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天文学研究促成了现代科学研究方法

来源:论文联盟  作者: [字体: ]
文学研究促成了现代科学研究方法   天体运动定律的发现
  由于地球的自转,在地球上看起来,日月和其它所有的天体似乎都是绕地球转动的,因此古希腊人的宇宙观很自然就是地心说,该学说的代表人物是毕达哥拉斯(公元前572年~497年)和亚里士多德(公元前384年~322年)。事实上,直到今天仍然有很多人认为所有的天体都是绕地球转动的,因为这是由朴素的经验得到的很自然的结果。我多年前在美国看到一个抽样调查的结果,大约一半被调查的美国人仍然相信地心说。有人在回答调查的问卷时甚至写道,尽管学校老师教的是地球围绕太阳运动,但是地心说更加符合他们的经验。这告诉我们,尽管经验对于我们认识世界很重要,但是经验的直接外推并不一定能够反映世界的本质,从经验得到的结论必须经受进一步的检验(也就是观测或者实验的检验)。
  天文学家通过仔细的天文观测逐步发现,行星在天空中的运动轨迹会发生逆行。这个观测发现挑战了当时流行的地心说宇宙观。因此需要建立新的理论模型解释这个新的天文观测现象。托勒玫(公元90年~168年)提出的模型是“地心说+本轮”,也就是对地心说的一次修正,他认为行星的逆行是真实运动,每一个行星在绕地球运动的同时,也绕着自己的一个“本轮”进行转动。只要赋予每一个行星一组参数,就可以精确描述当时获得的每一个行星的观测结果。但是天文学家哥白尼(公元1473年~1543年)认为需要彻底推翻旧的地心说模型而建立一个全新的日心说模型。哥白尼认为,行星的逆行是行星和地球都绕太阳运动的相对运动所产生的视运动,这个模型也可以精确描述当时的观测结果。从解释当时已有观论文联盟http://www.LwlM.com测结果这个角度,无法判别这两个模型哪个正确,因此需要新的观测数据来检验这两个模型。
  第谷(1546年~1601年)的大量天文观测发现地心说和日心说都不能完全解释观测结果。他发现日心说不能解释为什么恒星没有视差。(实际上第谷非常英明地预言了视差现象。今天我们知道,当时没有观测到恒星视差的原因是恒星太远,视差小于当时的观测精度所致。)尽管进一步人为地修改地心说的“本轮”能够和数据相符,但是地心说的“本轮”太过复杂。于是第谷提出了一种介于地心说和日心说之间的宇宙体系,简称第谷体系,这一体系认为地球静居宇宙的中心,行星绕日运动,而太阳则率行星绕地球运行。
  和第谷同时代的开普勒(1571年~1630年)相信日心说,但是开普勒当时并没有掌握最好的观测资料,因此在第谷去世之前无法验证和发展日心说。第谷尽管和开普勒的学术观点不同,但在去世前还是把观测资料都交给了他。开普勒仔细分析了第谷的观测资料,发现只需要把日心说的圆轨道修改成椭圆轨道,而太阳处于所有行星的椭圆轨道的一个焦点(开普勒第一定律),这样就能够解释行星运动的全部观测资料,并根据观测资料建立了行星运动的另外两个定律,第一次用简洁的数学公式描述了行星的运动。开普勒三大定律的发现确立了日心说基本思想的正确性,并且对日心说进行了重要的修改,能够精确描述当时对行星的所有观测结果,是人类认识宇宙的重大突破,使得人类明确地认识到人类居住的地球不是宇宙的中心。
  牛顿和爱因斯坦理论的诞生
  尽管开普勒定律能够很好地描述当时的天文观测,但是就严格的意义上讲,开普勒定律仍然不是科学规律,因为开普勒并没有说明为什么会有开普勒定律,也不能通过更加基本的规律推导出开普勒定律,因此开普勒定律只能是基于当时的经验数据所整理归纳出的经验规律。
  牛顿(1643年~1727年)在他的力学三大定律的基础上,可以用万有引力定律解释和推导出开普勒定律。开普勒第一定律表明行星和太阳之间必须有引力作用(也就是万有引力的体现),开普勒第二定律就是牛顿第三定律(相当于动量守恒)的表现,而开普勒第三定律则可以使用牛顿第二定律加上万有引力定律定量地推导出来。因此牛顿的万有引力定律上升到了科学规律的层面,能够清楚地解释已有的经验规律。既然是科学规律,就必须能够做出预言,并经受新的经验(观测或者实验)检验和验证。
  伽利略(1564年~1641年)于1609年发明了天文望远镜,从此天文学家对宇宙的观测进入到了一个全新的时代,对行星运动观测的精度也大大提高。他们发现有些行星的运动轨道并不是严格地遵循牛顿万有引力定律的预言,这些偏离被称为轨道的“摄动”。如果相信牛顿万有引力定律的正确性,那么观测到的摄动就只能解释为尚未发现的行星引力造成的。天文学家们根据牛顿定律计算天王星轨道的摄动,于1843年~1846年预言了海王星的位置。海王星于1846年9月23日被发现(此时牛顿已经逝世一个多世纪了),这是牛顿定律的伟大胜利,也从此彻底确立了牛顿定律的正确性。因此牛顿的万
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