《從哥白尼到開(kāi)普勒》PPT課件.ppt

《《從哥白尼到開(kāi)普勒》PPT課件.ppt》由會(huì)員分享，可在線(xiàn)閱讀，更多相關(guān)《《從哥白尼到開(kāi)普勒》PPT課件.ppt（82頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、武際可:科技史選講之四,1,從哥白尼到開(kāi)普勒,武際可:科技史選講之四,2,夫天文者，朝廷之實(shí)政、儒者之實(shí)學(xué)，非比一人一事，可以掉三寸之舌、立地雌黃、灑筆端之墨，依稀形似者也。此其道在于測(cè)驗(yàn)。 南懷仁：不得已辨 丁福保等，四部總錄算法編，商務(wù)印書(shū)館，1957年，補(bǔ)遺，第46頁(yè),武際可:科技史選講之四,3,古希臘人的天文學(xué)和托勒密系統(tǒng) 尼古拉哥白尼及其貢獻(xiàn) 開(kāi)普勒的行星運(yùn)動(dòng)三大定律,武際可:科技史選講之四,4,1 古希臘人的天文學(xué)和托勒密系統(tǒng),天文學(xué)作為自然科學(xué)最早的學(xué)科，它的任務(wù)主要是描述、記載和觀測(cè)天體的運(yùn)動(dòng)。也可以說(shuō)，主要是天體這種特殊物體的運(yùn)動(dòng)學(xué)。近代精密力學(xué)的最早萌芽即是從天文

2、學(xué)開(kāi)始的。,武際可:科技史選講之四,5,11 天體的視運(yùn)動(dòng),從遠(yuǎn)古起，人類(lèi)就注意并觀察日、月、星辰的運(yùn)動(dòng)和變化。世界各民族都是這樣。所觀察到的這些變化大致可以歸納如下：,武際可:科技史選講之四,6,天球每一晝夜旋轉(zhuǎn)一周，天上的恒星相對(duì)位置不變。天球旋轉(zhuǎn)軸的北極在北極星附近。一切天體都參加天球的周日運(yùn)動(dòng)。方向從東向西。 太陽(yáng)在天球上每日由西向東約1，365.24天運(yùn)行一周，其軌跡稱(chēng)為黃道。太陽(yáng)運(yùn)行的速度夏季比冬季慢，如在6月1日到6月30日運(yùn)行了27.5，而在12月1日到12月30日運(yùn)行了29.5。將周日運(yùn)動(dòng)星圖上與北極星呈90的星連起來(lái)，稱(chēng)為赤道。黃道和赤道交角為23.5。,武際可:科技史選講

3、之四,7,武際可:科技史選講之四,8,2002年2月的星圖,武際可:科技史選講之四,9,武際可:科技史選講之四,10,武際可:科技史選講之四,11,太陽(yáng)(金烏）,武際可:科技史選講之四,12,月亮由西向東運(yùn)行一周時(shí)間為27.3日（即每日運(yùn)行1213）每周運(yùn)行約90。朔（月亮暗的時(shí)候）、望（月亮圓的時(shí)候）周期（與運(yùn)行周期不同）為29.5306日。如果仔細(xì)觀察可發(fā)現(xiàn)月亮在天空中的運(yùn)行不是等速的。 除了太陽(yáng)與月亮之外，古代人們把位置變化的星稱(chēng)為行星，肉眼能看見(jiàn)的行星有5個(gè)，即：金星（太白）、木星（歲星）、水星（晨星）、火星（熒惑）、土星（鎮(zhèn)星或填星）。它們的運(yùn)行規(guī)律各不相同，分別描述如表。,武際可:

4、科技史選講之四,13,月亮(玉兔）,武際可:科技史選講之四,14,武際可:科技史選講之四,15,武際可:科技史選講之四,16,水星(晨星),武際可:科技史選講之四,17,金星(太白),武際可:科技史選講之四,18,地球,武際可:科技史選講之四,19,火星(熒惑),武際可:科技史選講之四,20,木星(歲星),武際可:科技史選講之四,21,土星(鎮(zhèn)星,填星),武際可:科技史選講之四,22,5大行星運(yùn)行規(guī)律，從表中可發(fā)現(xiàn)，前2個(gè)和后3個(gè)不同，前者稱(chēng)為內(nèi)行星，后者稱(chēng)為外行星。,武際可:科技史選講之四,23,武際可:科技史選講之四,24,在這些復(fù)雜的星球運(yùn)行圖上，最早天文學(xué)的任務(wù)在于：,1盡量準(zhǔn)確的地確

5、定太陽(yáng)、月亮與五大行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律； 2預(yù)言它們以后的位置； 3討論它們可能的真實(shí)運(yùn)動(dòng)圖形。 這些一直是17世紀(jì)之前天文學(xué)追求的 目標(biāo)。,武際可:科技史選講之四,25,12 在托勒密以前古希臘天文學(xué)的成就,圖2 阿里斯塔恰斯測(cè)日月距離比的示意圖,武際可:科技史選講之四,26,古希臘在托勒密之前的天文學(xué)已經(jīng)相當(dāng)發(fā)達(dá)，資料也已相當(dāng)多。 畢達(dá)哥拉斯提出地球是球形的見(jiàn)解并給出了論證。提出天球是多個(gè)透明球的見(jiàn)解，這些球帶著5大行星旋轉(zhuǎn)。 阿里斯塔恰斯（Aristarchus,310-230BC）第一個(gè)嘗試測(cè)量太陽(yáng)、月亮的大小及其與地球的距離。他知道月亮反光，如以三角形EMS中，E為地球、M為月亮、S

