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克罗狄斯·托勒密
“地心说”的集大成者克罗狄斯·托勒密（Claudius Ptolemaeus,英文Ptolemy,公元90年~168年）生于埃及,父母都是希腊人.公元127年, 年轻的托勒密被送到亚历山大去求学.在那里,他阅读了不少的书籍,并且学会了天文测量和大地测量.他曾长期住在亚历山大城,直到151年.有关他的生平,史书上少有记载.
在古老的宇宙观中,人们把天看成是一个盖子,地是一块平板,平板就由柱子支撑着.
在公元前四到三世纪,对于天体的运动,希腊人有两种不同的看法：一种以欧多克斯为代表,他从几何的角度解释天体的运动,把天上复杂的周期现象,分解为若干个简单的周期运动；他又给每一种简单的周期运动指定一个圆周轨道,或者是一个球形的壳层,他认为天体都在以地球为中心的圆周上做匀速圆周运动,并且用二十七个球层来解释天体的运动,到了亚里士多德时,又将球层增加到五十六个.另一种以阿利斯塔克为代表,他认为地球每天在自己的轴上自转,每年沿圆周轨道饶日一周,太阳和恒星都是不动的,而行星则以太阳为中心沿圆周运动.但阿利斯塔克的见解当时没有人表示理解或接受,因为这与人们肉眼看到的表观景象不同.
托勒密于公元二世纪,提出了自己的宇宙结构学说,即“地心说”.其实,地心说是亚里士多德的首创,他认为宇宙的运动是由上帝推动的.他说,宇宙是一个有限的球体,分为天地两层,地球位于宇宙中心,所以日月围绕地球运行,物体总是落向地面.地球之外有9个等距天层,由里到外的排列次序是：月球天、水星天、金星天、太阳天、火星天、木星天、土星天、恒星天和原动力天,此外空无一物.各个天层自己不会动,上帝推动了恒星天层,恒星天层才带动了所有的天层运动.人居住的地球,静静地屹立在宇宙的中心.托勒密全面继承了亚里士多德的地心说,并利用前人积累和他自己长期观测得到的数据,写成了8卷本的《伟大论》.在书中,他把亚里士多德的9层天扩大为11层,把原动力天改为晶莹天,又往外添加了最高天和净火天.托勒密设想,各行星都绕着一个较小的圆周上运动,而每个圆的圆心则在以地球为中心的圆周上运动.他把绕地球的那个圆叫“均轮”,每个小圆叫“本轮”.同时假设地球并不恰好在均轮的中心,而偏开一定的距离,均轮是一些偏心圆；日月行星除作上述轨道运行外,还与众恒星一起,每天绕地球转动一周.托勒密这个不反映宇宙实际结构的数学图景,却较为完满的解释了当时观测到的行星运动情况,并取得了航海上的实用价值,从而被人们广为信奉.
托勒密的天体模型之所以能够流行千年,是有它的优点和历史原因的.它的主要特点是：
1． 绕着某一中心的匀角速运动,符合当时占主导思想的柏拉图的假设,也适合于亚里士多德的物理学,易于被接受.
2． 用几种圆周轨道不同的组合预言了行星的运动位置,与实际相差很小,相比以前的体系有所改进,还能解释行星的亮度变化.
3． 地球不动的说法,对当时人们的生活是令人安慰的假设,也符合基督教信仰.
在当时的历史条件下,托勒密提出的行星体系学说,是具有进步意义的.首先,它肯定了大地是一个悬空着的没有支柱的球体.其次,从恒星天体上区分出行星和日月是离我们较近的一群天体,这是把太阳系从众星中识别出来的关键性一步.
托勒密本人声称他的体系并不具有物理的真实性,而只是一个计算天体位置的数学方案.至于教会利用和维护地心说,那是托勒密死后一千多年的事情了.教会之所以维护地心说,只是想歪曲它以证明教义中描绘的天堂人间地狱的图象,如果编纂教义时流行着别的什么学说,说不定教会也会加以利用的.所以,托勒密的宇宙学说同宗教本来并没有什么必然的联系.
