科學(xué)簡史第三講.ppt

1、科技史第三講,求美的革命：新宇宙的構(gòu)建,一，哥白尼與天文學(xué)革命,天文學(xué)革命代表性的一年 1543年：科學(xué)史上從中世紀(jì)到近代的過渡期中最有代表性的一年 桑戴克在世界文化史中說，若是我們要指定中世紀(jì)科學(xué)終結(jié)是哪一年，我們就推舉1543年，那年根據(jù)實(shí)驗(yàn)方法而確立的兩本基本的近代著作出世了，一本是維薩留斯所著人體結(jié)構(gòu)，一本是哥白尼所著天體運(yùn)行論。 哥白尼天體運(yùn)行論：日心說，與托勒密不同。 薩維留斯人體結(jié)構(gòu)人體的構(gòu)造與蓋倫不同，提出左右心房心室血液循環(huán)思想也與蓋倫不同，蓋倫的是兩個(gè)。維薩留斯被后人稱為“解剖學(xué)之父”。在當(dāng)時(shí)神學(xué)一統(tǒng)天下，由于他進(jìn)行了被教會(huì)所禁止的人體解剖，指出了蓋侖學(xué)說的錯(cuò)誤，觸犯了教會(huì)

2、的權(quán)威，因而遭到了教會(huì)的指責(zé)和迫害。維薩留斯最終被流放而死于路上。,天文學(xué)革命 大師輩出的時(shí)代 哥白尼 第谷 伽利略 開普勒 牛頓,天文學(xué)革命的社會(huì)背景： 宗教迫害的時(shí)代 1540年羅耀拉設(shè)立耶穌會(huì) 1553年解剖學(xué)家塞爾維特因“異端思想”罪被燒死； 1600年布魯諾因“異端思想”罪被燒死； 1633年伽利略在宗教法庭上被迫公開宣布放棄自己關(guān)于地動(dòng)的學(xué)說。,（一），哥白尼和他的天體運(yùn)行論 尼古拉哥白尼Nicolas Copernicus 1473年2月19日生于波蘭托倫的一個(gè)富商之家。 10歲喪父，由兼任主教的叔父撫養(yǎng)。 早年教育：數(shù)學(xué)和繪畫 意大利游學(xué) 1496年起在意大利， 十年內(nèi)先后在波

3、洛尼亞、帕多瓦和斐拉拉等三所大學(xué)里攻讀醫(yī)學(xué)和宗教法規(guī)。 在波洛尼亞期間，與該校天文學(xué)教授迪諾瓦拉（de Novara）有密切的接觸，后者正是在自然哲學(xué)中復(fù)興畢達(dá)哥拉斯思想的領(lǐng)袖。,托勒密體系的缺點(diǎn)： 1，與觀測有很大誤差。AD145年的體系，1400年過去了，學(xué)者們討論托勒密學(xué)說的錯(cuò)誤和改進(jìn)它的可能性 。 2，解釋周圍天體的運(yùn)動(dòng)需要越來越多的本輪 3，大大背離了畢達(dá)哥拉斯派的柏拉圖主義所追求的數(shù)學(xué)上的簡單性和完美性。,哥白尼的思考： 完美的運(yùn)動(dòng)和完美的數(shù)學(xué) 哥白尼在思想上傾向于畢達(dá)哥拉斯派，認(rèn)為天體應(yīng)該有簡單完美的運(yùn)動(dòng)，也應(yīng)該有簡單完美的數(shù)學(xué)描述。 在哥白尼看來，托勒密體系在這一點(diǎn)上還不能算“

4、合格”。 所以他想到如果宇宙的中心是太陽而不是地球，那么對(duì)天體運(yùn)行的理解和描述就可能會(huì)簡單得多。,哥白尼天體運(yùn)行論 產(chǎn)生的過程： 1，作為愛好的思考 1505年哥白尼返回波蘭，任弗洛姆布克天主教堂的教士。 在繁雜的行政事務(wù)工作之余，他開始思考如何把宇宙中心移到太陽上去。 從1512年起他開始在新假說基礎(chǔ)上推算行星的位置。,哥白尼天體運(yùn)行論 產(chǎn)生的過程： 2，學(xué)說的流傳與出版 1530年左右哥白尼將他的學(xué)說寫成概論，以手稿的形式在歐洲學(xué)者間廣泛流傳。 在數(shù)學(xué)家雷梯庫斯（Rheticus）的強(qiáng)烈要求下， 哥白尼同意出版他的全書，敬獻(xiàn)給羅馬教皇保羅三世。 第一本書送到哥白尼手里幾小時(shí)之后，他就與世長