6、為太陽(yáng)，當(dāng)正好為半月時(shí)，角M為直角，測(cè)得角E的值為87（準(zhǔn)確值為89.87），由此估出太陽(yáng)與月亮的距離的比值為1820（準(zhǔn)確值是346）。他的這個(gè)測(cè)量月亮、太陽(yáng)距離之比的簡(jiǎn)單方法一直被天文界使用到15世紀(jì)。他第一個(gè)提出過(guò)日心說(shuō)。,武際可:科技史選講之四,27,阿波羅尼對(duì)行星運(yùn)動(dòng)提出均輪（deferent 即行星勻速地繞地球運(yùn)動(dòng)的圓形軌道）與本輪（epicycle即行星以勻速繞均輪上勻速運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的又一種圓周運(yùn)動(dòng)）的方案。根據(jù)這一方案可以正確解釋行星的。 伊巴谷(Hiparchus,?-126BC)測(cè)得四季長(zhǎng)短不等、一年為365.25日。他還得到月亮的距離，他將太陽(yáng)、月亮運(yùn)動(dòng)編制了精密的表，用以推算

7、日月食。他發(fā)現(xiàn)了歲差，即黃道和赤道之間的交點(diǎn)在緩慢地改變，每年為46.8（現(xiàn)今為48）。他編制了星圖、發(fā)明了球面三角學(xué)。他曾被稱(chēng)為天文學(xué)之父，是古代在有成就的天文學(xué)家逆行。,武際可:科技史選講之四,28,13 托勒密的天文學(xué)成就,托勒密（Ptolemy,?120年）系統(tǒng)整理了伊巴谷的工作，并且進(jìn)一步發(fā)展后完成了著作大匯編，這就是后人所說(shuō)的托勒密體系。這個(gè)體系在后來(lái)由于被認(rèn)為符合基督教的教義，被看作一成不變的教條，統(tǒng)治了天文學(xué)達(dá)1000多年。 托勒密的觀察很精細(xì)，而且制造過(guò)不少好的天文儀器，他發(fā)現(xiàn)了天球北極的易位，即歲差現(xiàn)象。他還發(fā)現(xiàn)了星球在近地平線(xiàn)時(shí)的快速升高，即光折射的影響。,武際可:科技史

8、選講之四,29,托勒密的觀察很精細(xì)，而且制造過(guò)不少好的天文儀器，他發(fā)現(xiàn)了天球北極的易位，即歲差現(xiàn)象。他還發(fā)現(xiàn)了星球在近地平線(xiàn)時(shí)的快速升高，即光折射的影響。 托勒密的系統(tǒng)是： 地球處于天球的中心； 各行星與日、月繞地球作等速圓周運(yùn)動(dòng)，而且還進(jìn)行沿著繞自己平均位置為中心的小圓（本輪）作等速運(yùn)動(dòng)。對(duì)行星的軌道圓來(lái)說(shuō)，地球的位置是偏心的； 星空是一個(gè)以地球?yàn)橹行牡?4小時(shí)旋轉(zhuǎn)一周的球體。,武際可:科技史選講之四,30,托勒密地心說(shuō)系統(tǒng)圖,武際可:科技史選講之四,31,武際可:科技史選講之四,32,武際可:科技史選講之四,33,武際可:科技史選講之四,34,,托勒密的系統(tǒng)建立后，被人們普遍認(rèn)可，

9、被宗教統(tǒng)治者定為天經(jīng)地義一成不變的真理。經(jīng)過(guò)了一千多年，到16世紀(jì)由哥白尼開(kāi)始的天文學(xué)革命打破了整個(gè)人類(lèi)追求知識(shí)的長(zhǎng)期沉寂。這個(gè)重大時(shí)代變革的時(shí)代背景是：,武際可:科技史選講之四,35,從14世紀(jì)末開(kāi)始的歐洲文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)，使整個(gè)人類(lèi)社會(huì)充滿(mǎn)了新的創(chuàng)造精神。在天文、數(shù)學(xué)、地理、化學(xué)、航海、文藝、宗教改革、印刷術(shù)，各方面都提出新的思想，產(chǎn)生了一大批巨人。 托勒密的地心說(shuō)體系，愈來(lái)愈與觀測(cè)資料表現(xiàn)出矛盾。特別是對(duì)行星的視運(yùn)動(dòng)，均輪、本輪系統(tǒng)越來(lái)越不能說(shuō)明運(yùn)動(dòng)軌跡。為了彌合這種誤差，不得不增加本輪，最后競(jìng)多達(dá)80多個(gè)。雖然運(yùn)算麻煩仍然無(wú)法達(dá)到與觀測(cè)的統(tǒng)一。哥白尼認(rèn)為“天空具有超越一切的完美性?！奔热惶?/p>