上知天文、下识地理的托勒密
除了在天文学方面的造诣, 托勒密在地理学上也做出了出色的成就.他认为,地理学 的研究对象应为整个地球,主要研究其形状、大小、经纬度的测定以及地图投影的方法等.他制造了测量经纬度用的类似浑天仪的仪器（星盘）和后来驰名欧洲的角距测量仪.托勒密有地理学著作八卷,其中六卷都是用经纬度标明的地点位置表.他的多数地点位置好象都是根据他的本初子午线和用弧度来表现的平纬圈之间的距离来计算的,因为他的经度没有一个是从天文学上测定的,只有少数纬度是这样测定的.托勒密采用了波昔东尼斯测定的地球周长的较小数值,这就使得他所有用弧度表现的陆向距离都夸大了,因为他把每一弧度的距离定为五百希腊里,而不是六百希腊里.这样一来,从欧洲到亚洲横贯大西洋的洋面距离,看上去就比埃拉托斯特尼的计算值小得多,这项计算最后还导致了哥伦布从西面驶往亚洲的企图.托勒密对世界情况比他的前辈熟悉的多,埃拉托斯特尼的地图东面只到印度的恒河为止,但是托勒密知道有马来半岛和“蚕丝之国”,即中国.
在数学方面,他用圆周运动组合解释了天体视动,这在当时被认为是绝对准确的.他还论证了四边形的特性,即有名的托勒密定理.他对光学也作过研究,认为光线在折射时入射角与折射角成正比关系.
重要的著作
托勒密著有四本重要著作：《天文学大成》（Almagest）、《地理学》(Geography)、《天 文集》(Tetrabiblos)和《光学》(Optics).
《天文学大成》——500年的希腊天文学和宇宙学思想的顶峰——统治了天文界长达13 个世纪.这样一本知识上参差交错且复杂的著作,不是单独一个人所能完成的.托勒密依靠了他的先驱者,特别是喜帕恰斯,这一点是无须掩盖的.他面对的基本问题是：在假设宇宙是以地球为中心的、以及所有天体以均匀的速度按完全圆形的轨道饶转的前提下,试图解释天体的运动.因为实际天体以变速度按椭圆轨道饶地球以外的中心运动,为了维护原来的基本假设,就要考虑某些非常复杂的几何形状.托勒密使用了3种复杂的原始设想：本轮、偏心圆和均轮.他能对火星、金星和水星等等的轨道分别给出合理的描述,但是如果把它们放在一个模型中,那么它们的尺度和周期将发生冲突.然而,无论这个体系存在着怎样的缺点,它还是流行了1300年之久,直到15世纪才被哥白尼推翻.
在《地理学》一书中,托勒密充分地解释了怎样从数学上确定纬度和经度线.然而,没有一条经线是用天文学方法确定的,仅仅少数的纬度线是这样计算的.他将陆上测量的距离归算为度,就在这无把握的网格上定出地区的位置.海面上的距离,简直是猜测出来的.他把加那利群岛放到它们真正位置以东7°去了,因而整个的网格定位只能是错误的.《地理学》对西方世界观的影响几乎也像《天文学大成》一样巨大和持久：托勒密标出的亚洲位置比它实际的更近（向西）,与哥伦布同时代的地图制造者继承了他的错误观点,否则哥伦布也许就不会航行了.
在托勒密的著作中,今天还容易得到和广泛被阅读的唯一一本是《天文集》,这是占星学方面的书籍,这本书很长而且全面,是自然主义的,在书中托勒密假定能存在某种形式的、来自天体的自然辐射影响着人类.现在占星学的大多数概念和争议都可以追溯到这本著作.
托勒密的最后一本重要著作《光学》,从许多方面来看都算是他所有著作中最成功的一部,他在书中提出和说明了各种基本原理,但他对折射的了解似乎是纯经验的.他绘出了光线以各种入射角从光疏媒介进入水的折射表.
他的主要著作在希腊被称为《综合论》,阿拉伯人把它取名为《天文学大成》,它取自阿拉伯语的定冠词“al”和他们对希腊词“伟大”的发音,这正是子孙后代对托勒密的赞颂.
尼古拉·哥白尼
公元1473～公元1543
伟大的天文学家尼古拉·哥白尼（波兰名为Mikolaj Kopernik）出生于波兰维斯杜拉河畔的托兰市的一个富裕家庭.年轻时就读于克莱考大学,学习期间对天文学产生了兴趣.二十多岁时他去意大利留学,在博洛尼亚大学和帕迪尔大学攻读法律和医学,后来在费拉拉大学获宗教法博士学位.哥白尼成年的大部分时间是在费劳恩译格大教堂任职当一名教士.哥白尼并不是一位职业天文学家,他的成名巨著是在业余时间完成的.