5、辭了，那是1543年5月24日。,天體運(yùn)行論 初版名稱托倫的尼古拉哥白尼論天體運(yùn)行軌道（共六冊(cè)） 后來一般簡稱為天體運(yùn)行論 ON THE REVOLUTIONS,天體運(yùn)行論革新內(nèi)容： 哥白尼學(xué)說的革新內(nèi)容主要在天體運(yùn)行論的第一冊(cè)中得到描述。 哥白尼描繪了他的宇宙圖景： 1，太陽位于宇宙的中心： 水星、金星、地球帶著月亮、火星、木星和土星依次繞著太陽運(yùn)行，(歐多克斯（Eudoxus，約409-356BC）在柏拉圖的原則指導(dǎo)下提出了天體的同心球理論。) 最外圍是靜止的恒星天層。 2，各行星詳細(xì)的公轉(zhuǎn)周期：見圖,天體運(yùn)行論優(yōu)越性： 哥白尼聲稱他的宇宙體系比托勒密體系優(yōu)越，是因?yàn)樗捏w系更簡單和完美。

6、這點(diǎn)在天體運(yùn)行論的第一冊(cè)中得到了淋漓盡致的體現(xiàn)。 本輪數(shù)：34對(duì)80 但從第二冊(cè)開始到第六冊(cè)中的論述卻在簡單和完美性方面打了折扣。 哥白尼共引入34個(gè)本輪來推算行星的運(yùn)動(dòng)，這比托勒密體系最多時(shí)的80個(gè)本輪少多了，但是推算工作仍不能稱簡單。,天體運(yùn)行論與托勒密的關(guān)系： 采用至大論的觀測數(shù)據(jù)和幾何方法，以及編制星表的資料；有些問題的處理完全因襲至大論。 比托勒密還接近古希臘的天文學(xué)家和哲學(xué)家，堅(jiān)持用勻速圓周運(yùn)動(dòng)這種天體所應(yīng)有的“完美運(yùn)動(dòng)”來描述行星的運(yùn)動(dòng)。 天體運(yùn)行論與其說是在解釋宇宙，還不如說是在解釋托勒密。,哥白尼的態(tài)度： 只是數(shù)學(xué)模型：天體運(yùn)行論初版的序言稱該書只是提供了一種解釋行星運(yùn)動(dòng)的數(shù)

7、學(xué)方法。 把哥白尼體系看成是一種數(shù)學(xué)模型，還是一種宇宙的真實(shí)圖景，這將直接影響教會(huì)對(duì)天體運(yùn)行論的態(tài)度。,天體運(yùn)行論影響有限 天體運(yùn)行論出版之后，有少數(shù)數(shù)學(xué)家接受了哥白尼的學(xué)說， 而一些著名學(xué)者如弗朗西斯培根等則明確表示反對(duì)地動(dòng)說。 因此哥白尼學(xué)說的影響還很有限，并未構(gòu)成對(duì)納入經(jīng)院學(xué)派的托勒密學(xué)說的沖擊。,天體運(yùn)行論成為信仰 按照當(dāng)時(shí)的物理學(xué)和天文學(xué)知識(shí)還無法理解地球在運(yùn)動(dòng)這一事實(shí)。哥白尼學(xué)說遭受著各種“合理”的責(zé)難。 如果地球在繞太陽運(yùn)動(dòng)，那么： 恒星的位置應(yīng)該有一個(gè)周年的變化， 上拋的物體不該掉到原地， 地球有被瓦解的危險(xiǎn)， 喬爾丹諾布魯諾（Giordano Bruno）是文藝復(fù)興時(shí)期著名的

8、自然哲學(xué)家。1548年他出生于意大利那不勒斯附近的小鎮(zhèn)諾拉。,（二），喬爾丹諾布魯諾的思想 18歲時(shí)，布魯諾進(jìn)圣多米尼克修道院學(xué)習(xí)，他承認(rèn)對(duì)托馬斯阿奎那保持了終生的尊敬。曾一度被引見給羅馬教皇。1572年他任教士。由于布魯諾閱讀異端書籍，談?wù)摦惗怂枷?，地方教?huì)要審判他，1576年他逃亡了羅馬，1578年他離開意大利開始了長期漂泊冒險(xiǎn)的生涯。約1579年至1581年布魯諾在法國圖盧茲的一所大學(xué)任哲學(xué)教師，他拒絕按照校方的規(guī)定，把懷疑和思考帶入了課堂，激起了同事們的極度憤慨，以至“到處受到憎恨、謾罵和侮辱，甚至不無生命之虞?！?1958年夏，布魯諾來到巴黎，享利三世國王對(duì)他公開演講的記憶術(shù)產(chǎn)生了興

