呂付國(guó)

人類(lèi)對(duì)天體運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過(guò)程，從肉眼到望遠(yuǎn)鏡，從感性到理性，從保守到包容，從表象到實(shí)證，從修補(bǔ)到推翻，從想象到真實(shí)，直到萬(wàn)有引力定律的建立，真實(shí)的空間觀經(jīng)歷兩千多年才露出真容。

1.遠(yuǎn)古宇宙觀“蓋天說(shuō)”

遠(yuǎn)古時(shí)代，人類(lèi)祖先站在洪荒漠野之上，從抬頭凝望日月星辰的那一刻，便再次停止對(duì)宇宙的探索。夜晚的滿(mǎn)天繁星如同一張巨網(wǎng)籠罩著大地，于是便有了“蓋天說(shuō)”，人們認(rèn)為地球是平的，天如一個(gè)碗倒扣在大地上，日月星辰遍布碗內(nèi)。

2.亞里士多德的“地心說(shuō)”

地球如果是平的，對(duì)所有人來(lái)說(shuō)日、月將在同一時(shí)間“升上”和“落下”，但這似乎并沒(méi)有發(fā)生。不同地方的觀察者觀測(cè)月食現(xiàn)象的時(shí)間并不相同，人們發(fā)現(xiàn)這個(gè)時(shí)間差異與不同地點(diǎn)間的距離成比例，因此可以合理地認(rèn)為地球表面是球形的，且保持一致的曲率可以保證地球表面每一部分都按比例地跟隨地球運(yùn)動(dòng)。公元前4世紀(jì)，亞里士多德（公元前384-公元前322）創(chuàng)立了“地心說(shuō)”。他認(rèn)為，地球位于宇宙中心，日月星辰不斷繞地球運(yùn)行，天體沿正圓軌道以統(tǒng)一不變的速率運(yùn)動(dòng)是出于對(duì)完美神明進(jìn)行模仿的渴望，天體到地球距離永遠(yuǎn)保持不變，所有天體順著一個(gè)方向運(yùn)行。

3.托勒密的“周轉(zhuǎn)圓-均輪體系”

天體亮度的變化說(shuō)明太陽(yáng)、月亮、金星等離地球的距離是不斷變化的，而且行星有時(shí)會(huì)逆行。為了解釋這些現(xiàn)象，希臘的阿波羅尼阿斯開(kāi)始“設(shè)計(jì)”偏心輪模型，認(rèn)為地球不一定在某些天體圓軌道中心而在其一旁，至于逆行現(xiàn)象，他提出了天體運(yùn)行的“周轉(zhuǎn)圓-均輪”結(jié)構(gòu)，天體獨(dú)自做圓周運(yùn)動(dòng)，圓周的中心又在另一個(gè)以地球?yàn)橹行牡膱A周上運(yùn)行，前者為“周轉(zhuǎn)圓”，后者為“均輪”。這一構(gòu)想最終經(jīng)希臘天文學(xué)家托勒密（90-168）完善后發(fā)表在《至大論》上，后逐漸被天主教、基督教和伊斯蘭教接納為世界觀的正統(tǒng)理論，因?yàn)樗芎芎玫亟忉尞?dāng)時(shí)天體的觀測(cè)結(jié)果，一直被沿用到16世紀(jì)。

4.哥白尼的“日心說(shuō)”

隨著觀測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，諸多觀測(cè)結(jié)果與托勒密的“周轉(zhuǎn)圓-均輪體系”理論的偏差越來(lái)越大。人們?yōu)榱私忉屵@些偏差，開(kāi)始在原有的周轉(zhuǎn)圓上增加“次要周轉(zhuǎn)圓”，這種辦法起初還能勉強(qiáng)應(yīng)付，到后來(lái)小本輪越來(lái)越多，使天體模型復(fù)雜得像一團(tuán)毛線(xiàn)球，繁重的計(jì)算使人們開(kāi)始懷疑地心說(shuō)的正確性。

