如果你是哥白尼,你如何判断地球不是太阳系的中心?

source:量子科学 author:mtsh 2019-10-24

自然规律不可改变,无情的大自然不会关心你是否了解它的行为和运作方式——伽利略

科学的发展根植于这样一种思想,即:人们相信所有自然现象都可以被理论合理的解释,如果我们想知道宇宙中任何一件事物的运作方式,我们首先要提出正确的问题,然后通过观察、实验去寻找规律,最后总结答案!那么关于夜空就有一个比较深刻的问题,像下图那样旋转的夜空,我们人类是怎样知道是地球在运动,还是整个天穹在绕地球运动?或者说我们如何用已知的物理知识判断地球在宇宙中的运动方式?

地球在转还是天球在转?

这其实就牵扯到了日心说和地心说!都是旋转,就看到底是谁绕着谁转。单从上图中的观察结果来看,对此我们有两种直接的解释,但是仅从图片上我们还无法区分它们的对错:

整个天空以及其中的所有星星(包括太阳),以24小时为周期围绕地球旋转,导致了我们在地球上观察到星星的位置在持续发生变化。

据我们的观察,整个天空都是静止的,出现旋转是因为地球在运动。

以上两种思想现在看来十分幼稚,但这是我们人类科学史的开端,并且争论了几个世纪,也付出了惨痛的代价!这两种说法虽然都能合理的解释为什么夜空会旋转,但这两种模型彼此之间在本质上有很大的不同。

上图:以地球为中心的天球运动和我们现在熟知的地球运动方式

通过观察和解释这两种截然不同的模型,可以帮助我们判断哪一种模型是正确的;哪一种是错误的。我们知道围绕天球旋转的恒星并不是我们在地球上唯一可以观测到的现象。

那么我们还能看到什么?可以给我们提供线索,来判断是地球在转还是天球在转?虽然天空中的星星总是在夜晚做同样的旋转运动,但我们仔细观察就会发现夜空中可见的星星(星座)以及它们的位置,在一年中会发生很大的变化。

一年中天空中的星座会发生变化

我们在夏天和冬天会看到不同的星座,还记得你在寒冷的夜里仰望猎户座吗?我们现在知道这与太阳和地球的位置有关。当太阳在夏季的白天出现时,冬季的星座会被太阳光完全遮蔽,当夜幕降临时,太阳是不挡我们的视线了,但我们又背对冬季的星座,因此只能看见夏季的星座(最典型的就是夏季大三角)。相反,夏季的星座在冬季白天时候会被太阳遮挡,而冬季的星座则在夜晚会更加突出。也就是说我们只能在夏天或冬天的时候看见一面天空中的星座。

如果地球确实是静止不动的就像上图那样,太阳每天必须绕地球一周,我们才会有白天和黑夜,但不论太阳怎么转,这样都无法解释地球各个地区不同的四季的变化,也无法解释夏季和冬季在天空中看到的不同星座。

如果地球动起来,可以围绕太阳运动(看上图),这就解释了为什么不同的星座在一年中的不同时间会出现在夜空中(这也就是我们几月出生就是什么星座),也解释了地球各地的四季变化。现在我们在来看看太阳一年中在天空中的位置变化。

太阳一年在天空中的轨迹变化

在地球上,如果我们生活在远离赤道的位置,那么太阳一年的时间里在天空中的路径,每天划过的弧线会发生很大的变化。

太阳出现在天顶最靠近地平线的位置,也就是一年中最低的位置说明这一天是冬至,而太阳出现在一年中天顶的最高点,那么这一天就是夏至。

那么在“地球静止的”模型中,太阳需要在一年中大幅度的改变在天球中的位置:除了每天绕地球一周以外(为了解释昼夜交替),还需要每六个月改变相对于天球的位置高达,这意味着太阳在天球中的轨道每六个月要上下摆动47度。还需要解释稳定的四季变化,这个模型真的很乱,没有科学理论支撑。

如果我们允许地球地球绕太阳公转,同时绕着倾斜的轴自转。同时自转和公转可以是两个独立的量,这就可以解释天(地球自转周期)和年(地球公转周期)在时间尺度上的巨大差异。也可以解释太阳一年中在天空的位置变化。让我们再加入一个物体:月球。

月球和太阳在天空中的位置以及日食和月食

和太阳一样,月球在天空中也沿着一条非常相似的路径运行运动:东边升起,西边落下,每天起落一次。而且也相对于背景恒星在移动,大约每29到30天完成一周绕地球运动。

虽然月球与太阳黄道平面之间的倾角相差不超过5度,但满月与太阳在天空中的位置存在着巨大的差异。在夏至当太阳到达地平线以上最高的位置时,满月就会出现在地平线上的最低位置。在冬至当太阳达到最低高度时,满月就会达到地平线上的最大高度!不理解的可以参考上图,月球和黄道平面的夹角,是导致满月位置和太阳位置差异的关键。

如果地球要保持完全静止,我们就需要再次把月球放进地心说的天球轨道,就像下图那样!这样我们就无法解释月食和日食的成因。

但如果我们允许地球在运动(下图),月球的轨道和黄道有大约5°的倾角绕地球公转,地球带着月球绕太阳公转,这不仅可以用地球的自转来解释恒星、月亮和太阳相对于地球天空的日常运动(恒星旋转、东起西落),你还可以解释月球和太阳相对于天空其余部分的运动。

如果我们还坚持地球是静止不动的,而天球在旋转,我们有了昼夜交替,就没有四季变化,也没有日食也月食。

总结:这就是为什么我们认为地球在运动

这正是我们熟知的托勒密地心模型,虽然描述了天体的运动,但托勒密并没有给出一个合理的科学解释,而且这个模型相当复杂。这就是为什么我们需要开普勒三大定律以及牛顿的万有引力来解释为什么天空中的物体无时无刻都在运动以及地球在宇宙中的运动方式,并解释为什么月球接近夏至满月的路径(在5度的误差范围内)与太阳在冬至的路径基本相同。

万有引力理论以及与之相关的日心模型,在科学上比之前关于太阳系的描述更具有科学性和预测性,而且后来对于理论的预测也得到了地面和天空的实验、观测的证实。这就是为什么我们不仅断定地球在运动,而且认为地球的运动方式以及其他主要的天体,决定了我们在天空中看到所有现象。


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