9、趣，任他為皇室神學(xué)教師。,1583年由于政治局勢的變化，布魯諾離開法國前 往英國，享利國王向法國駐倫敦大使寫了一封介紹信，憑著這封信布魯諾得到大使的庇護(hù)。倫敦時(shí)期是布魯諾創(chuàng)作的高峰年代，2年多的時(shí)間，共發(fā)表了6部著作，書中表達(dá)了他對(duì)宇宙、上帝和當(dāng)時(shí)社會(huì)的思考，他的書激起了眾怒，以至他認(rèn)為幾乎所有的人都要攻擊他、威脅他、抓捕他、消滅他。1585年秋天，布魯諾回到法國，1586年他又逃往德國，專心地寫作，研究魯爾藝術(shù)和巫術(shù)（英文的magic，含有巫術(shù)、魔術(shù)、幻術(shù)、煉金術(shù)、占星術(shù)和其它許多神秘不可解釋的手段所做出的事情）。1591年他回到意大利，次年被捕，經(jīng)過長達(dá)8年的監(jiān)禁和審訊，宗教裁判所指控他犯

10、有8條異端罪，將他交給世俗軍隊(duì)，1600年2月8日布魯諾被活活燒死在羅馬的鮮花廣場。,布魯諾對(duì)天體運(yùn)行論的傳播： 布魯諾在論不可度量者與不可數(shù)者一書中承認(rèn)：哥白尼的天體運(yùn)行論是一部“豐碑似的著作”，“在青春初顯的年代震撼了我們的心靈?！辈剪斨Z熱情謳歌哥白尼“你智慧卓絕、才華橫溢，你應(yīng)受尊榮、堪當(dāng)贊譽(yù)?！彼梦恼潞凸_辯論的方式，堅(jiān)決宣傳和捍衛(wèi)日心體系，與當(dāng)時(shí)的神學(xué)家、亞里士多德學(xué)派進(jìn)行了頑強(qiáng)的斗爭。然而正如布魯諾自己說的：“凡是涉及結(jié)構(gòu)和定義的東西，他既不是用哥白尼的眼睛，也不是用托勒密的眼睛，而是用他自己的眼睛來看?！?布魯諾對(duì)天體運(yùn)行論的傳播： 布魯諾認(rèn)為哥白尼僅是位數(shù)學(xué)家，哥白尼不懂得日

11、心體系的深遠(yuǎn)意義，而布魯諾另一本書中，他把哥白尼學(xué)說看作是古代真理和真正的哲學(xué)，經(jīng)歷長期被埋葬在盲目、無恥、嫉護(hù)、愚昧的黑暗洞穴中，即將復(fù)活的曙光。日心體系在古代就有人提出過，哥白尼在著作中也提到他的古代前輩，但布魯諾預(yù)言的古代真理的復(fù)興，既不是天文學(xué)意義上的也不是數(shù)學(xué)意義的，而是巫術(shù)真理、埃及真理，以及赫爾墨斯把太陽作為可見神的真理。,布魯諾捍衛(wèi)的是什么真理？他宣傳哥白尼的日心體系是出于什么理由？他提出宇宙無限的思想基礎(chǔ)是什么？他能超越他的時(shí)代具有現(xiàn)代科學(xué)意識(shí)嗎？ 恰恰相反，他的思想是在文藝復(fù)興的歷史背景中形成的，他批判經(jīng)院哲學(xué)、抨擊教會(huì)，他竭力想要復(fù)興的卻是古埃及赫爾墨斯主義。研究布魯諾的

12、著名學(xué)者耶茨說：“布魯諾混雜著宗教使命的哲學(xué)思考，深深地浸透著文藝復(fù)興時(shí)期的巫術(shù)和赫爾墨斯源泉?！?赫爾墨斯特利斯墨吉斯忒斯（Hermes Trismegistus）是古埃及智慧之神，相傳曾著有巫術(shù)、宗教、占星術(shù)、煉金術(shù)等方面的著作。赫爾墨斯宗教相信世界是活的，充滿著生命，通過對(duì)一個(gè)超驗(yàn)神、世界和人的認(rèn)識(shí)而求得人的神化和再生。,布魯諾對(duì)天體運(yùn)行論的傳播： 耶茨對(duì)布魯諾的研究表明，赫爾墨斯宗教對(duì)太陽的崇拜，以及菲西諾的太陽占星術(shù)都深深地影響著布魯諾對(duì)哥白尼體系的態(tài)度。 1960年初次公布的文獻(xiàn)，是當(dāng)年聽過布魯諾演講的一位聽眾的信，信中表明布魯諾在牛津大學(xué)的演講中，為宣傳、捍衛(wèi)哥白尼體系，大量引用