在意大利期间,哥白尼就熟悉了希腊哲学家阿里斯塔克斯（前三世纪）的学说,确信地球和其他行星都围绕太阳运转这个日心说是正确的.他大约在40岁时开始在朋友中散发一份简短的手稿,初步阐述了他自己有关日心说的看法.哥白尼经过长年的观察和计算终于完成了他的伟大著作《天体运行论》.
1533年,60岁的哥白尼在罗马做了一系列的讲演,提出了他的学说的要点,并未遭到教皇的反对.但是甚至在他的书完稿后,还是迟迟不敢发表,怕遭到教会的反对.直到在他临近古稀之年才终于决定将它出版.1543年5月24日去逝的那一天才收到出版商寄来的一部他写的书.
在书中他正确地论述了地球绕其轴心运转；月亮绕地球运转；地球和其他所有行星都绕太阳运转的事实.但是他也和前人一样严重低估了太阳系的规模.他认为星体运行的轨道是一系列的同心圆,这当然是错误的.他的学说里的数学运算很复杂也很不准确.但是他的书立即引起了极大的关注,驱使一些其他天文学家对行星运动作更为准确的观察,其中最著名的是丹麦伟大的天文学家泰寿·勃莱荷,开普勒就是根据泰寿积累的观察资料,最终推导出了星体运行的正确规律.
虽然阿里斯塔克斯比哥白尼提出日心学说早1700多年,但是事实上哥白尼得到了这一盛誉.阿里斯塔克斯只是凭借灵感做了一个猜想,并没有加以详细的讨论,因而他的学说在科学上毫无用处.哥白尼逐个解决了猜想中的数学问题后,就把它变成了有用的科学学说——一种可以用来做预测的学说,通过对天体观察结果的检验并与地球是宇宙中心的旧学说的比较,你就会发现它的重大意义.
显然哥白尼的学说是人类对宇宙认识的革命,它使人们的整个世界观都发生了重大变化.但是在估价哥白尼的影响时,我们还应该注意到,天文学的应用范围不如物理学、化学和生物学那样广泛.从理论上来讲,人们即使对哥白尼学说的知识和应用一窍不通,也会造出电视机、汽车和现代化学厂之类的东西.但是不应用法拉第、麦克斯韦、拉瓦锡和牛顿的学说则是不可想象的.
仅仅考虑哥白尼学说对技术的影响就会完全忽略它的真正意义.哥白尼的书对伽利略和开普勒的工作是一个不可缺少的序幕.他俩又成了牛顿的主要前辈.是这两者的发现才使牛顿有能力确定运动定律和万有引力定律
开普勒
约翰尼斯·开普勒
公元1571～公元1630
行星运动定律的发明者约翰尼斯·开普勒于1571年出生在德国的威尔德斯达特镇,恰好是哥白尼发表《天体运行论》后的第二十八年.哥白尼在这部伟大著作中提出了行星绕太阳而不是绕地球运转的学说.开普勒就读于蒂宾根大学,1588年获得学士学位,三年后获得硕士学位.当时大多数科学家拒不接受哥白尼的日心说.在蒂宾根大学学习期间,他听到对日心学说所做的合乎逻辑的阐述,很快就相信了这一学说”
在蒂宾根大学毕业后,开普勒在格拉茨研究院当了几年教授.在此期间完成了他的第一部天文学著作（1596年）.虽然开普勒在该书中提出的学说完全错误,但却从中非常清楚地显露出他的数学才能和富有创见性的思想,于是伟大的天文学家泰修·布拉赫邀请他去布拉格附近的天文台给自己当助手.开普勒接受了这一邀请,1600年1月加入了泰修的行列.泰修翌年去世.开普勒在这几个月来给人留下了非常美好的印象,不久圣罗马皇帝鲁道夫就委任他为接替泰修的皇家数学家.开普勒在余生一直就任此职.
