天体运行的认知演变及万有引力定律的建立过程

文/惠州中学

人类对天体运动的认识经历了漫长的过程，从肉眼到望远镜，从感性到理性，从保守到包容，从表象到实证，从修补到推翻，从想象到真实，直到万有引力定律的建立，真实的空间观经历两千多年才露出真容。

1.远古宇宙观“盖天说”

远古时代，人类祖先站在洪荒漠野之上，从抬头凝望日月星辰的那一刻，便再次停止对宇宙的探索。夜晚的满天繁星如同一张巨网笼罩着大地，于是便有了“盖天说”，人们认为地球是平的，天如一个碗倒扣在大地上，日月星辰遍布碗内。

2.亚里士多德的“地心说”

地球如果是平的，对所有人来说日、月将在同一时间“升上”和“落下”，但这似乎并没有发生。不同地方的观察者观测月食现象的时间并不相同，人们发现这个时间差异与不同地点间的距离成比例，因此可以合理地认为地球表面是球形的，且保持一致的曲率可以保证地球表面每一部分都按比例地跟随地球运动。公元前4世纪，亚里士多德(公元前384-公元前322)创立了“地心说”。他认为，地球位于宇宙中心，日月星辰不断绕地球运行，天体沿正圆轨道以统一不变的速率运动是出于对完美神明进行模仿的渴望，天体到地球距离永远保持不变，所有天体顺着一个方向运行。

3.托勒密的“周转圆-均轮体系”

天体亮度的变化说明太阳、月亮、金星等离地球的距离是不断变化的，而且行星有时会逆行。为了解释这些现象，希腊的阿波罗尼阿斯开始“设计”偏心轮模型，认为地球不一定在某些天体圆轨道中心而在其一旁，至于逆行现象，他提出了天体运行的“周转圆-均轮”结构，天体独自做圆周运动，圆周的中心又在另一个以地球为中心的圆周上运行，前者为“周转圆”，后者为“均轮”。这一构想最终经希腊天文学家托勒密(90-168)完善后发表在《至大论》上，后逐渐被天主教、基督教和伊斯兰教接纳为世界观的正统理论，因为它能很好地解释当时天体的观测结果，一直被沿用到16世纪。

4.哥白尼的“日心说”

随着观测技术的不断进步，诸多观测结果与托勒密的“周转圆-均轮体系”理论的偏差越来越大。人们为了解释这些偏差，开始在原有的周转圆上增加“次要周转圆”，这种办法起初还能勉强应付，到后来小本轮越来越多，使天体模型复杂得像一团毛线球，繁重的计算使人们开始怀疑地心说的正确性。

在16世纪，尼古拉·哥白尼(1473-1543)发展出了另一个关于宇宙的理论，他把托勒密“周转圆-均轮体系”中的地球与太阳的位置互换，提出了著名的“日心说”。出于对教会迫害的顾虑，哥白尼直到68岁才下定决心将《天体运行论》出版，书中第一句话是：“圣明的教皇，我常常在想，一旦我将这本关于宇宙中天体运动的书公诸于众，有多少人会因我对地球运行轨迹的解释而气急败坏，进而扬言将我和我的学说送回地狱。”后来天文学家以哥白尼理论为基础重新编排了一套天文学表格供人们使用，让哥白尼体系广为人们所知、所晓、所读，并成为欧洲各大学中广泛教授的课程。

哥白尼提出“日心说”的世界观，在当时社会上激起轩然大波，沉重地打击了封建教会的神权统治，同时也激发了一群具有科学创造意识的天文学家们的研究热情，“日心说”是万有引力定律建立的开端。

5.第谷体系

1576年，第谷·布拉赫(1546-1601)在丹麦国王腓特烈二世的资助下建立了“观天堡”天文台，第谷在这里进行了长达20余年的观测(月球、恒星、行星、彗星)，为天文学提供了珍贵且准确到超乎寻常的观测数据。与当时大多数天文学家相同，第谷非常熟悉托勒密体系和哥白尼体系，面对“地心说”和“日心说”第谷提供了一个可行的妥协方案，保留了两者的优势。他没有建构新的理论，没有引入新的内容，他对人们已熟知的内容进行重新编排。他说地球是静止的，而且是宇宙的中心，月球和太阳围绕地球运转，但是其它行星围绕太阳转。

