星期一, 01 4月 2024 01:14

儿童篇:奇妙的太阳系

本文摘自《创造》杂志中文版第42卷第4期

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几千年来,人们一直对所谓的“流浪星”非常好奇。它们虽然移动得很缓慢,但却明显与恒星背景的移动方式不一样。

今天,我们将这些“流浪星”称为“行星”,这词在希腊语中就有“流浪”的意思。太阳、行星和它们的卫星、以及许多较小的天体(如彗星)就组成了太阳系。人们通过研究行星的运动大大推动了现代科学的发展。


令人费解的运动方式

古代的天文学家相信天上的一切都围绕地球旋转(这称为“地心说”)。但他们观察到有些行星有时候似乎会短暂地倒退(逆行),然后再继续向前运动,为什么会这样呢?

生活在基督之后大约100年的希腊天文学家托勒密提出一个复杂的解释。在他的名为《天文学大成(Almagest)》的书中,他提出行星绕着称为“本轮(epicycle)”的小圆轨道运行,而本轮的中心围绕地球运行,参见图1。他用这种模型来解释行星为什么会短暂逆行。这是一千多年来主要的天文学教科书的解释。

但最终,天文学家发现这种解释是不正确的。一些天文学家提出了一个全新的解释:地球和行星都围绕太阳旋转,此模型称为“日心说”。在此系统中,行星偶尔会相互经过。这就能解释为什么有些行星看起来会明显地逆向运动。


太阳及其八颗行星
太阳及其八颗行星(图上星球的大小并非按真实的比例来画)。从左到右:太阳、水星、金星、地球、火星、(小行星带)、木星、土星、天王星和海王星。太阳系还包括未在此图显示的较小天体,例如矮行星(如冥王星和阋神星)、卫星和彗星。

中世纪晚期(14和15世纪),一些非常高阶的天主教圣职人员讨论了这个理论。之后波兰教会官员尼古拉·哥白尼(Nicolaus Copernicus,1473-1543)出版了一本著名的书籍,宣传太阳系的日心说。很久之后,意大利科学家伽利略·伽利莱(Galileo Galilei,1564-1642)以捍卫日心说而举世闻名。


日心说与地心说之争

由于当时托勒密受到广泛的认可,几乎所有的天文学家开始时都拒绝日心说。虽然教会中有许多人对这个理论很感兴趣,但他们当时对挑战科学持谨慎的态度。不幸的是,伽利略侮辱了教皇,因此教会要求他停止将他的观点作为已证实的事实来教导。而且在当时,日心说受到科学界很多的挑战。

当时的天文学家指出了日心说的许多“问题”。例如,为什么我们没有感觉到地球在运动?答案是:因为我们与地球都一起运动。下次当你坐车的时候,在车(匀速地)移动时,你可以亲眼看一下:当东西向下掉时——它应该是竖直向下掉在地上的(之后记得捡起来)。


开普勒和牛顿发现了行星运转的机制

此外,哥白尼的模型并不比托勒密的模型准确太多。约翰内斯·开普勒(Johannes Kepler,1571-1630)提出行星绕太阳运行的轨道是椭圆形而不是圆形的。

开普勒是一位非常虔诚的基督徒。他的科学著作中甚至充满了对上帝的赞美和祈祷。开普勒说他的科学工作是“以思考上帝的想法来跟随上帝”。

然后有史以来最伟大的科学家艾萨克·牛顿爵士(1642-1727)提出了运动定律和万有引力定律,并解释了为什么行星会遵循开普勒定律。牛顿的定律也适用于抛射的物体(如炮弹)、地球上下落的物体、月球,以及围绕其他行星的卫星的运动。

牛顿也是一个非常虔诚的基督徒——他所写的文章更多是关于圣经而不是关于科学的。他教导说,“这个最美丽的”太阳系只能来自全能的创造者上帝。


 
图1. 本轮模型示意图

托勒密相信行星绕着本轮运行,而本轮的中心围绕地球运行。在图中,行星围绕小的圆形轨道(本轮)运行,其轨道以虚线小圆表示,这个本轮又围绕地球运行,其轨道如虚线大圆所示。现在明白这个模型如何使行星短暂地逆向移动了吗?如果你觉得这很复杂,这其实已经是简化的版本了!托勒密当时提出的模型需要顶尖的数学家才能理解。

地球围绕太阳运行的速度比火星和小行星带以外的行星都要快。当地球超过这些行星时,它们看起来就像是逆向移动。若你坐在一辆行驶的车上,超过了比你慢的车时,这辆车在你看起来也像是在向后移动。

在图中,数字表示地球和火星轨道上的不同时间。右边的曲线表示行星在恒星背景下的位置。

从时间1到时间2,在地球上看火星似乎移动了很长的距离,如右曲线所示的长度;而到时间3,火星看起来似乎已经减速并开始改变方向;在时间4和5,火星看起来进行了逆向移动。在时间6和7,火星看起来又转向并开始继续向前运动了。  


图2. 哥白尼模型和逆向运动

诗篇第8篇3-4节

 

太阳系是如何开始的?

圣经记载上帝在创造周的第4天创造了太阳、月亮和星星。

进化论者却认为,太阳系是由巨大的气体云因其自身的引力作用发生坍塌而形成的,太阳系中心的物质变得足够热,让太阳开始发光,而其他物质凝结成行星。

然而,事实上气体云会膨胀,并不会收缩。此外,按照这个假说,太阳应该旋转得非常快——就像当一个旋转的花样溜冰运动员将她的胳膊收近身体时,就会大大加快她的旋转速度。但太阳的旋转速度非常缓慢——每25天才旋转一圈。


图3. 椭圆

用两根大头针将一张白纸固定在一块板上。将绳子系成一个圆圈并绕在两根大头针上。用铅笔拉紧绳子,并同时在纸上(沿着绳子的限制)绘制曲线,保持绳子被铅笔拉紧的状态绘制一圈。该曲线将是一个椭圆。

如果增大两根大头针的距离,并重复上述操作,椭圆会更长更扁;如果缩小大头针的距离,并重复上述操作,椭圆就会更像一个圆。

当两个大头针处于相同位置时(相当于一个大头针),画出来的将是一个圆圈。所以圆是一种特殊的椭圆。

每个大头针的位置称为椭圆的焦点。开普勒发现行星在椭圆轨道上运动,太阳就在其中一个焦点上。大多数行星的轨道几乎是圆形的,而彗星的轨道是非常扁的椭圆形。

   


    

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