文/ 葉楠

天文望遠(yuǎn)鏡的誕生與日心說(shuō)的崛起

在歐洲中世紀(jì)末期，關(guān)于太陽(yáng)系大行星的運(yùn)行，地心說(shuō)依然占據(jù)著絕對(duì)的統(tǒng)治地位。雖然有關(guān)日心說(shuō)的觀測(cè)證據(jù)越來(lái)越多，但地心說(shuō)依附在腐朽的教會(huì)統(tǒng)治下依然是當(dāng)時(shí)的主流學(xué)說(shuō)。不過(guò)隨著幾代天文學(xué)家的前赴后繼，在天文望遠(yuǎn)鏡誕生以后越來(lái)越多的觀測(cè)證據(jù)面前，地心說(shuō)的統(tǒng)治即將走向終點(diǎn)。

《天體運(yùn)行論》

天文學(xué)家哥白尼從1506 年回到波蘭任教后開始寫《天體運(yùn)行論》，并在自己任職的地方修建了小型天文臺(tái)，利用自制的儀器進(jìn)行天文觀測(cè)和計(jì)算。1536 年《天體運(yùn)行論》完成，但由于書中日心說(shuō)的觀點(diǎn)為當(dāng)時(shí)的宗教統(tǒng)治所不容，出版人只好偽造了一篇沒(méi)有署名的前言，說(shuō)書中的理論并不是描述天體的真實(shí)運(yùn)動(dòng)，而只是一種人為設(shè)計(jì)，這樣這本書才得以順利出版。1543 年，臨終前的哥白尼終于見到了出版的著作。這篇前言在半個(gè)多世紀(jì)里確實(shí)騙過(guò)了許多人，直到1616 年，羅馬教廷才將《天體運(yùn)行論》列為禁書，不過(guò)這并不能阻礙地心說(shuō)被日心說(shuō)所取代。圖為《天體運(yùn)行論》中關(guān)于太陽(yáng)系行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)行的插圖。

支持日心說(shuō)的殉道者——布魯諾

布魯諾是文藝復(fù)興時(shí)期著名的哲學(xué)家，他曾經(jīng)在《論無(wú)限、宇宙和諸世界》中提出過(guò)宇宙是物質(zhì)的、統(tǒng)一的、無(wú)限的和永恒的觀點(diǎn)，認(rèn)為在太陽(yáng)系之外還有無(wú)數(shù)個(gè)天體系統(tǒng)。從1593 年起，布魯諾因?yàn)楫惗俗锩艿搅_馬宗教法庭的審問(wèn)，指控包括他否認(rèn)數(shù)項(xiàng)天主教核心信條等。最終宗教法庭判其有罪，并于1600 年在羅馬鮮花廣場(chǎng)處以火刑?，F(xiàn)在我們都知道布魯諾因其支持日心說(shuō)而聞名，并在后世被當(dāng)作科學(xué)烈士加以紀(jì)念。但是在歷史學(xué)家眼里，宗教法庭對(duì)他施以酷刑的原因究竟是因?yàn)槠渖駥W(xué)觀點(diǎn)還是因?yàn)閷?duì)日心說(shuō)的支持，依舊是有爭(zhēng)議的。不過(guò)布魯諾仍然是關(guān)于自由思想和科學(xué)思想發(fā)展歷史中的重要人物。圖為矗立在羅馬鮮花廣場(chǎng)上的布魯諾雕像。

望遠(yuǎn)鏡的誕生

早在公元前2 世紀(jì)，托勒密就有過(guò)關(guān)于透鏡的反射、折射和顏色等光學(xué)性質(zhì)的記錄。12 世紀(jì)的歐洲，已經(jīng)出現(xiàn)了閱讀石，或者現(xiàn)在稱為放大鏡，以及利用聚光進(jìn)行取火的透鏡。到了13 世紀(jì)，透鏡已經(jīng)有了廣泛應(yīng)用，能夠矯正視力的眼鏡也在這個(gè)時(shí)期誕生。1608 年，荷蘭眼鏡商人利普賽申請(qǐng)了一種可以將遠(yuǎn)方的物體看成仿佛就在近處的儀器的專利。利普賽的設(shè)計(jì)是利用一個(gè)凸透鏡和一個(gè)凹透鏡的組合，能夠?qū)⑽矬w放大3 倍。不過(guò)，由于還有其他眼鏡商人都自稱是望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明者，也都開始申請(qǐng)專利，所以利普賽并沒(méi)有得到專利權(quán)，但是新發(fā)明的消息很快從荷蘭傳遍了整個(gè)歐洲。圖為詩(shī)人布呂納于1624 年創(chuàng)作的版畫《荷蘭望遠(yuǎn)鏡》。