13、了菲西諾有關(guān)太陽占星術(shù)的言論。布魯諾是站在赫爾墨斯宗教以及占星術(shù)的立場上擁護(hù)哥白尼的。耶茨認(rèn)為布魯諾對(duì)哥白尼體系的理解，驚人地顯示了文藝復(fù)興中真正的科學(xué)和赫爾墨斯主義之間邊界的模糊，不確定性。,天體運(yùn)行論成為禁書 其后伽利略滿腔熱忱的宣傳使得亞里斯多德派占多數(shù)的學(xué)術(shù)界催促教會(huì)采取措施。 1616年伽利略被禁止說話， 并由紅衣主教柏拉明宣布：哥白尼學(xué)說是“錯(cuò)謬的和完全違背圣經(jīng)的”，天體運(yùn)行論在未改正之前不許發(fā)行，哥白尼學(xué)說可以當(dāng)作一個(gè)數(shù)學(xué)假說來講授。,不理會(huì)教廷的裁決 科學(xué)界對(duì)哥白尼學(xué)說的接受不必理會(huì)教廷的裁決，也不必等到證明地球是在繞日運(yùn)動(dòng)的直接證據(jù)的發(fā)現(xiàn)。 伽利略如此，開普勒如此，后來的笛卡

14、爾和牛頓也是如此。 正是這些科學(xué)巨匠的權(quán)威確立了哥白尼學(xué)說的地位。,天體運(yùn)行論遲到的證據(jù) 事實(shí)上，1822年教庭正式裁定太陽是行星系的中心的時(shí)候，直接證明地球在繞太陽運(yùn)動(dòng)的證據(jù)并沒有被發(fā)現(xiàn)。 1835年白塞爾用精密的儀器發(fā)現(xiàn)了恒星周年視差，這是盼望已久的證據(jù)?？梢灾苯幼C明地球確實(shí)是在繞太陽運(yùn)動(dòng)。,三，天體運(yùn)行論的意義： 不是獨(dú)創(chuàng)：從科學(xué)史的角度來看，哥白尼的地動(dòng)日靜學(xué)說不是什么獨(dú)創(chuàng)。 在古希臘天文學(xué)體系當(dāng)中，并不是所有的體系都是“地心系”的。 薩摩斯的阿利斯塔克（Aristarchus, 約公元前310-230）就提出過一個(gè)日心宇宙體系。 然而在托勒密體系在歐洲占統(tǒng)治地位長達(dá)千余年后，哥白尼再

15、提出一個(gè)地動(dòng)日靜的學(xué)說，確實(shí)需要非凡的見識(shí)和勇氣。 從這一點(diǎn)來說，哥白尼學(xué)說在思想方法上給予后人的深刻啟發(fā)，甚至大于它在天文學(xué)上的影響。,哥白尼的影響： 在哥白尼1543年去世后的一個(gè)世紀(jì)里，天文學(xué)發(fā)生了巨大的改變。 哥白尼在其目的、方法和技術(shù)上都是一個(gè)傳統(tǒng)主義者。但是他的天體運(yùn)行論播下了革命的種子： 何以穩(wěn)定的地球不僅可以旋轉(zhuǎn)，而且當(dāng)它疾馳穿過空間時(shí)，它的乘客根本感覺不到正在發(fā)生的一切？ 地球何以成為球形？ 對(duì)亞里斯多德來說答案是簡單的：任何土質(zhì)的已離開了它們?cè)谟钪嬷行淖匀晃恢玫奈矬w，都要自然地向其中心運(yùn)動(dòng)，因此，聚集成一個(gè)近似的球體是不奇怪的。 哥白尼只能夠提出這樣的解釋：地球質(zhì)的物體聚集

16、在一起形成作為行星的地球，就像金星質(zhì)的物體聚在一起形成金星。,新的問題 為了解釋地球的周日運(yùn)動(dòng)，哥白尼認(rèn)為它是個(gè)天然的球，天然的球就會(huì)天然地旋轉(zhuǎn)。 他也許已經(jīng)想到了地球是嵌入到一個(gè)巨大的看不見的球體里面的，這個(gè)球旋轉(zhuǎn)帶著地球在它的周年軌道上繞太陽旋轉(zhuǎn)。但他的這種觀點(diǎn)是不明確的。 哥白尼改進(jìn)了行星運(yùn)動(dòng)學(xué)問題的解決，但是產(chǎn)生了動(dòng)力學(xué)上的新問題是什么原因使得行星特別是地球運(yùn)動(dòng)起來的？,四個(gè)關(guān)鍵人物 在回答這些問題的過程中出現(xiàn)了四個(gè)關(guān)鍵的人物： 第谷布拉赫，主要貢獻(xiàn)在于給出了精確和完備的觀測。 約翰尼斯開普勒，將天文學(xué)從幾何學(xué)的應(yīng)用轉(zhuǎn)換成了物理動(dòng)力學(xué)的一支。 伽利略，利用望遠(yuǎn)鏡揭示了天體隱藏著的真相，

