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人类的攀升:日心说的凯旋 精选

已有 3497 次阅读 2018-1-2 09:28 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦|关键词:科学史,,日心说,,地心说,,布拉德雷,,恒星视差

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)。

tanθ=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。

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