科学技术史-哥白尼革命

近代科学革命之天文学革命近代科学大致进程•科学复兴：16世纪中叶～开花结果：17世纪•哥白尼（《天体运行论》）、第谷（庞大的天文新数据）、开普勒（行星三大定律）、伽利略、牛顿（经典力学）回顾古代天文学拯救现象的技术性装置亚里士多德的宇宙论传统•亚里士多德把天分成月上区和月下区。•地上的运动：用四元素说、自然位置来说明•天上的运动：用完美的圆周匀速运动来说明而这就是数理天文学家们的使命——拯救现象经院哲学（亚里士多德主义）经院哲学中世纪（兴起）—文艺复兴（抵抗柏拉图主义）—科学革命（衰落）经院哲学的宇宙观亚里士多德主义+基督教+托勒密宇宙模型•地球是宇宙的中心，却是宇宙中最易腐朽之物，而宇宙间最黑暗的地狱就设在地球的中心•水晶球是永恒的、完美的、透明的，他由至高无上的上帝来推动（不彻底的物理学改造）新柏拉图主义新柏拉图主义教父哲学（罗马帝国）—衰落（在拜占庭帝国的式微，在西欧被经院哲学取代）—文艺复兴时期（复兴）托勒密的基本假定1、天是球形的并且像球那样转动2、地作为一个整体也是球形的3、地位于整个天的中央，好像一个中心4、由于地球的太小，而到恒星天球的距离很大，地球对于恒星天球来说，小得犹如一个点5、地球不参与任何转动•托勒密是纯粹的数理天文学家柏拉图主义＋基督教•万物皆数•太阳是至高无上的哥白尼革命哥白尼•1473年2月19日生于波兰•18岁进入波兰的克拉科夫大学学习医学•1496年来到意大利，先后在波洛尼亚大学和帕多瓦大学学习法律、医学和神学•从波洛尼亚大学天文学家德·诺瓦拉那里学到了天文观测技术和希腊的天文学理论•1506年回到波兰，1509年写出了《概要》•1539年写出了天文学史上伟大著作《天球运行论》《概要》的基本概括1.不存在一个所有天体轨道或天体的共同的中心2.地球只是引力中心和月球轨道的中心，并不是宇宙的中心3.所有天体都绕太阳运转，宇宙的中心在太阳附近4.地球到太阳的距离同天穹高度之比是微不足道的5.在天空中看到的任何运动，都是地球运动引起的6.在空中看到的太阳运动的一切现象，都不是它本身运动产生的，而是地球运动引起的，地球同时进行着几种运动7.人们看到的行星向前和向后运动，是由于地球运动引起的。地球的运动足以解释人们在空中见到的各种现象哥白尼与托勒密的区别•放弃使用偏心等距点（非常自然地说明了逆行、行星速度和距离的变化）•将宇宙的中心置换为太阳•地球不是静止而具有多种运动（自转、公转）产生一定的简单性、和谐性、美观性哥白尼的保守性•数据来源大部分还是来源于希腊天文学•继续使用天球概念•宇宙依然是有限的，保留了恒星天•更加频繁的使用本轮和均轮这使得哥白尼的学说在另外一些地方又显得比托勒密体系复杂在物理基础的问题上并没有很大的突破文本阅读：哥白尼的辩护词•反对理由：如果地球在转动，空气就会落在后面，而形成一股持久的东风。•哥白尼答复：空气含有土微粒，和土地是同一性质，因此逼得空气要跟着地球转动。•哥白尼答复：空气转动时没有阻力是因为空气和不断转动的地球是连接着的。•反对理由：一块石子向上抛去，就会被地球的转动抛在后面，而落在抛掷点的西面。•哥白尼答复：由于受到本身重量压力的物体主要属于泥土性质，所以各个部分毫无疑问和它们的整体保持同样的性质。•反对理由：如果地球转动，它就会因离心力的作用变得土崩瓦解•哥白尼答复：如果地球不转动，那末恒星的那些更庞大的球就必须以极大的速度转动，这一来恒星就很容易被离心力拉得粉碎。•哥白尼答复：离心力只在非天然的人为运动中找得到，而在天然的运动中，如地球和天体的运动中，则是找不到的哥白尼日心说的同化与接受技术上，哥白尼的日心说面临很多挑战1.离心力问题2.恒星视差宗教上，哥白尼的日心说抵触了基督教的一些教条，尤其是地心说的教条•比如《约书亚记》《天球运行论》的流行，而日心说则广受批评小结：哥白尼的日心说的非革命性①与托勒密相差无几，只是用置换宇宙中心的方法来换取托勒密的偏心等距点②简单性和精准性并没有比托勒密提高多少③面临非常严峻的挑战：离心力和恒星视差④没有得到广泛接受？问题：哥白尼的革命性在哪里哥白尼日心说的根本内涵柏拉图主义对亚里士多德主义的反击•数是解释自然的钥匙，自然的秩序是几何的，简洁的、和谐的、美观的•太阳是至高无上的未来新范式的草图•哥白尼提出了另外一种选择，一个新的框架，以后开普勒、伽利略、笛卡尔、牛顿等人正是在这个草图上不断细描深刻，最终完成了近代科学的建构哥白尼的立场：日心说是真实的，不仅仅是为方便而设人的地位的悄然提高文本阅读：哥白尼对日心说的宣言在所有行星的中心居住着太阳，在这个位置它可以一瞬间照亮整个宇宙，对于这个最壮丽的神殿，谁能将这盏明灯安放到另外或者更好的地方？