6.开普勒体系

开普勒(1571-1630)来到“观天堡”天文台不到两年第谷就去世了。开普勒用第谷的观测结果(特别是火星数据)去一一验证托勒密体系、哥白尼体系和第谷的折衷体系。遗憾的是，第谷的观测结果与三个学说都不符合，但他坚信第谷的观测数据是准确的，这股信念让他摒弃了旧体系中两个关键的概念性事实，即正圆事实和匀速圆周运动事实。开普勒发现行星以变化的速率沿椭圆轨道围绕太阳运动的模型可以完美地解释火星的数据。1609年开普勒发表了火星以变化的速率沿椭圆轨道运行的观点，并随之扩展到了其它行星，并以此为基础他提出了行星运动的三大规律：“行星围绕太阳沿椭圆轨道运转，太阳占据椭圆轨道两个焦点之一的位置；在同等的时间内，行星和太阳的连线在其轨道平面上所扫过的面积相等；行星公转周期的平方与它同太阳距离的立方成正比”。开普勒三定律，为引力问题的研究奠定了直接基础。他一方面揭示了行星的运动规律，另一方面引出了新的问题：行星为什么要这样运动？开普勒认为是从太阳上发出的一种不可见、无实体、并随着太阳转动的磁力连接到行星，从而“推着”行星运动。

7.牛顿的终极论证

1665年，22岁的牛顿(1643-1727)开始研究引力问题，他从伽利略对抛体运动的研究结论中得到启发，当平抛的初速度越大时，物体的水平位移就越大，如果在高山上以足够大的初速度抛出一个物体，它将永远不会落到地面。牛顿推想，如果在月球等高处释放一个物体，会和从一棵苹果树上掉落的一个苹果一样落到地面，那么地球表面物体的运动与天上月球运动遵守的规律应该是一致的。

牛顿与弗莱姆斯蒂德在讨论1680年末出现的慧星时表示：“我能够容易地理解到，在太阳的中心确实存在着能够保持行星运行在它们轨道之中而不是沿着切线方向离开的吸引力。”牛顿可以证明所有的卫星在一个力的作用下离开了直线运动进入绕着一个中心的运行轨道。现以月球绕地球为例，月球的运行周期是27天7小时43分钟，地球的周长为123249600巴黎呎，“如果让一个保证月球在其轨道上运行的力在我们的区域里作用于一个下落过程中的物体，那么这个物体一秒钟应该降落15英尺1寸零1/12寸。” 由此，牛顿提出重力是普遍存在的，宇宙中所有微粒都吸引着其它的微粒，“存在一个作用力把物体拉向地球的中心，这个力同时延伸到月球，它拉动月球就像它牵引一个苹果那样。”

1678年到1679年，罗伯特·胡克、哈雷、雷恩等人，根据开普勒第三定律和惠更斯离心力定律，推导出如果把行星的椭圆轨道看作圆形，则行星受到的向心力和距离的平方成反比，但他们都无法证明行星沿椭圆轨道运行时受到的吸引力也遵循平方反比关系，最终牛顿用自己独创的微积分和他对行星行动的理解完成这项证明。

1685年牛顿完整的确立并公布了万有引力定律：F=G0m1×m2r2,m1×m2是两物体质量的乘积，r是二者间的距离，G0是万有引力常量。时隔百年之后，1789年英国物理学家卡文迪许用“扭称实验”第一次测得准确的引力常量G0=6.754×10-11N·m2/kg2。

牛顿在伽利略、笛卡尔、开普勒、胡克、惠更斯等人研究的基础上，采用归纳与演绎、综合与分析的方法，总结出以牛顿运动定律和万有引力定律为核心的力学运动规律，建立了完整的经典力学体系，物理学从此成为一门成熟的自然科学。