从八层天到地动说

2．从八层天到地动说

亚里士多德在毕达哥拉斯学说的基础上，提出了自己的宇宙体系，他将地球放在宇宙的中心。据说亚里士多德也曾提出过地球在空间运行的想法，但在当时人们很难理解，若地球在空间运行，为什么我们感觉不到呢？为什么空气以及飞翔的鸟儿不落到后面去呢？亚里士多德的宇宙体系如图2-2所示，月亮、太阳以及五大行星分别固定在7个巨大透明球上，最外面还有一个恒星天球，8个透明球有各自不同的旋转运动。亚里士多德认为宇宙间充满一种特别的最轻的和最完善的元素——以太。在恒星天球之外，是属于上帝和贵族灵魂的住所。

图2-2　亚里士多德的宇宙结构

人们肉眼可以看到5颗行星，即水星、金星、火星、木星和土星。水星和金星总是出现在黎明时的东方或黄昏时的西方。火星、木星和土星的运行则十分复杂，有时亮，有时暗，有时顺行（由西向东），有时又逆行，有时还停留不动。古希腊科学家的思想中已经萌发一个概念，认为宇宙结构应该是和谐的，一些复杂的现象应该可以用一些简单的普遍适用的规律来解释。同样五大行星的运动也应该用一些简单的运动来解释。公元前2世纪托勒密提出了自己的宇宙体系，认为行星的运动是两个圆周运动的结合（见图2-3）。托勒密认为水星和金星的本轮中心永远处于地球到太阳的联线上，这样便解释了水星和金星永远出现在太阳附近的原因。他认为，火星、木星和土星的本轮中心可以在任何位置，但行星在本轮上的运动速度可以大于沿均轮的运动速度，所以这几个行星有逆行或者留。托勒密的宇宙体系在当时已较好地解释了行星的运动，同时也符合圣经上“上帝创造”世界的说法，“完善的天空”与“罪恶的大地”的说法也使教会欣欣于怀，从此托勒密的宇宙体系成为不可怀疑的学说。

图2-3　托勒密的宇宙结构

1000多年之后，对恒星和行星位置的观测精度已经大大提高。要想利用托勒密宇宙体系预报的行星位置与观测到的位置互相符合，已不得不采用更多的本轮和均轮，衰败的托勒密宇宙体系使具有进步思想的天文学家感到不满，他们认为托勒密体系既复杂又勉强。波兰天文学家哥白尼（1473—1543年）对行星运动进行了长时间的观测和研究，他认为：若将太阳放在宇宙的中心，让地球也像其他行星一样绕着太阳转，只有月亮是绕着地球转的，那么宇宙体系可以变得十分简单。哥白尼花了49年时间去测算校核修订他的学说，完成了《天体运动论》书稿，直到病重弥留之际，才见到此书的出版，哥白尼并不是提出日心说的第一人，远在公元前3世纪，阿里斯他卡斯已提出太阳是宇宙中心的观点。但是哥白尼首先详尽论述了日心说，以大量的观测事实证明了日心说的正确。哥白尼的日心说具有极大的意义，因为圣经上明白指出地是不动的，据此日心说是离经判道的邪说。日心说动摇了中世纪宗教神学的理论基础，从此自然科学开始从神学中解放出来。

图2-4　内行星的运动

图2-5　外行星的运动

不再须要均轮和本轮的假设，利用日心说可以很自然地解释内行星和外行星的运行。在图2-4和图2-5中，P₁、P₂、P₃和P₄表示行星的位置，T₁、T₂、T₃和T₄表示地球的位置。先看图2-4如何解释内行星的运动，在时刻t₁时，从地球上看不到行星P₁，因为行星正处于太阳后面，被称为上合日。在时刻t₂时，行星于黄昏出现，位置最高，称为东大距。到时刻t₃时成为下合，时刻t₄时，行星于清晨出现，称为西大距，以后又是上合……。再看图2-5中外行星的运动，在时刻t₁时，从地球上看行星与太阳是在一个方向上，称之为合。从t₁到t₂，行星顺行，但愈走愈慢，到t₂时刻行星停留不动，称之留，从t₂到t₄时刻，由于地球运行速度比外行星快，看起来外行星在天空中逆行，在t₃时刻行星距地球最近，称之为冲，在t₄时刻，行星又在天空停留不动，称为留，以后行星又是顺行，再到合……。利用哥白尼的日心说解释行星运动既简单又自然。