10、體宇宙是上帝的創(chuàng)造，而上帝是萬(wàn)能智慧的，絕不會(huì)造出這種連人都覺(jué)得不美、不和諧的系統(tǒng)。追求一種新的宇宙模式自然是勢(shì)所必然的。,武際可:科技史選講之四,36,2 尼古拉哥白尼及其貢獻(xiàn),21 哥白尼的生平簡(jiǎn)歷 尼古拉哥白尼（Nicholas Copernicus,14731543）出生于波蘭的普魯士地區(qū)，10歲時(shí)他父親去世，由他舅父撫養(yǎng)長(zhǎng)大。他的舅父是這個(gè)地區(qū)的主教，在當(dāng)時(shí)政教合一的西方，實(shí)際上是這個(gè)地區(qū)的最高統(tǒng)治者。,武際可:科技史選講之四,37,武際可:科技史選講之四,38,武際可:科技史選講之四,39,中世紀(jì)后，在認(rèn)識(shí)論上有很大的進(jìn)步，英國(guó)教士培根（Roger Bacon,?1250）最早喊出

11、號(hào)召實(shí)驗(yàn)與觀察，“看看這世界”，“結(jié)束教條和權(quán)威的統(tǒng)治”的口號(hào)。這種思想為廣大學(xué)者所贊同，從而逐漸跳出中世紀(jì)以純思辨作為真理標(biāo)準(zhǔn)的方法論的約束。正是在這些背景下，新的天文學(xué)才得以誕生。,武際可:科技史選講之四,40,從幼年到青年時(shí)期他在當(dāng)?shù)厍髮W(xué)，除了學(xué)習(xí)古典著作以外，還研究天文學(xué)，并且學(xué)會(huì)了使用簡(jiǎn)單的天文儀器。之后，他的舅父本來(lái)想培養(yǎng)他成為教職人員，所以送他到意大利游學(xué)，在那里他學(xué)習(xí)了教會(huì)法律、希臘文，并且得到了博士學(xué)位。在意大利，他繼續(xù)對(duì)天文學(xué)保持濃厚的興趣，除了閱讀拉丁文的天文著作之外，他還學(xué)會(huì)閱讀希臘文的天文著作。他26歲時(shí)，來(lái)到羅馬，在那里教授天文學(xué)與數(shù)學(xué)。后來(lái)又學(xué)習(xí)了兩年醫(yī)學(xué)。,武際

12、可:科技史選講之四,41,哥白尼在30歲時(shí)回到波蘭，那時(shí)他舅父在一個(gè)大教堂里當(dāng)教士，他也就在舅父的教堂里當(dāng)一名博學(xué)教士。此后他就一直在那里工作到去世。在教堂里，他的任務(wù)是記帳、看病等教堂事務(wù)，在余下的時(shí)間就去思考他的宇宙模式。 1512年，他的舅父去世了，他繼續(xù)在那里工作，并且在教堂附近的平臺(tái)上安裝了一些簡(jiǎn)陋的天文儀器，以供他觀察之用。 哥白尼最大的貢獻(xiàn)是他積數(shù)十年如一日撰寫(xiě)的著作天體運(yùn)行論，這本書(shū)提出了日心說(shuō)，從而結(jié)束了一千多年的地心說(shuō)的統(tǒng)治。,武際可:科技史選講之四,42,天體運(yùn)行論定稿之后，一直未付印，因?yàn)樗庾R(shí)到他的體系與教會(huì)所提倡的地心說(shuō)是根本對(duì)立的，必為教會(huì)所不容，所以躊躇再三。

13、1539年，有一位名叫雷蒂庫(kù)斯（G. J. Rheticus, 15141574）的青年數(shù)學(xué)家專(zhuān)程到波蘭拜訪哥白尼，在兩年之中學(xué)會(huì)了哥白尼的學(xué)說(shuō)，成為哥白尼的熱烈的擁護(hù)者和親密的朋友。雷蒂庫(kù)斯寫(xiě)了一篇天體運(yùn)行論淺說(shuō)，這篇文章是以寫(xiě)信的方式介紹了天體運(yùn)行論的基本要點(diǎn)。文中對(duì)這本書(shū)贊美備至，但未提作者的名字，稱(chēng)作者為“托倫的神父”。大約在15401541年間，這篇文章以單行本的形式出版了，并且引起了社會(huì)上強(qiáng)烈的反響。,武際可:科技史選講之四,43,在唯一的學(xué)生雷蒂庫(kù)斯與其他朋友的極力勸說(shuō)之下，哥白尼終于同意出版天體運(yùn)行論了，雷蒂庫(kù)斯以極大的熱情幫他繕寫(xiě)手稿并且以這本書(shū)的編輯的身份前往紐倫堡聯(lián)系出版