17、并且發(fā)展了運(yùn)動(dòng)的新概念，鞏固了哥白尼的主張。 勒內(nèi)笛卡爾，構(gòu)想了一個(gè)無限的宇宙，在這個(gè)宇宙里沒有什么位置和方向是特殊的，太陽只不過是我們的區(qū)域性的恒星而已。,二，第谷布拉赫,第谷布拉赫（Tycho Brahe，1546-1601），丹麥天文學(xué)家和占星學(xué)家。生于克努茲斯圖普（今屬瑞典）。1572年11月11日第谷發(fā)現(xiàn)仙后座中的一顆新星（銀河系的一顆超新星），第二年發(fā)表論文新星，后來受丹麥國王腓特烈二世的邀請(qǐng)，在汶島建造天堡觀象臺(tái)，建造了許多大型精密的天文儀器，經(jīng)過20年的天文觀測，第谷發(fā)現(xiàn)了許多新的天文現(xiàn)象，如黃赤交角的變化、月球運(yùn)行的二均差，并重新測量了歲差數(shù)值（每年51）。,第谷 1572年

18、11月，大自然送給了人類一個(gè)驚奇的現(xiàn)象：一個(gè)象星一樣的物體，亮得足以在白天被看見，出現(xiàn)在仙后座的位置上。 一顆新星？新的天體是前所未聞的，權(quán)威的亞里士多德宇宙學(xué)使得考慮天空中的新生事物是不可能的。 （SN1572） 第谷認(rèn)識(shí)到了問題的關(guān)鍵：這個(gè)“天體”和已有的彗星理論相矛盾。 彗星“來了還會(huì)走”，屬于四元素區(qū)域內(nèi)的變化，所以從從亞里士多德時(shí)代開始就認(rèn)為彗星是地球質(zhì)的物體，而不是天體；對(duì)它們的研究不屬于天文學(xué)，而是屬于“形而上學(xué)”。 天文學(xué)家在觀測彗星時(shí)很少測量它的高度，但是第谷現(xiàn)在證明了這種變化可以發(fā)生在天上。 因此他自己許下諾言，如果有一天彗星出現(xiàn)，他將仔細(xì)測量它的高度，看它是否真是地球質(zhì)的

19、。,第谷 1577年大自然滿足了第谷的愿望：一顆明亮的彗星真的出現(xiàn)了，第谷的觀察也表明它是天體。更精確的是，它位于行星際空間。 然而如果是這樣，它就是正在毫不費(fèi)力地穿過被認(rèn)為攜帶著行星繞著中心地球運(yùn)動(dòng)的那些看不見的天球。 這使得第谷徹底明白了：這些球體實(shí)際上根本不存在。,第谷 轉(zhuǎn)變：但是，如果這個(gè)天球球體是不存在的，行星是在軌道上獨(dú)立運(yùn)行著的天體，這對(duì)于解釋它們的運(yùn)動(dòng)原因?qū)⑹呛芾щy的。 結(jié)果為了給出一個(gè)答案，天文學(xué)家不得不從運(yùn)動(dòng)學(xué)轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)，從幾何學(xué)轉(zhuǎn)向物理學(xué)。 王室資助：第谷對(duì)新星和大彗星的觀測，使用的是商業(yè)上可得到的儀器；但是直到大彗星出現(xiàn)之際，第谷一直在致力于儀器和觀測技術(shù)的基本改革。為

20、此目的，他將需要王室級(jí)別上的資金資助。 1575年第谷拜訪了黑森伯爵威廉四世也是一位非常熱心的觀測者?？赡苁窃诓舻耐扑]下，次年第谷被丹麥國王授權(quán)掌管了在丹麥海峽的汶島（Hven）。在那里，第谷有了空間、時(shí)間和財(cái)政來源，建立了基督教歐洲第一個(gè)重要的天文臺(tái)。,第谷 汶島天文臺(tái) 第谷設(shè)計(jì)和建造了新儀器的房間、專為觀測而建造的房間、自己和助手的宿舍，甚至還有造紙廠和印刷所，這樣第谷就可以自己出版他的觀測結(jié)果。 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)天文臺(tái)天堡（Uraniborg）顯得太小時(shí)，第谷又在附近建造了第二個(gè)星堡（Stjerneborg）。 第谷年復(fù)一年地建造、測試、調(diào)整、再測試他的儀器，直到能夠使測量精度高于1。,第谷