伽利略

伽利略是科學(xué)史上的重要人物之一，他被譽(yù)為現(xiàn)代物理學(xué)之父、現(xiàn)代科學(xué)之父以及現(xiàn)代觀測(cè)天文學(xué)之父等。他在比薩斜塔上扔下兩種不同質(zhì)量的球以證明物體下落時(shí)間與其質(zhì)量無(wú)關(guān)的故事大家都耳熟能詳。1609 年，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡發(fā)明的信息傳到伽利略耳朵里時(shí)，他對(duì)荷蘭商人的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了改良，將望遠(yuǎn)鏡的放大倍率增加到了9 倍，后來(lái)又增加到了30 倍。伽利略開始將他的望遠(yuǎn)鏡指向夜空，開啟了觀測(cè)天文學(xué)歷史上最重要的一次變革。

木星衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)

1610 年1 月7 日，伽利略利用望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)在木星周圍有3 個(gè)天體，雖然暗弱，但它們的位置和木星呈一條直線。而到了第二天，他發(fā)現(xiàn)這3 個(gè)天體的相對(duì)位置發(fā)生了改變，那么它們一定不是恒星。1 月10日，伽利略又發(fā)現(xiàn)3 個(gè)天體只能觀測(cè)到2 個(gè)，他敏銳地意識(shí)到消失的那一顆應(yīng)該是藏到了木星的背后。1 月13 日，他又在木星旁邊發(fā)現(xiàn)了第4 顆這樣的天體。隨后伽利略公布了他的結(jié)論，認(rèn)為這4 顆天體是木星的衛(wèi)星，它們都圍繞木星公轉(zhuǎn)。但這一發(fā)現(xiàn)并不符合亞里士多德的宇宙觀，當(dāng)然也與宗教所支持的地心說(shuō)相悖。木星衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)點(diǎn)燃了一場(chǎng)不僅僅是天文學(xué)領(lǐng)域的革命。為紀(jì)念這一發(fā)現(xiàn)，后人將木星的這4 顆衛(wèi)星統(tǒng)稱為“伽利略衛(wèi)星”。圖為木星與“伽利略衛(wèi)星”。

金星相位的發(fā)現(xiàn)

1610 年9 月，伽利略經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)發(fā)現(xiàn)金星的相位與月球有許多相似之處，在不同日期，金星會(huì)像月球一樣呈現(xiàn)出類似新月、上弦月、盈凸月、虧凸月、下弦月、殘?jiān)碌刃螤?。但是，根?jù)托勒密地心說(shuō)模型，金星軌道在太陽(yáng)軌道內(nèi)側(cè)圍繞地球旋轉(zhuǎn)，是不可能出現(xiàn)類似凸月或滿月的相位的。在同一時(shí)期，許多天文學(xué)家也發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，但都采取各種新的模型去對(duì)托勒密的地心說(shuō)進(jìn)行“縫縫補(bǔ)補(bǔ)”，并沒(méi)有完全否定地心說(shuō)，而伽利略卻直接將目光投向了日心說(shuō)。圖為不同日期金星相位的對(duì)比照片以及伽利略的手稿記錄。

伽利略的其他發(fā)現(xiàn)

利用自己制作的天文望遠(yuǎn)鏡，伽利略對(duì)天上諸多天體都進(jìn)行了觀測(cè)。那些曾經(jīng)模糊、暗弱的天體在望遠(yuǎn)鏡中變得清晰、明亮，甚至利用望遠(yuǎn)鏡還能看到曾經(jīng)完全看不到的天體。伽利略在觀測(cè)土星時(shí)發(fā)現(xiàn)了它的光環(huán)，在觀測(cè)太陽(yáng)時(shí)發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)黑子，在觀測(cè)月球時(shí)發(fā)現(xiàn)月面上那些奇怪的斑點(diǎn)實(shí)際上是月面的某種地質(zhì)結(jié)構(gòu)。伽利略不是第一個(gè)利用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)月球的人，但卻是第一個(gè)利用光影原理解釋環(huán)形山結(jié)構(gòu)的人。他還將望遠(yuǎn)鏡指向了銀河，發(fā)現(xiàn)曾經(jīng)被認(rèn)為是云霧的銀河是由一顆顆恒星組成的集團(tuán)。甚至伽利略還觀測(cè)到了海王星，但遺憾的是他并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這是一顆行星。天文望遠(yuǎn)鏡對(duì)于天文學(xué)后續(xù)發(fā)展的影響是不言而喻的。圖為陳列在格里菲斯天文臺(tái)的伽利略望遠(yuǎn)鏡的復(fù)制品。

