 看完壮观的日全食,本篇文章就带你回到400年前,探寻那个引发人类宇宙观变革的新世界。

重要的事情说三遍!

不!你已经out了,重要的事情要说N遍,N>>3科学史上有关科学革命的故事就有必要说N遍。

这次讲的故事,发生在1609,一连串的科学发现彻底动摇了旧世界的根基,让人类放弃了旧的宇宙观,迎来了一个新世界。

故事的主人公是伽利略,他用几具简陋的单筒望远镜引发了人类宇宙观的变革。

伽利略当年制作的望远镜之一(复制品)

有人嫉妒牛顿,说那么多科学发现、发明集于一身,任何人只要拥有其中的一项就足以名垂青史了。不错,类似的说法也可以用在伽利略身上。且不提他在物理学上的诸多奠基性贡献,也不谈他在近代科学方法方面的身先示范,单就1609年他把望远镜投向天空一事,便可以笑傲科海400年!

不服来战。  

我为什么可以这么说呢?伽利略究竟如何变革了人类的宇宙观,引发了怎样的科学革命?

这一切,还是得从哥白尼谈起。

尼古拉·哥白尼

众所周知,1543年哥白尼发表的《天体运行论》是近代科学革命的起点。

但其实在这本书里,哥白尼提出的是一个理想模型,把众星围绕地球运行的学说改变为地球只是一颗普通行星,与五大行星(当时天王星等还未发现)一道绕日运行。这个模型并没有足够的证据支持,提出之后就像微风掠过一潭死水,未能泛起半点涟漪。

时代在召唤英雄!

第谷:在地心说的棺材板上钉下第一颗销钉

丹麦的第谷首先在地心说的棺材板上钉下了第一颗销钉。

第谷(注意其鼻子,因年轻时与人决斗被砍了部分,遂用合金补了一块)

15721111日,26岁的第谷在仙后座发现一颗新星,这便是后来命名的第谷超新星。所谓新星,故名思议在某一天区新出现的星体,在我国古代多以“客星”称之。该超新星在我国《明实录》也有记载,明隆庆六年十月初三,也就是1572118日,“客星见东北方,如弹丸”。可见,我们这边还比第谷早3天观测到,但就天文学史上的意义而言两者不可同语。此问题暂且不表,以免枝蔓。

再接着说第谷发现的这颗新星。这有什么好说的呢?这事可不小。

原来,这颗新星先是亮如金星、白色耀眼,然后转为黄色,类似木星,再转为红色至暗青色,最后消失,前后历时16个月。第谷当时心无旁骛,一心追随。通过肉眼观测和仪器测定(注意那时还没望远镜),他发现这颗新星在恒星背景下竟然无视差。

“无视差”——这三个字意义重大,一定要好好揣摩。

视差示意图

这里需要解释下什么是视差,拿一支笔置于眼前不远处,闭一只眼睛用另一只眼观察笔与背景(可以是墙、电脑屏等)的相对位置,然后反过来换另一只眼,你会发现笔与背景的相对位置发生了变化。这便是视差。

那么想一下,在你有生之年,你是否发现北斗七星有这种变化,为什么?

(请想5秒钟)

如果此问题想通的话,你就明白第谷发现新星的重大意义了。

一句话,因为它们距离地球太远了,所以观测不到视差——至少在那个年代依靠简陋的仪器观测不到。

那么1572年的新星有多远呢,在第谷看来,至少和别的恒星类似,远在月亮之上(实际距离超过8000光年)。

“我在仰望,月亮之上,有多少梦想在自由的飞翔”,这或许也是当年第谷的心声,新星必定在月亮之上(距离远过月球),这对陈腐的地心说可是当头一击。

要知道,从古希腊延续到那时的地心说的一个教条就是:月上世界很完美、永恒不变。这下可好,横空出世一新星,随即还消失了。这几乎是对地心说正面的一记响亮耳光,大幕已经掀开一角。

第谷超新星的发现虽然冲击了地心说,但对哥白尼的日心说还未给出有力、直接的证据。地心说这具僵尸阴魂难散,棺材板蠢蠢欲动,时代在召唤力转乾坤的大英雄。

伽利略:五大新奇天象改变人类宇宙观

1609年,伽利略45岁,那时他是意大利帕多瓦大学的教授,上半年刚搞定自由落体的研究,正春风得意。

伽利略

这年夏天,伽利略在威尼斯听说荷兰一位眼镜商发明了一种可以将远处物体“拉近”的神器——望远镜。

他很快获得了制备望远镜的资料并亲自制作,先后制出了倍率为3920的望远镜,最终在16103月制出了倍率为30,相当于将观测物放大900倍的望远镜。

伽利略不是望远镜的发明者,但他是有意识得把望远镜用于天文观测的第一人,他随即发现了一系列新的天象。在1609-1610年间,伽利略利用望远镜发现了五大新奇天象。

第一他发现了月球表面高低不平、坑坑洼洼。这与地心体系认为的月球表面光滑的说法完全不同。伽利略甚至通过月球上山脉的阴影,计算出了山脉的高度。

伽利略1609年手绘的月相图

第二他发现了茫茫银河原来是无数恒星汇聚的结果。

第三他发现了太阳黑子。

有读者可能有疑惑了,这有什么值得大书特书的,我国古代有关太阳黑子的记载多去了,而且远比伽利略的时代要早。

的确如此,比如《汉书·五行志》记载,“河平元年(公元前28年)三月己未。日出黄,有黑气,大如钱,居日中央。”这是太阳黑子的明确记载,要比伽利略的“再发现”早1600多年。