21、第谷在觀測方面的改革是他最大的成就，因?yàn)樗o天文學(xué)帶來了對(duì)事實(shí)的尊重，這在我們看來是具有現(xiàn)代科學(xué)特征的。 但對(duì)于他自己，最自豪的也許是提出了被稱為“第谷體系”的宇宙論，這個(gè)體系很快取代了托勒密成為最流行的地心宇宙圖象。 第谷布拉赫提出一種介于地心說和日心說之間的宇宙結(jié)構(gòu)體系：地球靜居中心，行星繞太陽運(yùn)行，而太陽則帶領(lǐng)行星繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)。這一體系十七世紀(jì)初傳入我國后曾一度被接受。,第谷 反對(duì)地動(dòng)的理由 作為一個(gè)新教徒，他從舊約的某些篇章中看到了哥白尼的困難。 建立在上拋物體行為將一支箭垂直射向空中，它會(huì)回到原地，表明地球不動(dòng)。 并且即使借助于他出類拔萃的儀器，他也沒有發(fā)現(xiàn)恒星呈現(xiàn)出任何周年運(yùn)動(dòng)。,三

22、，開普勒,開普勒 第谷在只有幾個(gè)月的生命的時(shí)候，他再次向一位年輕人約翰尼斯開普勒發(fā)出了先前已經(jīng)作出過的邀請(qǐng)，請(qǐng)他前來擔(dān)任助手，而這一次開普勒接受了。第谷病逝后在48小時(shí)之內(nèi)，開普勒被委任為第谷的接班人。 Johannes Kepler 1551-1630 1571年12月27日出生于斯圖加特附近魏爾市的一個(gè)中等家庭。進(jìn)圖賓根大學(xué)，打算進(jìn)入仕途，但在1594年他被提名出任格拉茨的數(shù)學(xué)教師。 1600年初他應(yīng)邀到布拉格拜訪第谷；年末在格拉茨受到宗教迫害之后回到布拉格成為第谷的助手，并于1601年成為第谷的接班人。,開普勒 上帝是位幾何學(xué)家？ 上帝在柏拉圖傳統(tǒng)中很象一位幾何學(xué)家。開普勒相信上帝是個(gè)幾

23、何建筑師，上帝（用開普勒的話說）“根據(jù)規(guī)則和秩序處理了世界的基礎(chǔ)”。上帝好像事先復(fù)制了他還沒創(chuàng)造出來的人類的建筑方法。在他的天文學(xué)生涯中，開普勒一直試圖識(shí)別出創(chuàng)世者在設(shè)計(jì)宇宙時(shí)使用的幾何關(guān)系。,上帝的設(shè)計(jì) 哥白尼發(fā)現(xiàn)了上帝對(duì)宇宙的設(shè)計(jì)但未能發(fā)現(xiàn)是什么促使上帝選擇了這種設(shè)計(jì)而不是其它設(shè)計(jì)。 不動(dòng)的部分：中心的太陽、外層天球和兩者之間的空間是容易理解的：它們反映了圣父、圣子和圣靈。 動(dòng)的部分即行星理解起來就比較困難。為什么是六個(gè)（如哥白尼所發(fā)現(xiàn)的），而不是，比如說五個(gè)或七個(gè)？是什么使得上帝安排某個(gè)行星離太陽有一個(gè)確定的距離？,開普勒 宇宙的奧秘Cosmographic Mystery 1596年開

24、普勒發(fā)表了宇宙的奧秘一書，揭示了上帝為行星安排的軌道之間的幾何關(guān)系。 三大遺產(chǎn) 開普勒最終能在行星運(yùn)動(dòng)理論上取得突破性的成就，獲益于他能獲得的三大遺產(chǎn)： 哥白尼的日心體系。 第谷的精確觀測資料火星的位置資料。 威廉吉爾伯特（William Gilbert，15441603）的論磁（On the Magnet 1600 ），在書中他認(rèn)為地球是一個(gè)巨大的球形磁體。,開普勒 行星運(yùn)動(dòng)速度不均勻 為了尋找替代理論，開普勒暫時(shí)放開火星，開始研究地球的運(yùn)動(dòng)。 剛開始研究地球運(yùn)動(dòng)，開普勒就發(fā)現(xiàn)，依然需要偏心圓。只是地球的偏心率比火星的更小。 這樣，為了搞清楚偏心問題，開普勒轉(zhuǎn)而注意起行星的運(yùn)動(dòng)速度不均勻這一

25、現(xiàn)象。,開普勒 證實(shí)了行星在遠(yuǎn)日點(diǎn)和近日點(diǎn)的速度大致與行星到太陽的距離成反比。 于是他把這個(gè)結(jié)論加以推廣， 認(rèn)為行星的速度與離開太陽的距離成反比。 事實(shí)上這個(gè)結(jié)論是錯(cuò)誤的,開普勒 行星繞日運(yùn)動(dòng)的物理原因：力 開普勒不把哥白尼體系當(dāng)成純粹的數(shù)學(xué)虛構(gòu)，而是把它作為實(shí)在的東西接受，并進(jìn)而考察行星繞日運(yùn)動(dòng)的物理原因。 起先，開普勒懷著神秘的想法，認(rèn)為行星具有靈魂或意志，它們有意識(shí)地使行星運(yùn)動(dòng)。 等到發(fā)現(xiàn)行星的速度與到太陽的距離成反比這一結(jié)果，開普勒拋棄了靈魂的想法，提出了力（vis）作用于行星的見解。,開普勒 吉爾伯特把地球看做一個(gè)大磁體。開普勒受他啟發(fā)，認(rèn)為行星受到磁力的推動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。 他認(rèn)為，這種力