14、事宜。在紐倫堡，雷蒂庫(kù)斯收到了哥白尼補(bǔ)寫(xiě)的將此書(shū)獻(xiàn)給教皇保羅三世的獻(xiàn)詞。這份獻(xiàn)詞的目的是向教皇闡述此書(shū)絕無(wú)褻瀆之意，以求得教皇的諒解和庇護(hù)。在獻(xiàn)詞中，哥白尼提到他出版這本書(shū)的憂(yōu)慮是怎樣被他的一些好友消除的，但是，由于疏忽，哥白尼沒(méi)有一處提到雷蒂庫(kù)斯。也許是由此引起雷蒂庫(kù)斯的不快，從而喪失了對(duì)出版此書(shū)的熱情，并放棄了此書(shū)的編輯工作，轉(zhuǎn)由紐倫堡的出版商奧賽安德?tīng)枺ˋ.Osiander, 14981552）繼續(xù)。,武際可:科技史選講之四,44,奧賽安德?tīng)枮榱舜藭?shū)能安全發(fā)行，擅自增加了一篇關(guān)于本書(shū)的假說(shuō)告讀者的未加署名的前言，大意說(shuō)書(shū)中的理論并不代表行星在空間的真實(shí)運(yùn)動(dòng)，而是為編算星表、預(yù)推行星位置的

15、一種人為的設(shè)計(jì)。當(dāng)時(shí)哥白尼已經(jīng)身患重病，無(wú)力反對(duì)這篇前言。后來(lái)這篇前言一直被當(dāng)作哥白尼的親筆，多次出版都被保留在書(shū)中。直到上一世紀(jì)中葉，有人在布拉格的圖書(shū)館里發(fā)現(xiàn)了天體運(yùn)行論的原稿才搞清楚，在以后再版時(shí)將它刪去了。1543年5月24日哥白尼收到剛印好、飄著油墨香味的天體運(yùn)行論的樣書(shū)時(shí)，已經(jīng)不能說(shuō)話(huà)了，不久，他便離開(kāi)了人世。,武際可:科技史選講之四,45,天體運(yùn)行論1543年版,武際可:科技史選講之四,46,22 天體運(yùn)行論的要點(diǎn),在天體運(yùn)行論中哥白尼以有力的證據(jù)論證了日心說(shuō)。盡管早在古希臘已經(jīng)有一些學(xué)者主張日心說(shuō)，如阿里斯塔恰斯等，但由于論據(jù)不夠充分，模型又粗糙，所以流傳不廣，沒(méi)有得到廣泛的注

16、意。天體運(yùn)行論共分六卷，討論了太陽(yáng)、月亮、行星等天體在天球上的視運(yùn)動(dòng)，給出了從日心說(shuō)模型出發(fā)用球面三角學(xué)去計(jì)算這些視運(yùn)動(dòng)的方法。由于哥白尼認(rèn)真分析了托勒密系統(tǒng)的矛盾，分析了大量觀測(cè)數(shù)據(jù)，又進(jìn)行了大量的計(jì)算，所以終于獲得世人的公認(rèn)。由于書(shū)中用了大量的幾何知識(shí)，所以書(shū)的初版廣告中有一句話(huà)：“沒(méi)有學(xué)過(guò)幾何的人，不準(zhǔn)入內(nèi)?！?武際可:科技史選講之四,47,哥白尼日心說(shuō)圖,武際可:科技史選講之四,48,武際可:科技史選講之四,49,武際可:科技史選講之四,50,日心說(shuō)的要點(diǎn)是：,宇宙是一個(gè)球體，太陽(yáng)是它的中心； 所有的行星包括地球都繞太陽(yáng)同向運(yùn)動(dòng)，軌道都是圓，且大致在同一平面附近； 由行星到太陽(yáng)的距離遠(yuǎn)

17、近排列，順序?yàn)樗?、金星、地球、火星、木星、土星?月亮繞地球作圓運(yùn)動(dòng)。,武際可:科技史選講之四,51,哥白尼還給出了各行星與太陽(yáng)的距離表，表中的數(shù)據(jù)與今測(cè)值除土星誤差稍大外其余都很準(zhǔn)。,武際可:科技史選講之四,52,根據(jù)這個(gè)學(xué)說(shuō)，哥白尼可以解釋托勒密地心說(shuō)可以解釋的所有現(xiàn)象，同時(shí)又可以解釋托勒密所不能解釋的現(xiàn)象。 首先，哥白尼的日心說(shuō)正確解釋了太陽(yáng)的周年軌道與月亮的月軌道，這些軌道是在地球與月亮運(yùn)動(dòng)時(shí)，從地球上在恒星背景上看到的太陽(yáng)與月亮的視運(yùn)動(dòng)。 其次，托勒密學(xué)說(shuō)最為成功的是解釋行星的運(yùn)動(dòng)。按照哥白尼的學(xué)說(shuō)，則很容易說(shuō)明。,武際可:科技史選講之四,53,對(duì)于水星、金星這兩個(gè)內(nèi)行星來(lái)說(shuō)，由圖

18、2看出水星的軌道圓小，金星的軌道圓大，所以這就是為什么它們分別在太陽(yáng)附近與太陽(yáng)S成大小不同的角度在運(yùn)行，而與太陽(yáng)所夾的角度在周期性的變化。,武際可:科技史選講之四,54,對(duì)于火星、木星、土星這三個(gè)外行星，哥白尼順利的解釋了它們的“順行”和“逆行”現(xiàn)象。以火星M為例，它的順行和逆行如圖3。,武際可:科技史選講之四,55,武際可:科技史選講之四,56,最后，哥白尼根據(jù)觀測(cè)的結(jié)果，計(jì)算了各行星的實(shí)際運(yùn)行周期。,由于地球的周期為365.25日，對(duì)于內(nèi)行星而言，如圖4他取連續(xù)兩次在太陽(yáng)同一側(cè)的最大角度。如對(duì)于水星來(lái)說(shuō)，在圖上 為水星連續(xù)兩次在太陽(yáng)同一側(cè)最大角度的位置， 為在這兩個(gè)時(shí)刻地球的位置，S

