站在巨人肩上的万有引力.PDF

站在巨人肩上的萬有引力站在巨人肩上的萬有引力 站在巨人肩上的萬有引力站在巨人肩上的萬有引力 【第一部分：發給學生的故事本文】 一、 亞里斯多德的第三種運動理論 （天體運動理論） 在天文學方面 ，也是亞里斯多德(Arisotle, B.C.384~322)的第三類運動理 論，他認為宇宙是一個有限大的圓球體 ，而地球則處於宇宙的中心，這就 是「地球中心說 」。這樣的理論建立在符合我們看到的所有東西上 。天空 看起來是一個以地球為中心的球面 ，物體很自然的不是往地球走（如流 星、隕石 ），就是繞著地球走（如太陽 、月亮、星星）。 亞里斯多德認為天體 （太陽、月球、星星）是無休止地循複雜的圓形 軌道運動 ，並由第五種原素 － 「以太 」(ether) 所構成 。跟地上的物質不 同的是 ，它的地位超然，此原素只存在於天體最外層的天空中，而且 「以 太」是永恆不變且完美的 。所以天上會變的東西，像流星、彗星都在天空 之下 、在地球大氣層空氣中，而不是在恆星和行星之中。以太的自然運動 不是往地球的直線運動而是繞地球做等速圓周運動 ，自然形狀也是光滑的 球形 ，因為球或圓圈是最完美的形狀。 天體是由特殊原素構成的 ，具有特殊性質，天體是神靈們的處所，所 以天體的運動是沿著最完美的曲線 －圓周 ，以最完美的速度－勻速運動 。 Q1：以前的錯誤理論與世人的信仰一旦結合了 ，這樣的理論往往很難破 除，如果哪一天你突然探究到了某些事實真理而又剛好與大家所深信 不疑的概念或信仰相衝突時 ，你會如何面對與處理？ 二、擋著天文學前進的巨大之牆 托勒密 Claudius Ptolemy(100 B.C. - 170 B.C.)的【至大論 】是一本综合之 前全部地心說的觀點 ，建立了最完整的地心宇宙體系，總共有十三卷。托 勒密想在這本書強調的是 ：如何利用地心說這個模型來解釋當時七個行星 的運行軌道 （因為太陽、月亮、其他恆星都是標準的勻速運動 ，而行星卻 發現不全然的 ）。這是一個相當高難度的工作 ，因為要把前輩天文學家所 觀察到的天體運動都用他的模型去理解 ，更何況這些理論是建立在（地心 說）這個錯誤的出發點上 。但是，他辦到了，不能說全部，至少大部分都 能合理的解釋出來 。可以想見的， 這個系統勢必相當複雜。首先，托勒 密知道 「行星」不可能在一組同心圓的軌道上運行 ；因此 ，他提出了 「本 輪－均輪」宇宙體系 。根據這個體系 ，「行星 」本身並不是以地球為中心 旋轉 ，而是以一個假想點為圓心 ，環繞著 它作正圓運動 。「行星 」所走的圓就是所謂 的「周轉圓」，也就是 「本輪」；而這個 「周 轉圓 」的圓心再以正圓軌道環繞著地球 ， 此一正圓軌道即為「均輪」。雖然整個 「本 輪－均輪」宇宙體系實在相當複雜 ，但是 有兩個重點是需要特別注意的 ：首先，托 勒密假想的 （本輪）圓心並不是繞著宇宙 中心(地球)，而是地球旁邊的 「偏心點 」。 圖片取自 .tw 其次 ，或許是引進偏心圓的概念 ，「行星 」 的不勻速獲得了適當的解釋 ；根據地心說模型所計算出來和觀察的結果相 同的 ，不是行星在軌道上的運行速度，而是相對於等分點的角速度 。 不 論怎樣 ，這麼一個複雜又完整的系統 ，怪不得能夠統治西方天文界一千多 年 。托勒密體系作為一種天文學理論是有其很高的歷史地位的 。 雖然托勒密體系是錯誤的 ，但由於被宗教神學僵化和利用 ，使得後來 的哥白尼和伽利略的 「地動說」一直被壓制著而無法被普遍認同 ；更由於 他的學說相當完整 ，使得伽利略在獲致他本生的宇宙學論證之前 ，必須將 先前那個巨大的 、難以撼搖的偉大建築物拆掉 ，一磚一瓦的拆 ，一個觀念 一個觀念的拆 。這就是他在 【有關兩種科學的對話錄(Dialogues Concerning Two New Science)】（1638 出版）所做的事 。托勒密體系可說是一面阻擋著 天文學前 的巨大之牆 。 Q2：科學的發展過程在於你所提出的科學理論是否具有合理解釋當時的現 狀，並具有推測未來狀態的前瞻性 。哥白尼的學說在當時雖然沒有辦 法找到所有的證據證實他的正確性 ，但是他的推測結果透過刻卜勒與 伽利略再加上新的觀察工具－望遠鏡