但是伽利略通过望远镜发现太阳黑子是在特殊的社会背景下,有着特殊的历史意义。

还记得前面说的月上世界吧?在地心体系中,月上世界完美无瑕,太阳就处在月上世界,本应该没什么瑕疵,这下可好,竟然有了黑子。这无异于又一次打了地心说的脸。

第四他发现了木星的4颗卫星。

1610年的17日,伽利略在观测木星时发现了它的卫星,起先是发现3颗,2颗在木星的东侧,1颗在木星的西侧;第二天他发现3颗星全都到了木星的西侧;10日,只有两颗星在东侧……13日和15日木星周围出现了4颗星,只是排列不同。

经过认真分析,伽利略认为这是木星的4颗卫星在绕其运转,少于4颗的情况,无非是凌或掩,也即卫星掠过木星表面或被木星遮挡。

为了对其探究进行赞助的美第奇家族表示敬意,伽利略把这4颗卫星命名为美第奇星。不过,后来“名归原主”,这4颗卫星如今被称为“伽利略卫星”,它们是迄今发现的67颗木卫中最大的。

木卫系统的发现,解决了之前伽利略踌躇不前的一个障碍,因为之前他无法理解日心体系中月球绕地球的同时两者又绕太阳作周年运动。

现在,木卫体系完全类似,在以12年的公转周期绕日运行,那地月系统还有什么不可以。

第五个发现至关重要,对地心说可谓一剑封喉。什么发现呢?原来,伽利略用望远镜发现了金星的相位。

什么是金星的相位?

通俗地讲,就是说金星像月亮一样有盈亏。

太不可思议了,怎么回事?你可能还是不明白,这得靠图才能讲清楚,两个体系做一对比,高下自现。

下面两张图,图a是地心体系,图b是日心体系。注意两图中金星的轨道平面与太阳、地球近似在一个平面。

地心体系

现在我们看图a,再提醒一下这是地心体系,也就是说金星和太阳均在绕着地球运转。

那你可能问了,那金星绕中间那个圆心运转是怎么回事?其实金星绕转的那个圆轨道叫本轮,至于什么是本轮就不解释了,否则这篇文章10000字也打不住。

我只说结果:有了这个本轮,就能解释金星的逆行。

注意行星逆行是一种普遍现象,但并非它们真实的运行状况,而是说在地球上观察它们在恒星背景上的一种临时退行(过一段时间会再顺行)状态。

正因为如此,行星在古希腊语中的意思就是“流浪者”,说明它们行迹诡异。

大家还知道,金星是地内行星,距离太阳较近,它总是出现在黄昏或清晨,在我国古代分别称之为“长庚”和“启明”。《诗经·小雅·大东》就说“东有启明,西有长庚。”遗憾的是,那时不知道它们其实是同一颗星。

为了解决金星总和太阳“相伴”在一起,地心体系想了个办法,就是图a中那条直线,什么意思呢,是说金星在绕本轮的同时,和太阳一道等角速度(一年转一圈)绕地球运行。

日心体系

b日心体系,容易理解。金星公转轨道半径小,在内;地球反之在外。

激动人心的时刻到了,请集中精力、屏住呼吸!

这是决定地心、日心两大体系的关键对决。

1609-1610年初,伽利略通过望远镜观测到了金星的相位。这种情况只能在日心体系下才能成立!

你发现了吗?

如果你发现了,请跳过此段。如果没发现,请继续阅读。

在图a的情况下,可以看到金星像新月或残月的样子,但无论如何看不到金星近似满月的情况,因为阳光是从后方射到金星上然后反射到地球的。

但是在图b中,在金星远离地球的另一侧靠近正对地球处,无论是晨星还是昏星时,均可看到近似满月的圆面。此外,由于金星距地球较近,金星相位的大小变化也很明显(似满月时半径小,如钩时半径大),日心体系与伽利略观测到的完全符合。

一切OK

这是伽利略本人智识思维跃升的一小步,却是人类认识宇宙世界征途上的一大步。

伽利略用他的望远镜,让人类迎来一个崭新的世界。400年后——2009年,国际天文学联合会和联合国教科文组织隆重纪念那一年,将之命名为“国际天文年”。

自伽利略开拓鸿蒙,时光荏苒一晃400多年,如今我们借助更强大的望远镜,洞察并理解着宇宙的玄机。让人类的梦想在月亮之上自由的飞翔吧!

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