26、不是超距力，這種叫做species的非物質(zhì)性的力是從太陽發(fā)出的，由于它的旋轉(zhuǎn)而推動(dòng)行星。這種力的大小與到太陽距離成反比。 回到火星 獲得以上重要的但錯(cuò)誤的結(jié)論之后，開普勒重新回到了火星的運(yùn)動(dòng)學(xué)。他首先提出了確定任意時(shí)刻火星的位置問題。這需要給出火星運(yùn)動(dòng)經(jīng)過的路程和火星從Q到M所需的時(shí)間之間的關(guān)系。這對(duì)當(dāng)時(shí)的數(shù)學(xué)是不可能的。,開普勒 新天文學(xué) New Astronomy 在1609年出版的新天文學(xué)中，開普勒發(fā)表了行星運(yùn)動(dòng)的第一定律和第二定律； 這是一本令人望而生畏的巨著，從概念上說，它在數(shù)學(xué)和作為基礎(chǔ)的物理學(xué)兩方面都是可疑的。 它所表達(dá)的革命顯示在書的全名：新天文學(xué)：基于原因或天體的物理學(xué)，關(guān)于

27、火星運(yùn)動(dòng)的有注釋的論述。 開普勒把作為幾何學(xué)一個(gè)分支的天文學(xué)轉(zhuǎn)變成了物理學(xué)的一個(gè)分支。,開普勒 開普勒第一定律：橢圓定律 行星沿橢圓軌道繞太陽運(yùn)動(dòng)，太陽是位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上（1609新天文學(xué) 開普勒第二定律：面積定律 從太陽到行星的矢徑在相等時(shí)間里掃過相等的面積（1609新天文學(xué),開普勒的獨(dú)特之處： 行星系統(tǒng)的幾何簡單性 差不多一個(gè)世紀(jì)以前，哥白尼已經(jīng)開始尋找滿足幾何簡單性要求的行星系統(tǒng)。開普勒解決了哥白尼的問題，他所達(dá)到的簡單性在天文學(xué)史上超出了前人的夢想。 僅僅一種圓錐曲線就足以描述所有行星的軌道。偏心圓和本輪的全部復(fù)雜性淹沒在了橢圓的簡單性中了。 接受橢圓簡單性是有代價(jià)的，那就是拋棄圓

28、及其擁有的完美無缺、不易性和有序性的古老內(nèi)涵。,開普勒 宇宙和諧論 在新天文學(xué)中，開普勒研究了單個(gè)行星繞日旋轉(zhuǎn)時(shí)的行為，但是他長期堅(jiān)持的要理解上帝創(chuàng)造的全部結(jié)構(gòu)的雄心，需要關(guān)于諸行星軌道之間關(guān)系的知識(shí)。 這是他在宇宙和諧論（The Harmony of the World ，1619 ）中探索的眾多課題之一。 對(duì)宇宙和諧的研究可追溯到畢達(dá)哥拉斯，他是凡人中唯一能夠欣賞天球音樂的人。 開普勒寫下了天體音樂譜。,開普勒 開普勒的“第三定律” 開普勒還在宇宙和諧論中尋求能揭示行星軌道大小和周期數(shù)學(xué)模型； 他發(fā)現(xiàn)了如下事實(shí)：行星周期的平方和其軌道半徑的立方成固定比例。 魯?shù)婪蛐潜?Rudolphine

29、 Tables 但是以上所有的精彩只是理論上的，開普勒天文學(xué)尚未面對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)際考驗(yàn)：能夠據(jù)此便算更高精度的星表嗎？這是魯?shù)婪蚨澜o他分派的任務(wù) 。,開普勒 魯?shù)婪蛐潜?完成于1627年，它的精確性在4年后驚人地顯示出來。 1631年11月7日，距開普勒去世一年，法國天文學(xué)家皮埃爾卡西尼（Pierre Gassendi） 依據(jù)星表成為歷史上首次觀測到水星凌日的人。 開普勒星表的誤差僅僅只有太陽半徑的三分之一，但是被該表取代的哥白尼星表的誤差是開普勒星表誤差的三十倍。,四，伽利略,伽利略 伽利略（Galileo Galilei）1564年2月15日生于比薩。三天后米開朗琪羅在佛羅倫薩去世，4月23