作为泰修·布拉赫的接班人,开普勒认真地研究了泰修多年对行星进行仔细观察所做的大量记录.泰修是望远镜发明以前的最后一位伟大的天文学家,也是世界上前所未有的最仔细、最准确的观察家,因此他的记录具有十分重大的价值.开普勒认为通过对泰修的记录做仔细的数学分析可以确定哪个行星运动学说是正确的：哥白尼日心说,古老的托勒密地心说,或许是泰修本人提出的第三种学说.但是经过多年煞费苦心的数学计算,开普勒发现泰修的观察与这种三学说都不符合,他的希望破灭了.
最终开普勒认识到了所存在的问题：他与泰修、拉格茨·哥白尼以及所有的经典天文学家一样,都假定行星轨道是由圆或复合国组成的.但是实际上行星轨道不是圆形而是椭圆形.
就在找到基本的解决办法后,开普勒仍不得不花费数月的时间来进行复杂而冗长的计算,以证实他的学说与泰修的观察相符合.他在1609年发表的伟大著作《新天文学》中提出了他的前两个行星运动定律.行星运动第一定律认为每个行星都在一个椭圆形的轨道上绕太阳运转,而太阳位于这个椭圆轨道的一个焦点上.行星运动第二定律认为行星运行离太阳越近则运行就越快,行星的速度以这样的方式变化：行星与太阳之间的连线在等时间内扫过的面积相等.十年后开普勒发表了他的行星运动第三定律：行星距离太阳越远,它的运转周期越长；运转周期的平方与到太阳之间距离的立方成正比.
开普勒定律对行星绕太阳运动做了一个基本完整、正确的描述,解决了天文学的一个基本问题.这个问题的答案曾使甚至象哥白尼、伽利略这样的天才都感到迷惑不解.当时开普勒没能说明按其规律在轨道上运行的原因,到17世纪后期才由艾萨克·牛顿阐明清楚.牛顿曾说过：“如果说我比别人看得远些的话,是因为我站在巨人的肩膀上.”开普勒无疑是他所指的巨人之一.
开普勒对天文学的贡献几乎可以和哥白尼相媲美.事实上从某些方面来看,开普勒的成就甚至给人留下了更深刻的印象.他更富于创新精神.他所面临的数学困难相当巨大.数学在当时远不如今天这样发达,没有计算机来减轻开普勒的计算负担.
从开普勒取得的成果的重要性来看,令人感到惊奇的是他的成果起初差一点被忽略,甚至差点被伽利略这样如此伟大的科学家所忽略（伽利略对开普勒定律的忽视特别令人感到惊奇,因为他俩之间有书信往来,而且开普勒的成果会有助于伽利略驳斥托勒密学说）.如果说其他人迟迟不能赏识开普勒成果的重大意义的话,他本人是会谅解这一点的.他在一次抑制不住巨大喜悦时写道：“我沉湎在神圣的狂喜之中……我的书已经完稿.它不是会被我的同时代人读到就会被我的子孙后代读到——这是无所谓的事.它也许需要足足等上一百年才会有一个读者,正如上帝等了6000年才有一个人理解他的作品.”
但是经过几十年的历程,开普勒定律的意义在科学界逐渐明朗起来.实际上在17世纪晚期,有一个支持牛顿学说的主要论点认为开普勒定律可以从牛顿学说中推导出来,反过来说只要有牛顿运动定律,也能从开普勒定律中精确地推导出牛顿引力定律.但是这需要更先进的数学技术,而在开普勒时代则没有这样的技术、就是在技术落后的情况下,开普勒也能以其敏锐的洞察力判断出行星运动受来自太阳的引力的控制.
开普勒除了发明行星运动定律外,还对天文学做出了许多小的贡献.他也对光学做出了重要的贡献.不幸的是他在晚年为私事而感到忧伤.当时德国开始陷入“三十年战争”的大混乱之中,很少有人能躲进世外桃源.
他遇到的一个问题是领取薪水.圣罗马皇帝即使在较兴隆的时期都是怏怏不乐地支付薪水.在战乱时期,开普勒的薪水被一拖再拖,得不到及时的支付.开普勒结过两次婚,有十二个孩子,这样的经济困难的确很严重.另一个问题是他的母亲在1620年由于行巫术而被捕.开普勒花费了大量的时间设法使母亲在不受拷打的情况下获得释放,他终于达到了目的.
开普勒于1630年在巴伐利亚州雷根斯堡市去世.在“三十年战争”的动乱中,他的坟墓很快遭毁.但是业已证明他的行星运动定律是一座比任何石碑都更为久伫长存的纪念碑.

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