伽利略與日心說(shuō)

伽利略是日心說(shuō)的堅(jiān)定捍衛(wèi)者。1616 年，他上書羅馬教廷不要禁止哥白尼思想，但得到的結(jié)果卻是《天體運(yùn)行論》的下架和教廷對(duì)伽利略的警告，警告他可以將日心說(shuō)當(dāng)成數(shù)學(xué)模型和科幻，但如果敢宣揚(yáng)日心說(shuō)是物理現(xiàn)實(shí)，那后果將是極其嚴(yán)重的。16 年后的1632 年，因?yàn)樾律先蔚慕套跒鯛柊喟耸酪恢狈浅Ｗ鹬刭だ圆⒑退兄苌詈竦挠颜x，伽利略《關(guān)于托勒密與哥白尼兩大世界體系的對(duì)話》（如圖）一書才能夠得以出版。但這一舉動(dòng)卻引發(fā)了政敵的攻擊，這本書也成為了伽利略攻擊地心說(shuō)的證據(jù)，同年伽利略受到羅馬教廷的審判。1634 年，伽利略在朋友的幫助下被允許回到家鄉(xiāng)度過(guò)余生，并在軟禁期間完成了他的經(jīng)典著作之一《兩種新科學(xué)》。

開普勒

開普勒從小就對(duì)天文學(xué)有著濃厚的興趣，在大學(xué)時(shí)期，他學(xué)習(xí)了有關(guān)行星運(yùn)動(dòng)的托勒密地心說(shuō)體系和哥白尼日心說(shuō)學(xué)說(shuō)，并成為哥白尼的支持者。1600年開普勒見到了第谷，從此影響天文學(xué)及人類文明發(fā)展的重大標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)開始孕育。1601 年底，在第谷突然逝世之后，開普勒成為了他的繼任者。開普勒對(duì)第谷的火星長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了細(xì)致的研究，在此期間發(fā)現(xiàn)了開普勒第一、第二定律，包含這些結(jié)果在內(nèi)，開普勒在1609 年發(fā)表了《新天文學(xué)》。第三定律則是發(fā)現(xiàn)于1618 年。開普勒將橢圓引入行星公轉(zhuǎn)軌道之中，物理學(xué)方法也開始進(jìn)入天文學(xué)研究之中，這徹底解決了行星運(yùn)動(dòng)之謎，也徹底摧毀了托勒密的宇宙體系。圖為《新天文學(xué)》中在地心坐標(biāo)系下火星運(yùn)行軌跡的圖示。

1604 年，開普勒發(fā)表了《天文學(xué)的光學(xué)需知》，在這篇文章里他對(duì)光的反射、光強(qiáng)與距離的關(guān)系、視差與天體大小等等問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，被認(rèn)為是現(xiàn)代光學(xué)的開篇之作。與此同時(shí)，開普勒也開始對(duì)望遠(yuǎn)鏡光學(xué)原理展開研究。1611 年，《折射光學(xué)》發(fā)表，開普勒提出了望遠(yuǎn)鏡的理論基礎(chǔ)，以及如何制作伽利略望遠(yuǎn)鏡。他還對(duì)伽利略望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了改進(jìn)，利用兩個(gè)凸透鏡取代了伽利略的凸凹透鏡組合，這樣的望遠(yuǎn)鏡雖然成像是顛倒的，但是卻擁有更長(zhǎng)的焦距和放大倍率，而顛倒成像對(duì)于天文觀測(cè)來(lái)說(shuō)是無(wú)所謂的?，F(xiàn)代的折射望遠(yuǎn)鏡大都繼承了這種設(shè)計(jì)，也被稱為開普勒式折射望遠(yuǎn)鏡。

從日心說(shuō)的提出到開普勒三定律的證明，在歐洲科學(xué)革命的第一階段，天文望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)扮演著至關(guān)重要的角色。它徹底改變了天文觀測(cè)的方式，也進(jìn)一步將天文學(xué)從占星術(shù)的桎梏中解放出來(lái)，天文學(xué)從一門自文明誕生之初就服務(wù)于統(tǒng)治階級(jí)的學(xué)說(shuō)，脫胎換骨成真正研究宇宙天體的自然科學(xué)。整個(gè)科學(xué)革命一直持續(xù)到18 世紀(jì)末，對(duì)人類生產(chǎn)力的提高以及人類社會(huì)的組織結(jié)構(gòu)都產(chǎn)生巨大的影響，從此開啟了人類文明新的篇章。在此期間，天文望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展也極為迅速，下期我們將介紹當(dāng)時(shí)發(fā)明制造的具有代表性的天文望遠(yuǎn)鏡。