19、為太陽(yáng)，則有 0.39由此可以求出太陽(yáng)與水星的距離。又由實(shí)測(cè)得水星在太陽(yáng)周?chē)晹[動(dòng)周期為116日，在這段時(shí)間中，地球走了它的軌道的 ，而水星應(yīng)當(dāng)走 ，由此可以由簡(jiǎn)單的比例關(guān)系計(jì)算水星的實(shí)際周期T。即由 ,可以計(jì)算得 T88日。,,,,,,武際可:科技史選講之四,57,根據(jù)同樣的道理可以計(jì)算得金星軌道半徑為0.72，周期為225日。 對(duì)于外行星，例如對(duì)火星來(lái)說(shuō)，如圖5觀測(cè)它連續(xù)兩次“沖”。所謂“沖”，是太陽(yáng)、地球、火星在一直線(xiàn)上的時(shí)刻，從地球上觀測(cè)，當(dāng)?shù)厍蛲?yáng)S和地球E同火星M正好夾角是時(shí)，就是“沖”。實(shí)際觀測(cè)結(jié)果是，每780日火星沖一次，外行星運(yùn)動(dòng)周期比地球?yàn)殚L(zhǎng)，

20、這相當(dāng)于地球走 過(guò)了，而火星走過(guò)了 。故可以算得火星的周期 日（因?yàn)? ）。,,,,,武際可:科技史選講之四,58,同理，可以算得木星的實(shí)際周期為12年，土星的實(shí)際周期為29.5年。它們同太陽(yáng)的距離相應(yīng)地為：火星為1.5、木星為5.2、土星為9.5。 總之，哥白尼不用托勒密的本輪，便可以順利解釋行星的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡。 哥白尼的理論雖然可以解釋許多事情，但仍有與觀測(cè)不一致的地方。特別是對(duì)于月亮運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，他對(duì)月亮運(yùn)動(dòng)的描述仍不能令人滿(mǎn)意。,武際可:科技史選講之四,59,23 哥白尼學(xué)說(shuō)的影響,哥白尼系統(tǒng)是天文學(xué)上的一場(chǎng)革命。它標(biāo)志著科學(xué)脫離宗教的枷鎖而宣告獨(dú)立。在哥

21、白尼時(shí)代，知識(shí)還沒(méi)有如現(xiàn)在劃分為許多分支學(xué)科。哥白尼的學(xué)說(shuō)推翻了那些一千多年來(lái)被認(rèn)為是金科玉律的東西，從而也動(dòng)搖了那個(gè)時(shí)代的知識(shí)觀。哥白尼宣布新體系，意味著對(duì)宗教維護(hù)的托勒密系統(tǒng)的公開(kāi)蔑視，意味著蔑視宗教的權(quán)威。,武際可:科技史選講之四,60,由于哥白尼學(xué)說(shuō)的迅速傳播，引起了天主教的恐慌。意大利的哲學(xué)家、數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家布魯諾（G.Bruno,15481600）由于蔑視教規(guī)，閱讀當(dāng)時(shí)的進(jìn)步書(shū)籍，被教會(huì)視為異端，他是哥白尼狂熱的信奉者與宣傳者。不僅如此他還進(jìn)一步發(fā)展了哥白尼的學(xué)說(shuō)。1576年，英國(guó)一位學(xué)者出版了一部名為天體軌道完美的描述的書(shū)。書(shū)中宣傳了哥白尼學(xué)說(shuō)，并且在說(shuō)明中，去掉了哥白尼系統(tǒng)中

22、的“恒星天”。,武際可:科技史選講之四,61,這給布魯諾以很大的啟發(fā)，使布魯諾發(fā)展了宇宙無(wú)限的思想。1584年布魯諾出版了論無(wú)限宇宙和世界一書(shū)，書(shū)中指出“宇宙是無(wú)限大的，其中的各個(gè)世界是無(wú)數(shù)的?！彼J(rèn)為恒星都是太陽(yáng)，太陽(yáng)是一顆普通的恒星，不是宇宙的中心。這是對(duì)哥白尼學(xué)說(shuō)的重大發(fā)展。他的這些觀點(diǎn)和活動(dòng)為教會(huì)所不容，1591年遭到逮捕，經(jīng)過(guò)8年的監(jiān)禁，布魯諾毫不屈服，最后于1600年2月17日被焚死在羅馬的百花廣場(chǎng)。 1616年天主教宣布哥白尼學(xué)說(shuō)是一種邪說(shuō)予以禁止。直到1830年才悄悄地開(kāi)禁。從禁止到開(kāi)禁的這200多年中，日心說(shuō)歷經(jīng)了血與火的斗爭(zhēng)，終于取得了勝利。,武際可:科技史選講之四,62,