在16世紀(jì)，尼古拉·哥白尼（1473-1543）發(fā)展出了另一個(gè)關(guān)于宇宙的理論，他把托勒密“周轉(zhuǎn)圓-均輪體系”中的地球與太陽(yáng)的位置互換，提出了著名的“日心說(shuō)”。出于對(duì)教會(huì)迫害的顧慮，哥白尼直到68歲才下定決心將《天體運(yùn)行論》出版，書(shū)中第一句話(huà)是：“圣明的教皇，我常常在想，一旦我將這本關(guān)于宇宙中天體運(yùn)動(dòng)的書(shū)公諸于眾，有多少人會(huì)因我對(duì)地球運(yùn)行軌跡的解釋而氣急敗壞，進(jìn)而揚(yáng)言將我和我的學(xué)說(shuō)送回地獄?！焙髞?lái)天文學(xué)家以哥白尼理論為基礎(chǔ)重新編排了一套天文學(xué)表格供人們使用，讓哥白尼體系廣為人們所知、所曉、所讀，并成為歐洲各大學(xué)中廣泛教授的課程。

哥白尼提出“日心說(shuō)”的世界觀，在當(dāng)時(shí)社會(huì)上激起軒然大波，沉重地打擊了封建教會(huì)的神權(quán)統(tǒng)治，同時(shí)也激發(fā)了一群具有科學(xué)創(chuàng)造意識(shí)的天文學(xué)家們的研究熱情，“日心說(shuō)”是萬(wàn)有引力定律建立的開(kāi)端。

5.第谷體系

1576年，第谷·布拉赫（1546-1601）在丹麥國(guó)王腓特烈二世的資助下建立了“觀天堡”天文臺(tái)，第谷在這里進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)20余年的觀測(cè)（月球、恒星、行星、彗星），為天文學(xué)提供了珍貴且準(zhǔn)確到超乎尋常的觀測(cè)數(shù)據(jù)。與當(dāng)時(shí)大多數(shù)天文學(xué)家相同，第谷非常熟悉托勒密體系和哥白尼體系，面對(duì)“地心說(shuō)”和“日心說(shuō)”第谷提供了一個(gè)可行的妥協(xié)方案，保留了兩者的優(yōu)勢(shì)。他沒(méi)有建構(gòu)新的理論，沒(méi)有引入新的內(nèi)容，他對(duì)人們已熟知的內(nèi)容進(jìn)行重新編排。他說(shuō)地球是靜止的，而且是宇宙的中心，月球和太陽(yáng)圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，但是其它行星圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)。

6.開(kāi)普勒體系

開(kāi)普勒（1571-1630）來(lái)到“觀天堡”天文臺(tái)不到兩年第谷就去世了。開(kāi)普勒用第谷的觀測(cè)結(jié)果（特別是火星數(shù)據(jù)）去一一驗(yàn)證托勒密體系、哥白尼體系和第谷的折衷體系。遺憾的是，第谷的觀測(cè)結(jié)果與三個(gè)學(xué)說(shuō)都不符合，但他堅(jiān)信第谷的觀測(cè)數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的，這股信念讓他摒棄了舊體系中兩個(gè)關(guān)鍵的概念性事實(shí)，即正圓事實(shí)和勻速圓周運(yùn)動(dòng)事實(shí)。開(kāi)普勒發(fā)現(xiàn)行星以變化的速率沿橢圓軌道圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的模型可以完美地解釋火星的數(shù)據(jù)。1609年開(kāi)普勒發(fā)表了火星以變化的速率沿橢圓軌道運(yùn)行的觀點(diǎn)，并隨之?dāng)U展到了其它行星，并以此為基礎(chǔ)他提出了行星運(yùn)動(dòng)的三大規(guī)律：“行星圍繞太陽(yáng)沿橢圓軌道運(yùn)轉(zhuǎn)，太陽(yáng)占據(jù)橢圓軌道兩個(gè)焦點(diǎn)之一的位置;在同等的時(shí)間內(nèi)，行星和太陽(yáng)的連線(xiàn)在其軌道平面上所掃過(guò)的面積相等;行星公轉(zhuǎn)周期的平方與它同太陽(yáng)距離的立方成正比”。開(kāi)普勒三定律，為引力問(wèn)題的研究奠定了直接基礎(chǔ)。他一方面揭示了行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，另一方面引出了新的問(wèn)題：行星為什么要這樣運(yùn)動(dòng)？開(kāi)普勒認(rèn)為是從太陽(yáng)上發(fā)出的一種不可見(jiàn)、無(wú)實(shí)體、并隨著太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)的磁力連接到行星，從而“推著”行星運(yùn)動(dòng)。