事实上，将太阳是为宇宙的明灯十分贴切，另外它也是宇宙的心灵，并一直是宇宙的统治者。至尊的赫尔墨斯被称为“看得见的上帝”，而索福克勒斯在《厄勒克特拉》中则被称为“万物的洞察者”。于是，太阳就好像做在王座之上，统治着围绕它旋转的整个行星家族。布鲁诺•1548年出生于意大利•1584年出版哲学著作《论原因、本原和太一》和《论无限的宇宙和多世界》，发展了哥白尼的宇宙学说，提出提出无限宇宙、无数个世界思想•1600年2月17日，布鲁诺被天主教会判处火刑第谷的精密天文学精密天文学•更大、更稳定、更准的新仪器更精确的数据•定期观测更可靠更广泛的数据把欧洲天文学从古代数据的依赖中解放出来新星与彗星•1572年，仙后座超新星爆发“超新星比金星还亮，而且整整两年都保持肉眼可见”1612年，该新星被观察到明显增亮该超新星应该在月上区，位于恒星的领域之中冲击了天空永恒不变的教条•1577年出现大彗星彗星是星体，并且位于行星的领域之间冲击亚里士多德的“彗星只是被点燃的火元素”的教条天球可以被穿透——天球其实并不存在第谷体系•除了地球和月亮，所有的行星都绕着太阳转•而太阳和月球绕着地球转第谷的这个折中方案被广泛的接受开普勒•1571年生于德国•1596年发表《宇宙的奥秘》•1600年开始担任第谷的助手•1601年第谷逝世，死前把自己所有的天文观测资料赠给开普勒•1609年发表《新天文学》•1618年出版《哥白尼天文学概论》•1619年出版《宇宙的和谐》•1627年发表《鲁道夫星表》《宇宙的奥秘》•使用毕达哥拉斯学派和柏拉图曾用来解释元素与宇宙的五种正多面体的几何方法，并把这些正多面体与行星轨道联系起来，让当时已知的六个行星的天球依次外切于一个正多面体，由之构成了一个几何化的宇宙模型。典型的柏拉图主义者《新天文学》1600年开始担任第谷的助手第谷精确可靠的数据使得开普勒不得不放弃他的得意之作,并开始考虑新方案1609年发表《新天文学》①提出开普勒第一定律和第二定律《新天文学》——开普勒第一定律第一定律——轨道定律火星划出一个以太阳为焦点的椭圆（圆周—卵形轨道—椭圆轨道）打破圆周轨迹的神话抛弃天球概念放弃“本轮-均轮”方法第二定律——面积定律：由太阳到火星的矢径在相等的时间内划出相等的面积打破匀速运动的神话《新天文学》——天体物理学②提出要建立天体物理学不但要符合完美的几何图形，更要从物理动力学找原因（相信星球之间力的存在）•对比亚里士多德为何提出水晶球模型•对比哥白尼的动力学基础Tips：吉尔伯特磁力学的对开普勒的影响•1600年《论天然磁石和磁体》•地球内部是有同质的磁性物质构成哥白尼和开普勒可以解决离心力的问题•由于地球是一个巨大的磁体，所以它有一个灵魂摆脱不了物活论《宇宙的和谐》——开普勒第三定律第三定律——调和定律：行星公转周期的平方与它同太阳距离的立方成正比使用公式表示自然定律按精确定律来决定天体的音乐，并用我们的音乐标记的形式表示它（毕达哥拉斯学派的宇宙论）开普勒在科学思想上的贡献强调量的重要性：一切确定的知识必定是关于它的量的特征的知识，完美的知识总是数学的•“在凡是有有质的地方，同样也有量，而总不是反之亦然”•新的因果观念：用数学的简单性和数学和谐来解释原因有效的数学假说必须是在观察到得世界中能够严格的加以证实的古代天文学：先预设了圆周匀速运动的模型开普勒：根据数据，再提出模型伽利略与天文望远镜（一）、望远镜的制造1609年，伽利略听说荷兰人发明一种玩具——望远镜，可以用两块透镜的组合把远处的物体拉近，从而可以看得更清楚，于是就回去自己制作，用来做天文观察到1609年底伽利略将望远镜的放大倍数扩大到了20倍。（二）、把自制的望远镜指向了天空：1610年出版了《星空信使》，把运用望远镜进行天文观测所获得的结果公之于众。1、当用望远镜观看恒星时，伽利略看到了许多肉眼无法看到的恒星。尽管恒星视差依然难以察觉，所观察到的足以说明宇宙如哥白尼所预言，远远大于我们从前的想象。2、1610年1月发现木星有卫星环绕，地球不再是唯一的绕转中心；木星周围环绕着卫星，它们使木星看上去分明就像是一个太阳系的缩影。3、月亮表面凹凸不平，有山谷和平原。在亚里士多德的世界中，月亮是完美的天体，而伽利略的发现表明天上与地上十分类似。4、伽利略还发现在传统宇宙理论中作为完美象征的太阳，其表面实际上是“斑斑点点、不洁净的”，即有太阳黑子。这个发现大大削弱了天空完美无缺的信条。5、更重要的发现是金星有着与月相一样的位相，有时呈现满月那样的圆面，有时则如一弯新月那样。这完全不能与托勒密关于金星的几何学相容。这表明金星的确在环绕着太阳运动。