23、布魯諾G.Bruno15481600,武際可:科技史選講之四,63,3 開(kāi)普勒的行星運(yùn)動(dòng)三大定律,哥白尼的學(xué)說(shuō)雖然使天文學(xué)起了革命性的變化，為太陽(yáng)系各行星的運(yùn)動(dòng)畫(huà)出了一幅正確的圖像。但這還僅僅是定性的，在定量上還存在許多問(wèn)題。隨著觀測(cè)資料的積累，哥白尼系統(tǒng)表現(xiàn)出的誤差越來(lái)越明顯。大約在1600年前后，根據(jù)哥白尼學(xué)說(shuō)編制的行星運(yùn)行表的預(yù)測(cè)值的誤差達(dá)到了。這樣大的誤差表明哥白尼的理論還不完善。事實(shí)上，在哥白尼的學(xué)說(shuō)中還保留了行星運(yùn)動(dòng)軌道是圓形的古代觀點(diǎn)。這種在一切運(yùn)動(dòng)中圓運(yùn)動(dòng)最和諧、最美的觀點(diǎn)正好是亞里斯多德學(xué)說(shuō)關(guān)于運(yùn)動(dòng)的核心。為了進(jìn)一步發(fā)展日心說(shuō)，為了編制更為精確的星圖，還需要更好的觀測(cè)、更深入

24、的理論思考。而這些便落在哥白尼的后來(lái)人身上了。,武際可:科技史選講之四,64,31 第谷的觀測(cè)工作,第谷布拉赫(Tycho Brahe,15461601)出身于丹麥的貴族，自幼酷愛(ài)天文學(xué)。由于1572年有一顆“新星”（超新星）促使他編制星表并獻(xiàn)身于天文觀測(cè)工作。 從1576年開(kāi)始，他靠丹麥王腓特立二世資助，在赫芬島上建立了一所大的天文臺(tái)，稱(chēng)為觀天堡。他擁有當(dāng)時(shí)最精密的天文觀測(cè)儀器。在那里他一直工作到1599年。在丹麥國(guó)王死后，他不得不逃往布拉格，受聘為布拉格的奧國(guó)御前天文學(xué)家，直到1601年逝世。 他對(duì)天文學(xué)上最重要的貢獻(xiàn)是： 他在理論上并不是哥白尼的擁護(hù)者。,武際可:科技史選講之四,65,3

25、2 開(kāi)普勒的生平,開(kāi)普勒（Johannes Kepler,1571,12,271630，11，15）出生于德國(guó)，其祖父曾任魏爾市市長(zhǎng)，父親則是一位職業(yè)軍人，經(jīng)常外出，并于1588年離家出走。開(kāi)普勒自幼多病，5歲時(shí)染上天花，幾乎死去。 開(kāi)普勒16歲是進(jìn)入德國(guó)蒂賓根大學(xué)求學(xué)，受秘密宣傳哥白尼學(xué)說(shuō)的天文學(xué)教授麥斯特林（F.Mstlin）的影響，成為這一學(xué)說(shuō)的擁護(hù)者。開(kāi)普勒在大學(xué)里表現(xiàn)出非凡的才能，當(dāng)時(shí)，學(xué)習(xí)成績(jī)優(yōu)秀者才允許進(jìn)一步學(xué)習(xí)神學(xué)，開(kāi)普勒在大學(xué)期間一直迷于神學(xué)，并且一心向往作一名神職人員。,武際可:科技史選講之四,66,第谷布拉赫Tycho Brahe15461601),武際可:科技史選講之四

26、,67,一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)，使他進(jìn)入了天文學(xué)領(lǐng)域。正好在格拉茨地方一所教會(huì)學(xué)校的數(shù)學(xué)教員去世了，在他的老師麥斯特林的推薦下，于1594年4月11日，22歲的開(kāi)普勒去格拉茨任數(shù)學(xué)教員。在業(yè)余他做編制年歷和預(yù)言，并且研究天文學(xué)。 1596年，開(kāi)普勒25歲時(shí)發(fā)表了宇宙的神秘一書(shū)。在書(shū)中他突發(fā)奇想，他說(shuō)正六面體有5種，行星連地球共有6個(gè)， 6個(gè)行星軌道所在的球面正好外接于或內(nèi)切于這5種正多面體，即任何二相鄰行星之間正好存在一種正多面體，其外接球與內(nèi)切球正好是二星軌道的大小。 開(kāi)普勒認(rèn)為引起行星運(yùn)動(dòng)的力是太陽(yáng)產(chǎn)生的。,武際可:科技史選講之四,68,武際可:科技史選講之四,69,開(kāi)普勒曾將他的書(shū)贈(zèng)送給許多人，