7.牛頓的終極論證

1665年，22歲的牛頓（1643-1727）開(kāi)始研究引力問(wèn)題，他從伽利略對(duì)拋體運(yùn)動(dòng)的研究結(jié)論中得到啟發(fā)，當(dāng)平拋的初速度越大時(shí)，物體的水平位移就越大，如果在高山上以足夠大的初速度拋出一個(gè)物體，它將永遠(yuǎn)不會(huì)落到地面。牛頓推想，如果在月球等高處釋放一個(gè)物體，會(huì)和從一棵蘋(píng)果樹(shù)上掉落的一個(gè)蘋(píng)果一樣落到地面，那么地球表面物體的運(yùn)動(dòng)與天上月球運(yùn)動(dòng)遵守的規(guī)律應(yīng)該是一致的。

牛頓與弗萊姆斯蒂德在討論1680年末出現(xiàn)的慧星時(shí)表示：“我能夠容易地理解到，在太陽(yáng)的中心確實(shí)存在著能夠保持行星運(yùn)行在它們軌道之中而不是沿著切線(xiàn)方向離開(kāi)的吸引力?！迸ｎD可以證明所有的衛(wèi)星在一個(gè)力的作用下離開(kāi)了直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)入繞著一個(gè)中心的運(yùn)行軌道?，F(xiàn)以月球繞地球?yàn)槔?，月球的運(yùn)行周期是27天7小時(shí)43分鐘，地球的周長(zhǎng)為123249600巴黎呎，“如果讓一個(gè)保證月球在其軌道上運(yùn)行的力在我們的區(qū)域里作用于一個(gè)下落過(guò)程中的物體，那么這個(gè)物體一秒鐘應(yīng)該降落15英尺1寸零1/12寸?！?由此，牛頓提出重力是普遍存在的，宇宙中所有微粒都吸引著其它的微粒，“存在一個(gè)作用力把物體拉向地球的中心，這個(gè)力同時(shí)延伸到月球，它拉動(dòng)月球就像它牽引一個(gè)蘋(píng)果那樣?！?/p>

1678年到1679年，羅伯特·胡克、哈雷、雷恩等人，根據(jù)開(kāi)普勒第三定律和惠更斯離心力定律，推導(dǎo)出如果把行星的橢圓軌道看作圓形，則行星受到的向心力和距離的平方成反比，但他們都無(wú)法證明行星沿橢圓軌道運(yùn)行時(shí)受到的吸引力也遵循平方反比關(guān)系，最終牛頓用自己獨(dú)創(chuàng)的微積分和他對(duì)行星行動(dòng)的理解完成這項(xiàng)證明。

1685年牛頓完整的確立并公布了萬(wàn)有引力定律：F=G0m1×m2r2，m1×m2是兩物體質(zhì)量的乘積，r是二者間的距離，G0是萬(wàn)有引力常量。時(shí)隔百年之后，1789年英國(guó)物理學(xué)家卡文迪許用“扭稱(chēng)實(shí)驗(yàn)”第一次測(cè)得準(zhǔn)確的引力常量G0=6.754×10-11N·m2/kg2。

牛頓在伽利略、笛卡爾、開(kāi)普勒、胡克、惠更斯等人研究的基礎(chǔ)上，采用歸納與演繹、綜合與分析的方法，總結(jié)出以牛頓運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律為核心的力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立了完整的經(jīng)典力學(xué)體系，物理學(xué)從此成為一門(mén)成熟的自然科學(xué)。

責(zé)任編輯 邱麗