17世紀(jì)之前,歐洲的主流觀點認(rèn)為所有天體都繞著地球旋轉(zhuǎn)。在哥白尼和伽利略之后,幾乎所有的天文學(xué)家都被說服而改變了主意:月亮繞著地球轉(zhuǎn),行星繞著太陽轉(zhuǎn)。
但是最初的問題還是沒解決,地球和太陽,是誰繞著誰轉(zhuǎn)呢?流行的改良版地心說認(rèn)為,行星繞太陽轉(zhuǎn)的同時,太陽還是繞地球。
當(dāng)時的天文觀測解決不了這個問題,因為運動本身是相對的。如果只考慮太陽系內(nèi)部的話,不管地球繞太陽,還是太陽繞地球,在運動上都是完全等價的,只要進(jìn)行一個坐標(biāo)系變換就可以了。
如果考慮到整個宇宙的話,二者就存在區(qū)別了:假如地球在動,那么地球處在不同位置的時候,看到的星空應(yīng)該有微小的差異,這就是所謂的“視差”。假如動的是太陽,那就沒有差異。當(dāng)時的天文學(xué)觀測并沒有發(fā)現(xiàn)視差,這似乎是支持太陽在動。支持地球在動的一方認(rèn)為,這是因為恒星的距離非常遙遠(yuǎn),導(dǎo)致視差太小,觀測不到。這個說法雖然是可能的,但終究沒有證據(jù)。
何況,如果恒星真的那么遠(yuǎn),那意味著有些恒星必定非常之大,當(dāng)時的估算是某些恒星的半徑比地球和太陽之間的距離還大。今天我們知道這是可能的,但17世紀(jì)的天文學(xué)家就覺得這太荒謬了。
日地誰在動的這個根本分歧,靠17世紀(jì)的觀察解決不了,但除了觀察還有別的辦法,比如說,探究一下底層機(jī)制:為什么天體之間會彼此繞著轉(zhuǎn)呢?
古希臘人認(rèn)為圓周運動是天體的自然規(guī)律,沒有為什么。近代物理學(xué)的進(jìn)展否定了這個觀點,特別是牛頓提出的三定律第一條就指明,在不受外力的情況下,物體應(yīng)該做勻速直線運動。換句話說,圓周運動的天體,必定是受到了某個力的作用。
是什么力呢?牛頓認(rèn)為,是物體之間的萬有引力。
有一個著名的故事說,牛頓年輕時因為被蘋果砸了頭,思考它為何落下而不是飛上天,所以發(fā)現(xiàn)了引力。這個故事有很多不準(zhǔn)確的地方,比如說,它是牛頓晚年的時候才第一次講的,史家懷疑它可能根本就沒發(fā)生,只是為了爭優(yōu)先權(quán);再比如說,本來的故事里牛頓只是看到了蘋果落下,也不是被砸了頭,蘋果砸頭雖不如榴蓮但也是相當(dāng)疼的。不過最關(guān)鍵的是,之前的物理學(xué)家早就試圖解釋過蘋果為何落下了。牛頓的突破不在于思考蘋果的下落,而是意識到蘋果和月亮遵守同樣的物理定律。
那為何月亮不會落到地球上呢?牛頓說,想象一門大炮以越來越快的速度發(fā)射炮彈,炮彈落地的距離也會越來越遠(yuǎn)。不停地遠(yuǎn)下去會發(fā)生什么呢?地球是圓的,繞圓一周的距離是有限的,所以炮彈必然會開始繞地球一圈、兩圈、三圈甚至更多圈才會落下,最后變成繞地球穩(wěn)定的圓周運動。可以理解為,雖然炮彈在往地球的方向掉,但是地表因為是圓的所以也在下沉,二者正好相互抵消了。
這個點子可能不是牛頓第一個想到的。當(dāng)時的另一個物理學(xué)家胡克,也認(rèn)為天體之間的吸引力是天體運行的動力源,兩人為了優(yōu)先權(quán)爭吵多年。但是,胡克只能計算出圓周運動的情況,他不會算橢圓運動,而當(dāng)時天文學(xué)界已經(jīng)普遍接受了行星的軌道是橢圓的。是牛頓從數(shù)學(xué)上證明了,引力確實可以導(dǎo)致我們觀測到的橢圓軌道。
一旦確定了天體運動的動力來源,日心和地心的爭論就自然解決了。力的作用是相互的,太陽和地球?qū)Ρ舜耸┘拥囊Υ笮∠嗤?。但是牛頓第二定律指出,受到同樣大小的力時,質(zhì)量越大的,加速度越小。太陽非常巨大,所以應(yīng)該在中心幾乎不動。相比之下地球很小,所以應(yīng)該在外圍繞圈。這個論證基本上宣判了改良版地心說的死刑,而等到后來天文學(xué)進(jìn)展發(fā)現(xiàn)了視差的存在,就徹底地給地心說蓋上了棺材板。
觀察是所有科學(xué)的起點,但只有觀察,很多問題解決不了,必須深入到底層機(jī)制的解釋,才能探明世界的本源。實際上,許多古代知識體系都積累了豐富的觀察,它們和科學(xué)的差異,就在于是否能夠正確地探明觀察現(xiàn)象背后的機(jī)制。
來源: 科普中國
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