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东西方对木卫的发现 精选

已有 8704 次阅读 2018-5-7 09:58 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦| 木卫, 伽利略, 马里乌斯, 席泽宗, 甘德

  按:拙文发表于2018年第5期《科学世界》“科史钩沉”栏目,感谢闫凯编辑。

  在太阳系的8大行星中,木星拥有最多的卫星,有69颗。其中最大的4颗与近代天文学革命和伽利略密切相关。令人惊奇的是,早在1981年,中科院自然科学史研究所的天文学史家席泽宗(后当选中科院院士)指出,早在战国时期我国天文学家甘德就发现了木卫。要知道,根据席先生的推算,甘德发现木卫的时间是在公元前364年,或者说甘德要比伽利略早近2000年发现木卫!那么,伽利略和甘德各自发现木卫之事实究竟如何,其意义又在哪里,这正是本文要讲述的。

 

席泽宗院士

伽利略和马里乌斯独自发现木卫

科学史上就科学发现的优先权之争,并不少见。按照科学社会学的解释,这是科学事业的内在属性,无可厚非。伽利略和马里乌斯就木卫的发现,便是其中一例,尽管他们没能像牛顿和莱布尼茨就微积分优先权而争得那么怒发冲冠。其实,他们几乎是在同一时间发现木卫中最大的4颗。席泽宗引用了一则史料,声称德国天文学家马里乌斯比伽利略早10天发现木卫。但事实是,当时马里乌斯与伽利略采用的历法不同,前者用的是儒略历,后者采用的是格里高利历(即现行公历),当把前者转换后,发现马里乌斯的首次记载晚伽利略1天。无论如何,天文学界并未亏待他们,还真的让他们共同分享了这一盛誉。怎么回事呢?

1610年1月7日,伽利略用自制的一架放大倍率为20的单筒望远镜观测了木星,首次发现了木星身边的3颗小星。开始他以为是新发现的恒星,后来又发现1颗,观测一直持续到当年3月2日,他逐渐认识到这4颗小星一起在围绕木星运转。这是一项惊天发现,因为它直接支持了哥白尼的日心体系。为了感谢赞助者佛罗伦萨的美地奇家族,伽利略在1610年3月出版的《星际使者》中称这4颗小星为“美地奇星”。现在我们知道,这4颗“小星”其实是木星卫星系统中最大的4颗,更通常称它们为“伽利略卫星”。

马里乌斯(Simon Marius,1573-1625),席泽宗译为麦依耳(Simon Mayer)。前者是他的拉丁化的名字——这在当时是一种时尚,后者是其德文原名。他早年受过良好的科班训练,跟随著名的丹麦天文学家第谷学习。1610年他独立于伽利略发现了木星的4颗卫星,随后接受了德国天文学家开普勒的建议,按照希腊神话宙斯(罗马神话中的朱庇特Jupiter)4个情人,依次命名为伊娥(Io)、欧罗巴(Europa)、加尼米德(Ganymede)、卡里斯托(Callisto)。该命名方式很长时间遭受冷落,不过现在已经认可,并在新发现的木卫中得到沿承。

   从“伽利略卫星”和伊娥等名字并用的事实可看出,这两位木卫的发现者均得到应有的尊重与纪念。


伽利略发现木卫时的笔记

甘德对木卫的观测

1981年,席泽宗在《天体物理学报》发表了一篇论文《伽利略前二千年甘德对木卫的发现》。该文根据唐代《开元占经》几句话,论证并推测了战国时期的甘德在公元前364年已经发现木卫。学界很快对此进行了实验检验,无论模拟验证抑或实测验证,均确证了这项新发现。

战国时,我国出现了多位姓名可考的天文学家,其中齐国的石申和魏国的甘德名声最大,可惜他们的著作无一流传。幸运的是,在唐代《开元占经》中保留了部分内容,其中记载甘德在讲木星时的一段话,有一句是“若有小赤星附于其侧,是谓同盟”,引起了席泽宗的注意。这里的“同盟”是春秋战国时常用的词汇,是指为了共同目的而联合的国家组合,类似一战、二战中同盟国的用法。结合甘德所言的语境,应该是指“小赤星”依附于木星,并与木星组合了一个系统。此外“赤”即浅红色,这也与4颗木卫的颜色相符。正是基于这样的分析,席泽宗认为这里记载的可能是甘德发现了木卫,那么接下来有两个问题需要解决:首先是人类凭肉眼是否可以直接发现木卫;其次,甘德何时发现了木卫。

