科学史上对天体运行的认知过程

韦松英

人类关于天体的运动的认识经历了漫长的过程，从提出地球是一个球，到证实地球是一球形；从地心说到日心说；从行星运动的圆轨道到椭圆轨道；从提出行星间存在引力到引力平方反比关系的猜想、证明，再到万有引力定律的建立，经历了两千多年的历史。在这个过程中，无数科学家做出了努力，下面就按历史发展的顺序，对主要贡献的历史人物以及事件做一个综述。

1“地心说”与“日心说”之争

古时人们就有“天圆地方”的说法，认为地球是方形的。公元前五六世纪，毕达哥拉斯从哲学的角度，提出地球应是完美的圆形。

公元前350年前后，亚里士多德（前384-前322）观察月食，认为那是地球在月球上的投影，据此推断出地球应为球形。支持这一观点的还有其他证据，比如观察到远处渐渐靠近的船只，总是先见到桅杆，后见到船身。亚里士多德还提出了地球是宇宙的中心，地球是由水、气、火、土组成，天体由“以太”组成。

托勒密，地球中心说。地球是一个在宇宙中心一动不动的球体，太阳、月亮以及其他行星都围绕着地球做完美的圆周运动。他提出，各行星都有自己的一个圆轨道，称为“本轮”，所有本轮的圆心又在一个以地球为中心的圆周上，这个圆周称为“均轮”。为了很好的解释天体的运动，本轮均轮达到80多个，后来又提出了偏心圆，这个结构非常复杂，但却较好的解释了人们所能观测到的天体的运动情况。他的这个天体模型一直流行到文艺复兴结束。

哥白尼（1473-1543），他在意大利读书时期，便对天文问题产生浓厚兴趣。在学习托勒密的《至大论》后，他认为托勒密的体系太过复杂，他提出如果将太阳作为宇宙的中心，可以大大简化托勒密的模型。1543年，哥白尼的著作《天体运行论》出版，他的体系将圆减少到了34个，与托勒密的体系相比，更为简洁。但是在行星方位的预测方面，与托勒密相比，并没有提高精度。

2行星运动轨道的确定

第谷（1546-1601），他在大学学习的是法律，但却对天文学有着更为浓厚的兴趣。他利用课余时间观察天象，发现自己观察到木星和土星靠在一起的时间比星历表的预言早了一个月，这激励他编制更为精确的星历表。为了能有更好的观察条件，他在欧洲游学，后来得到了丹麦国王的资助。1576年在赫芬岛，胡恩岛上建立天文台、图书馆、实验室、印刷厂。在那里观察了二十多年，得到大量的天文数据。1599年，在丹麦国王腓特烈二世逝世后，移居布拉格，继续观察。他为后人留下了珍贵的、精确的观测数据，为开普勒后续研究提供了宝贵的数据。第谷本人是地心说的支持者，他认为太阳和其他行星一起绕地球运动，地球是宇宙的中心，是不动的。

开普勒（1571-1630），德国人，天文学家。最初，他是哥白尼日心说的拥护者。与别人不同的是，开普勒不是盲目的接受一个观点，他通过自己的计算，发现哥白尼的体系与实际观察到的数据有出入，他对天体运行的规律有自己的思考。1600年，开普勒获得了成为第谷助手的机会，在第谷逝世后，获得了第谷所有的观测数据。之后开始进入长期的计算中，他发现，如果天体是按照正圆均速运动，所预测的天体运动与第谷观测的结果有较大的出入。他坚信第谷的数据是准确的，那么问题就出在天体运动规律的假设了。在之后的研究中，他发现活性经常偏离圆轨道，经过70多次的反复修正，否定了圆轨道，最后确定了椭圆。直到1609年，他在《新天文学》中公开发表了两条行星运动的规律。九年后，他又发现了第三定律。他用简单的三句话，概括了太阳与行星的运动规律，被后人称为“天空立法者”。这三句话就是我们现在所说的开普勒三大定律：轨道定律、面积定律和周期定律。轨道定律阐述了行星围绕太阳运动的轨道是一个椭圆，太阳在椭圆的焦点上。面积定律解释了天体运动时快时慢，“太阳与行星的连线在相同的时间内，扫过的面积是相等的”，所以近日点的行星运动的速度比远日点的速度要快。周期定律：，其中T表示的是天体绕太阳运动的周期，a表示的是天体绕太阳运动的椭圆轨道的半长轴。