27、如伽利略、第谷等，當(dāng)?shù)诠茸x了他的書(shū)后，雖然不同意開(kāi)普勒的觀點(diǎn)，但是對(duì)開(kāi)普勒的才能是頗為贊賞的。開(kāi)普勒同伽利略通過(guò)很多次信，尤其在伽利略為宣傳日心說(shuō)而受審的困難日子里，開(kāi)普勒曾給以熱情的支承。 1600年初，開(kāi)普勒到布拉格訪問(wèn)了第谷，在第谷那里逗留了三個(gè)月。同年10月他再次來(lái)到布拉格，不久第谷逝世，臨終前第谷將關(guān)于火星的觀測(cè)資料贈(zèng)給他，囑咐他繼續(xù)完成關(guān)于行星運(yùn)動(dòng)的魯?shù)婪蛐潜?，且囑咐他一定要尊重觀測(cè)事實(shí)。,武際可:科技史選講之四,70,開(kāi)普勒與第谷是個(gè)性很不同的科學(xué)家，第谷長(zhǎng)于觀測(cè)而開(kāi)普勒從小目力不佳、不善于觀測(cè)卻長(zhǎng)于理論思維，開(kāi)普勒是哥白尼學(xué)說(shuō)的熱心跟隨者，而第谷卻還是一位地心說(shuō)的擁護(hù)者。 第谷

28、去世后，開(kāi)普勒被任命為接替第谷為皇家天文學(xué)家。之后開(kāi)普勒在布拉格工作了11年，這11年是他生活相對(duì)穩(wěn)定、科學(xué)成就最為豐碩的時(shí)期。,武際可:科技史選講之四,71,33 開(kāi)普勒三定律的發(fā)現(xiàn),早在哥白尼之前，人們就注意到太陽(yáng)、地球和外行星在一條直線(xiàn)上的情況，這就是所謂“沖”。在地球上，為了觀測(cè)火星的“沖”，只要不斷測(cè)量太陽(yáng)、火星的夾角，一旦這個(gè)夾角成 ，這就是火星的“沖”。人們?cè)缇妥⒁獾?，每過(guò)780日火星“沖”一次。哥白尼從這個(gè)數(shù)字經(jīng)過(guò)推理，算出火星繞太陽(yáng)的實(shí)際運(yùn)行周期為687日。事實(shí)上，地球在780日中繞太陽(yáng)走過(guò)了2周又 ，即共走了 ，而火星走過(guò)了1周又 ，即總共走了。第谷在世時(shí)，從

29、1576年到1599年在赫芬島上一共觀測(cè)了20多年。這就是說(shuō)，第谷大約一共能觀測(cè)到12次火星“沖”。幸運(yùn)的是開(kāi)普勒在第谷的觀測(cè)資料中，恰好找到了12次火星“沖”的記載。開(kāi)普勒正好是利用這些記載來(lái)計(jì)算的。,,,,,,武際可:科技史選講之四,72,武際可:科技史選講之四,73,開(kāi)普勒從一次“沖”開(kāi)始，當(dāng)過(guò)了687日時(shí)，火星繞太陽(yáng)回到了原處，而地球走了差43天不到2周。如圖，43天對(duì)應(yīng)于角 ，這個(gè)角度可以在當(dāng)時(shí)測(cè)太陽(yáng)、火星的夾角得到 。令S為太陽(yáng)，E為地球，M為火星，在“沖”時(shí)地球?yàn)?，過(guò)了687日地球?yàn)? ，再過(guò)687日地球?yàn)?，再過(guò)687日地球?yàn)闉?，。SM同之間的角度是可以及時(shí)測(cè)得的，設(shè)SM為

30、1，則可以通過(guò)計(jì)算得到 。這樣就得到一串地球的位置 ，從而將地球的軌道畫(huà)出來(lái)。開(kāi)普勒發(fā)現(xiàn)地球的軌道是一個(gè)圓，而太陽(yáng)卻不在圓心，據(jù)他計(jì)算，太陽(yáng)距圓心大約為半徑的1/59倍，即約為半徑的0.017倍。開(kāi)普勒還注意到地球的運(yùn)動(dòng)速度不是均勻的，在近日點(diǎn)比遠(yuǎn)日點(diǎn)要快。,,,,,,,,,武際可:科技史選講之四,74,有了地球的軌道，開(kāi)普勒接著去推算火星的軌道。很自然地，他認(rèn)為火星的軌道也是一個(gè)偏心圓，但是太陽(yáng)的偏心在什么方向，偏心距多大，需要推算。為此，他從第谷的12組火星“沖”的記錄中，選擇了4組，即火星軌道圓上的4點(diǎn)來(lái)推算太陽(yáng)的位置。在當(dāng)時(shí)，這是一項(xiàng)十分復(fù)雜的計(jì)算工作，他先假定一個(gè)太陽(yáng)的位

31、置，然后計(jì)算，反復(fù)調(diào)整，大約進(jìn)行了70次計(jì)算，費(fèi)了4年的時(shí)間。終于定下一個(gè)比較滿(mǎn)意的火星偏心圓軌道。,武際可:科技史選講之四,75,但是，這個(gè)軌道雖然與選定的4次“沖”符合很好，對(duì)另外的8次“沖”卻有誤差。這個(gè)誤差大約是角度 ，這是一個(gè)不大的誤差。 大約是一個(gè)圓周角的8/(36060)=1/2700。不過(guò)開(kāi)普勒心里很清楚，這仍然是一個(gè)不小的誤差，因?yàn)樗嘈诺诠鹊挠^測(cè)誤差絕不會(huì)超過(guò)。開(kāi)普勒為追求更高的精度，終于不得不打破火星軌道是偏心圓的框框。他試驗(yàn)了多種圓和類(lèi)似卵圓的曲線(xiàn)，最后他才試驗(yàn)橢圓軌道。結(jié)果12次“沖”都符合很好。,,,武際可:科技史選講之四,76,他最后推求火星實(shí)際軌道的方法可以表為