人类通过肉眼发现星体,需要满足三个条件。第一,该星体具有一定亮度,在人类肉眼观测极限之内,也即视星等不大于6。这点4颗木卫均满足,其中木卫三的平均视星等最小(最亮),可达4.6。第二,两邻近星体应该有一定距离,否则肉眼无法区分。人类肉眼分辨的极限角为1角分,如果木卫距离木星太近,对人眼视线的张角小于1角分的话,人眼将无法区分两者。如果你对1角分的视角没概念的话,这里提供一个参考数据:满月的直径大约是30角分或者0.5度。幸运的是,4颗木卫也均满足,间隔最小的木星与木卫一有2角分多。第三,两邻近天体亮度的对比度不能相差太大,否则暗的一颗会被亮的一颗所遮蔽。木星最亮时视星等可以达到-2.7(夜空中最亮的恒星——天狼星只是-1.46),所以对周边卫星的“杀伤力”很大。不过,席泽宗认为当两个或更多木卫运转到木星同一侧时,彼此叠加的光亮会更有利于观测。他同时援引了德国地理学家洪堡(1769-1859)记载的一个肉眼可以识别木卫的例子,德国布勒斯劳城(Breslau,现波兰弗罗茨瓦夫市)有位叫舍恩(Schön)的裁缝,可以在无月的晴朗夜晚,相当准确地指出主要木卫的位置。但据1898年《大众天文学》一篇文章,在布勒斯劳天文台的严格测试中,舍恩并不能指出4颗木卫的位置,而是说他很容易看到木卫三,木卫一最亮时也能轻易看到,但从没发现过木卫二和木卫四。无论如何,舍恩的确凭借肉眼可以观测到木卫。席泽宗在论文中提到,他已经委托北京天文馆进行了模拟观测,认为甘德当年看到的应该是木卫三或木卫四,而木卫三最有可能。最后他推算了甘德发现木卫的时间,最满足条件的时间是公元前364年的夏天。

1981年3月,席泽宗的同事、自然科学史研究所的刘金沂在河北兴隆山区进行了肉眼观测验证。结果是,参加实验的8位人员全部看到了木卫三,其中1人能同时看到木卫一、木卫二和木卫三,另有3人可同时看到木卫二和木卫三。这次实验,完美验证了席泽宗的推断,甘德最有可能看到的是木卫三。

同年12月,北京天文台杨正宗和两位同事利用兴隆观测站的双筒天体照相仪,对肉眼观测木卫进行了实验检验,表明人类肉眼可以直接观测到木卫,而且最有可能看到的也是木卫三。

综合以上分析,可以认定公元前364年夏天甘德观测到了木卫,极有可能是木卫三。

如何评价东西方的发现

甘德早于伽利略和马里乌斯近2000年发现了木卫,的确令人称道,因为这是世界上首次观测到木卫,并对木星与木卫系统做了比较准确的描述。但是对科学发展的历史长河而言,两者并不能同语。

自从1543年哥白尼发表《天体运行论》、提出日心说,到1609年伽利略首先把望远镜投向星空,新学说一直面临着旧学说的责难与四面围剿。伽利略在1609-1610年通过望远镜的一系列发现,包括月球表面的凹凸不平、太阳黑子、四颗木卫以及金星的相位等,极大佐证、支持了哥白尼的日心体系,为该学说的发展和传播铺就了一条康庄大道。

即便对当时一些倾向日心说的人,木卫的发现也是一针强心剂,因为他们极度困惑于月球绕地球运转的同时地球还在绕太阳作周年运转的体系。4颗木卫发现之后,不但可以亲眼观测到它们在绕木星运动,就像月球绕地球运动一样,而且它们还与木星一起,以12年的周期绕太阳运动。木星及木卫系统就像一个小型的哥白尼模型,显然要比地月系统更具说服力,用著名科学史家伯纳德·科恩的话说,“如此便消解了反对哥白尼体系的一个主要理由。”这也正是伽利略发现木卫的意义所在。在近代天文学革命的洪流中,木卫的发现虽不复杂,却力重千钧。

反观甘德的发现,尽管时间上早了近2000年,但并未对我国和世界的天文学发展产生影响。原因可能与我国古代天文学的特点以及传统思维方式有关。我国古代的确留下了世所罕见、浩如烟海的天象记录,其中绝大多数天象记录用于军国星占,与代数式的历法计算体系相距较远。而在西方,很早就建立了较精细的几何式宇宙模型,天象记录能够较充分地与之互动。传统思维方面,我国古代重视经验积累、轻视理论总结,从长程历史看,未能把这些零散的资料形成具有内在联系的逻辑体系。比如著名的哈雷彗星,我国早在公元前613年便有对它的记载,此后历次不辍,但是始终未能认识到它们是同一颗彗星;而英国的哈雷,在万有引力理论的指导下利用3次记录数据便计算出了其轨迹,并预言了下一次的回归时间。

最后,我们总结下东西方就主要木卫发现的历史。我国战国时的甘德在公元前364年夏天用肉眼发现了木卫(三),同时注意到了木卫依附于木星的现象,时间之早、观察之细,值得称道。1610年,意大利的伽利略和德国的马里乌斯几乎同时用望远镜发现了4颗木卫,成为支持哥白尼日心说的有力武器,写就了近代天文学革命中的光辉篇章。

主要参考文献:

1、席泽宗,伽利略前两千年甘德对木卫的发现,《天体物理学报》1981年第2期

2、刘金沂,木卫的肉眼观测,《自然杂志》,1981年第7期

3、杨正宗、蒋世仰、郝象樑,肉眼观测木卫的实验检验,《科学通报》1982年第15期



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