3引力来源的思考及牛顿万有引力定律的建立

伽利略（1564-1642），意大利人。他是哥白尼的日心说的拥护者，认为地球是运动的。他始终坚信圆运动是最简单最和谐的运动，而不关注开普勒的椭圆轨道。他应用望远镜来观测天体，得到很多肉眼无法观测的现象，比如他发现了金星的盈亏变化，更加否定了地心说，给予日心说有力的支持。伽利略认为，天体做圆周运动，是遵从惯性原理的，它们的这种圆周运动不需要力来支持，是自然维持的。在力学方面，他推崇实验和数学推理相结合的科学方法。否定了亚里士多德重的物体比轻的物体下落的快的观点。他又对自由落体运动进行了研究，提出了自由落体运动是匀变速运动。他不仅对地面上的落体运动建立了正确的认识，更为近代科学创立了新的研究方法，标志着近代物理学的开端。

笛卡尔，与伽利略的观点一样，行星的轨道是正圆，是匀速运动的。他提出若没有外因的作用，运动的物体将以相同的速度沿同一直线运动，他强调惯性运动的直线性。但他否认天体运动是由于引力的作用而产生的。他认为太阳周围有“漩涡”，由于“漩涡”的作用，行星才得以不停做圆周运动。地球周围也存在“漩涡”，这才使得物体能落地。

荷兰科学家惠更斯做了一个实验，发现碗内漩涡的水让小石子拉到漩涡的中心，从而更加支持笛卡尔的漩涡模型。但令人惊奇的是，惠更斯在研究单摆问题的时候，已经发现圆周运动的物体需要向心力，并推算出向心力定律，但却未将它用在天体问题上，未发现天体运动的力是来自于引力。

伽利略、笛卡尔认为物体在不受其他外力作用时，将会沿着直线运动，他们的观点引发新的问题：（1）既然不受外力的时候物体做直线运动，那么天体的圆周或椭圆运动，需要力来维持，现在需要解决的问题就是找出这个力的规律。（2）证明引力随距离变化的关系。

牛顿（1642-1727），1687年出版的《原理》中提出了万有引力定律，一方面解释了落体运动及行星运动的规律，另一方面，他通过“月地检验”，将地上的落体运动和天上的行星运动统一起来，得到了简洁的运动规律。开普勒总结出了行星运动的规律，但并未能做出为什么运动的解释，牛顿恰在这方面做了研究。在惠更斯提出离心力（向心力）公式后，很多科学家都从开普勒的周期定律推出了引力与距离的平方成反比的关系。之后，科学家们又思考能否从中推导出物体的轨迹形状。胡克声称自己已经可以证明所有天体的运动规律，但他并未公布自己的结果。后来，1684年8月，哈雷拜访了牛顿，希望他可以帮助解决这个问题。牛顿声明自己早已做过证明，但是找不到手稿，他就重新证明了一次，那个时候牛顿已经发明了微积分，为他求解椭圆轨道的问题提供了数学基础。写了论文《论轨道上物体的运动》寄给哈雷，这篇文章成为后来出版的《论自然科学之数学原理》的第一部分内容。

牛顿继续深入思考，9个月后完成《论物体的运动》，解决了惯性问题，明确了引力的普遍性。牛顿思考地上苹果落地的重力和天上月亮绕地运动的力是否为同一种力，这就是后人所说的“月地检验”。牛顿提出，在地面上抛射出一块石子，石子将会在空中做曲线运动，然后落在地面上；如果增大初速度，石子落地时离出发点就越远。设想速度增加到非常大，石子将会经过好多里的路径才会落到地上；再继续增大速度，它将会从地球边上掠过。这就成为了我们现在所说的近地卫星。如果在月球的轨道上，给予合适的速度抛物体，那么物体将会绕地运动。这个物体可以是石子，也可以是苹果，或是月亮。如果月亮所受地球的引力和地面上的物体所受的引力遵从同样的规律，那么就实验了“天”“地”的统一。牛顿通过当时已有的月球绕地运动的周期，月地距离，算出月亮绕地运动的（向心）加速度是地面物体自由落体加速度的，两者距地球中心的距离之比为60，说明地球对月亮的引力和地面物体所受的引力都和距离遵从平方反比的关系，实现了“天地合一”。牛顿在研究天体问题的过程中，也解决了物理运动的本质问题，建立了以三大运动定律为基础的力学体系。在1687年出版的《自然哲学之数学原理》中，牛顿进行了完整的阐述。

亨利·卡文迪许（1731-1810），英国人，著名的物理学家、化学家。卡文迪许的扭秤实验，被评为“十大最美物理实验”。牛顿运用自己的强大的数学能力和大胆的推论，指出万物之间都存在引力。但是地球上两个物体之间的引力实在太小了，人们没办法测量，卡文迪许和米歇尔（1724-1793）设计的扭秤实验，弥补了这个遗憾。在米歇尔逝世后，卡文迪许继续钻研，在1798年，卡文迪许通过实验，测出了地球的密度（发表文章《地球密度的实验确定》）。当时他并未去计算引力常量G，但后人根据他的实验数据，得出，并计算出具体数值，历史上仍称他为“第一个称起地球质量的人”。