32、如圖8，令 分別代表火星“沖”的位置 是“沖”過(guò)后687天的位置，這時(shí)火星仍在原來(lái)位置上。因?yàn)榈厍蜍壍郎系? 是已知的， 同 之間的夾角可以由實(shí)測(cè)得到，簡(jiǎn)單的三角計(jì)算便可以得到的長(zhǎng)度，12次“沖”可以計(jì)算出火星軌道上的12個(gè)點(diǎn)。計(jì)算表明火星軌道是一個(gè)橢圓。這便是開(kāi)普勒第一定律。,，，,武際可:科技史選講之四,77,開(kāi)普勒在計(jì)算地球與火星的軌道時(shí)，還發(fā)現(xiàn)了所謂開(kāi)普勒第二定律，即從橢圓到行星的矢徑在相等的時(shí)間內(nèi)，掃過(guò)的面積相等。之后，他還發(fā)現(xiàn)了第三定律，即各個(gè)行星運(yùn)動(dòng)周期的平方與各自離太陽(yáng)的平均距離的立方成正比。這三個(gè)定律合稱(chēng)為開(kāi)普勒關(guān)于行星運(yùn)動(dòng)的三定律，都收在

33、他1619年出版的專(zhuān)著宇宙的和諧一書(shū)中。 開(kāi)普勒三定律不僅對(duì)于天文學(xué)是十分重要的,開(kāi)普勒因此被稱(chēng)為“天空的立法者”的稱(chēng)號(hào)，更為重要的是，它奏響了經(jīng)典力學(xué)誕生的序曲。有了開(kāi)普勒三定律，再有了伽利略關(guān)于落體運(yùn)動(dòng)的研究，萬(wàn)有引力定律與經(jīng)典力學(xué)系統(tǒng)的確立，便是呼之欲出的事了。,武際可:科技史選講之四,78,開(kāi)普勒第一定律,武際可:科技史選講之四,79,開(kāi)普勒第二定律,武際可:科技史選講之四,80,34 開(kāi)普勒對(duì)他的行星運(yùn)動(dòng)三定律的敘述,開(kāi)普勒在他的宇宙的和諧中對(duì)他發(fā)現(xiàn)的行星的運(yùn)動(dòng)三大定律是這樣介紹的：“談?wù)労椭C性得以確立的運(yùn)動(dòng)，我再次提請(qǐng)讀者銘記我在火星評(píng)述中根據(jù)第谷極其精確的觀測(cè)已經(jīng)闡明的下述事實(shí)：

34、經(jīng)過(guò)同一偏心圓上同樣周日弧的速度是不等的，隨著與運(yùn)動(dòng)之源太陽(yáng)的距離不同，經(jīng)過(guò)偏心圓上相等弧的時(shí)間也彼此不同；另一方面，若假定每一場(chǎng)合的時(shí)間都相等，比如說(shuō)等于一自然日，那么同一偏心圓上與之對(duì)應(yīng)的兩段周日弧與各自到太陽(yáng)的距離成反比?！薄拔以?2年前由于尚未洞悉方法而暫時(shí)擱置的宇宙的神秘的一部分，必須重新完成并在此引述。因?yàn)樵诤诎抵羞M(jìn)行了長(zhǎng)期探索之后，借助布拉赫的觀測(cè)，我先是發(fā)現(xiàn)了軌道的真實(shí)距離，然后終于豁然開(kāi)朗，發(fā)現(xiàn)了軌道周期之間的真實(shí)關(guān)系，倘若問(wèn)及確切的年月， 雖已遲了，仍在徘徊觀望，歷盡歲月，終歸光臨；,武際可:科技史選講之四,81,這一思想發(fā)軔于1618年3月8日，但當(dāng)時(shí)試驗(yàn)未獲成功，又因此

35、以為是假象遂擱置下來(lái)。最后，5月15日來(lái)臨，一次新的沖擊開(kāi)始了。起先我以為自己處于夢(mèng)幻之中正在為那個(gè)苛求已久的原理設(shè)想一種可行的方案。思想的風(fēng)暴一舉掃蕩了我心中的陰霾，并且在我以布拉赫的觀測(cè)為基礎(chǔ)進(jìn)行了17年的工作與我現(xiàn)今的潛心研究之間獲得了圓滿(mǎn)的一致。然而，這條原理是千真萬(wàn)確地真實(shí)而又極其精確的：任意兩個(gè)行星的周期正好與其距離平方根的立方成比例；但是，應(yīng)該看到，橢圓軌道兩直徑的算術(shù)平均值較其半長(zhǎng)徑稍小。因此，舉例來(lái)說(shuō)，地球的周期為1年，土星的周期為30年，如果取這兩個(gè)周期之比的立方根，再平方之，得到的數(shù)值剛好就是土星和地球到太陽(yáng)的中距離之比。因?yàn)?的立方根是1，再平方仍是1；而30的立方根大于3，平方之，則大于9，因此土星與太陽(yáng)的平均距離略大于日地平均距離的9倍?！?武際可:科技史選講之四,82,