30、日莎士比亞在英格蘭出生。 1581年進(jìn)比薩大學(xué)學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)，隨后轉(zhuǎn)到了數(shù)學(xué)，并成為比薩的數(shù)學(xué)教授 1592年起又到了帕多瓦任數(shù)學(xué)教授，他一直在那里任教了18年。 1610年他憑借新近發(fā)明的望遠(yuǎn)鏡所作出的發(fā)現(xiàn)，獲得了托斯卡納大公首席數(shù)學(xué)家和哲學(xué)家的職位，擁有這個(gè)職位直到1642年1月去世。,伽利略 從伽利略開始，天文學(xué)家將比他們的前輩擁有巨大的優(yōu)勢。正如伽利略說的“如果他們看到了我們所看到的，他們也將作出我們所作出的判斷?！?1609年夏天，伽利略在威尼斯聽到一個(gè)消息說在荷蘭有一種由一個(gè)圓筒和兩片有曲面的玻璃片構(gòu)成的儀器，能將很遠(yuǎn)的東西看得很清楚。 伽利略要仔細(xì)地驗(yàn)證這個(gè)傳聞的真實(shí)性，為此為自己制造

31、了一個(gè)這樣的儀器。,伽利略 到1609年底伽利略將望遠(yuǎn)鏡的放大倍數(shù)擴(kuò)大到了20倍。 當(dāng)用望遠(yuǎn)鏡觀看恒星時(shí)，伽利略看到了許多肉眼無法看到的恒星。神秘的銀河系，現(xiàn)在他能解釋為是由無數(shù)恒星所組成。他發(fā)明的兩架伽利略望遠(yuǎn)鏡，現(xiàn)藏佛羅倫薩博物館。 伽利略還發(fā)現(xiàn)，盡管行星的視圓面可以按望遠(yuǎn)鏡放大倍數(shù)而擴(kuò)大，但對(duì)于恒星就不行了。 第谷已經(jīng)估計(jì)過，為了解釋探測恒星周年視差的失敗，哥白尼主義者將不得不把恒星放置到700倍于土星距離以外的地方，并且為了在如此遠(yuǎn)處還呈現(xiàn)視圓面，這些恒星必須是非常巨大的。 現(xiàn)在伽利略證明這些恒星的視圓面只不過是一種錯(cuò)覺。其實(shí)它們非常遙遠(yuǎn)。,伽利略發(fā)現(xiàn)木星衛(wèi)星 當(dāng)伽利略在1610年1月

32、7日第一次觀測木星時(shí)，他發(fā)現(xiàn)木星位于三顆小星的中間，而這三顆小星令人驚奇地排成一條直線。 木星那時(shí)正向西（逆行）運(yùn)動(dòng)，因此，伽利略希望在這之后的夜里，木星將運(yùn)動(dòng)到這些小星的西面。但事實(shí)上它卻出現(xiàn)在了東面。 第二晚是多云天氣，但是到了1月10日，他發(fā)現(xiàn)木星到了兩顆小星的西面，而第三顆小星不見了。 到1月13日，小星變成了四顆，到1月15日，伽利略意識(shí)到所謂的恒星實(shí)際上是衛(wèi)星，是繞木星旋轉(zhuǎn)的、象被太陽帶動(dòng)的行星一樣的、被行星帶動(dòng)的月亮。,伽利略帶來的新觀念： 不存在唯一的繞轉(zhuǎn)中心。早在天體運(yùn)行論卷一給出的哥白尼體系模型中就有一個(gè)嚴(yán)重的不規(guī)則現(xiàn)象，即地球一方面是一顆普通的行星，另一方面是唯一一顆帶有一個(gè)衛(wèi)星月亮而繞太陽旋轉(zhuǎn)的。 現(xiàn)在，望遠(yuǎn)鏡揭示了還有另外的帶著至少四個(gè)月亮的行星。 月亮并不完美。月亮被列入在亞里斯多德的天界之中，并且同屬于完美的天體。然而伽利略的望遠(yuǎn)鏡顯示，它的表面是不規(guī)則的，和在地球一樣也有山峰。月亮上的山峰 是人可以攀登上去的高度。,伽利略 恒星使者：伽利略很快就將他的新發(fā)現(xiàn)付印了，任何對(duì)日心體系真理尚存的懷疑，都被他的觀測排除了。他急于利用他的發(fā)現(xiàn)來促進(jìn)他的事業(yè)。他在幾個(gè)星期里就完成了恒星使者寫作，宣布了他的令人震驚的消息。 三個(gè)進(jìn)一步的發(fā)現(xiàn)： 伽利略還發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)宇宙理論中作為完美象征的太陽，其表面實(shí)際上是“斑斑點(diǎn)點(diǎn)、不潔凈的” 。 土星看起來有神秘