梦幻星空宇宙：天文学史-天文发展史-欧洲天文发展史-西方天文发展史

欧洲天文发展史

远古观天术

一、对天的看法

在史前人们的想象中，这天空可能是有至高的管理者；日夜由祂而生、四季因祂而运行、大自然依祂旨意管理，天幕下目视所及之处，所充满的、或空乏的无数神奇事物都由某些基本东西所组成。

天空是属于至高全能者的，所以世上各地都有这位至高全能者的天地起源传说。

[1]七日创世

基督徒都相信【圣经】《创世记》的记载。起初神创造天地，神依祂意旨在六日（六个晨昏，或译为六个阶段时期）分别造光分昼夜、造空气分天地、植物、日月星辰、鱼和鸟、畜类，并照着祂的形像和样式造人；天地万物都造齐后，神赐福安息的第七日为「圣日」。

[2]埃及神话

埃及神话中认为初始宇宙是来自Atum 神，之后 Atum 神吐出祂的兄弟 Shu 和姊妹 Tefnut，Shu 和 Tefnut 结合后才生下地神 Geb 和天神 Nut，所有埃及子民都来自 Nut 和 Geb 的后代 。而天神Nut 和地神 Geb 白天是分开的，一直到晚上才重聚。这不但解释了天地万物的起源，更说明了黑夜与白昼交替的情形，甚至已点出天体运行的雏型了。

[3]埃及的宇宙观

古埃及人认为恒星是镶俯趴在地球上方的女神身上，后来希腊人继承了这种看法，逐渐演变成恒星是分布在同心球壳的宇宙观。

二、观天的构思

天文考古发现，远古各部落的人们，观天是他们生活的一部份，在尚无文字的史前时期所留下的遗迹中，很多都与天文现象有关联。先民藉由白昼时间最长的日子（夏至）、最短的日子（冬至）和昼夜时间对分时刻（春分和秋分），来标记出季节的变换，并决定狩猎计划的简易历法。除了这些周期性外，重大天象发生时，太阳、月亮及星辰的升降位置也在部落的历史里记载着。古文明的观测绝大部分是与季节、气候、或历法或天象的预警有关。

三、仪器与纪录

[1]巨石阵

英格兰南方的石柱群(2800-2200 BC)，考古学家认为它是用以观测太阳与月亮升起的位置与时间，指示着一定季节的日出、日落方位，甚至它们可预言到月食的发生。

[2]法国史前星象图

在法国中部拉斯考克斯山洞发现了约一万六千五百年前的史前夜空星象壁画。图画中有一头牛、一个奇异的鸟人和一只栖息在枝上的神秘鸟（见上图），它们的眼睛代表织女星、天鹅座和牛郎星三颗明亮的星星，就是构成今日所谓的「 夏季三角 」。另外，在洞口处附近有一幅公牛的画像，牛肩上挂的似乎是有「七姐妹」之称的金牛座七星。

　

四、启蒙与发展--启蒙后人追寻自然性的自然法则

1. 可知天地间是规律性运行的。

2. 春分、夏至、秋分、冬至等标志形成。

3. 学会观察日月的运行来调整周期性的生活作息。

4. 记载了远古时代发生的重大天象。

5. 天文考古学逐渐发觉可从这些遗迹来探究日地月间长年的变迁情形。

公元前十几世纪到前一世纪间的天文发展史

一.公元前七世纪起 思辩宇宙时期 （爱奥尼里学派 ）

对「天」的看法

1.以哲学思辩的方法来探究天

2.大地是浮圆盘

傣利斯（被尊为哲学鼻祖），主张拋弃天地星辰神话传说的想象，首创以哲学思辩的方式来探究宇宙结构和组成。他认为星星和太阳都不是神祇而可能是个大火球，且提出了水是宇宙万物的本源的见解。泰利斯认为大地是一个漂浮着的圆盘，就像一块木头漂浮在万物的本源(水)之上，穹隆状的天空笼罩着大地。

大地是浮圆盘

3.宇宙本质是气、火等「一物生万物」

1. 亚诺芝曼德宇宙

泰利斯的传人亚诺芝曼德（Anaximander, 约 611 - 547 BC., 数学家、哲学家）认为宇宙的本体是「无限」的，它具有一种像空气或水般没有定性的特质﹑而万物都从「无限」中产生。他的宇宙图像是悬空圆柱形大地和笼罩大地的透明天层。他曾试着想画出太阳、月球、行星和大地的距离。

亚诺芝曼德宇宙

2.亚诺美尼的万物本源说

泰利斯的另一位继承者亚诺美尼（Anaximenes, 约 540 - 480 BC.）认为万物的本源是气，万物都由气的浓缩或稀薄化而形成，大地和星星都是由于气的压缩而成，且飘浮在空气中，由气的推动可永恒地在轨道上运行和变化。

3.赫拉克利特的万物本源说

泰利斯的另一位门人赫拉克利特（Heraclitus, 约 540 - 480 BC.）认为万物的本源是火，万物的生成和毁灭都缘由于火。

观「天」的构思

以几何等数学来观天和计算

仪器与纪录

1.目视观天

2.泰利斯预测出公元前585年的一次日食

凭借从埃及学来的几何，并根据美索不达米亚人的天文观念，计算四季的长短变换和太阳在星座间位置的变换周期，准确地预测了公元前 585 年的一次日食。

影响与启蒙

弃神话传说，以理智来了解宇宙

二. 约公元前六世纪 球形大地时期（毕达哥拉斯学派）

对「天」的看法

1.以几何或数学方式，与和谐的原则来了解所有的

自然事物（和谐有序的宇宙）

2.著名希腊科学家毕达哥拉斯(Pythagoras, 约 580 - 500 BC. 发明著名的数学毕式定理者，被尊为数学和音乐之父)，他凭借游学埃及、巴比伦的几何数学专长和音乐的和谐体验，由月相的周期变化观察推断月亮是球状的（月球），进一步地推测大地和其它星体也是球状的，毕达哥拉斯主张以几何或数学的方式、和和协的原则来了解所有的自然事物，他在意大利率先提出了「和谐宇宙」的概念和「球形大地（地球）」的见解。地球是球形的，位于宇宙中央。外围由内向外有「天空 (Ouranos)」，天空内的万物都是如空气和云等变化的和可生可灭的；「有序宇宙(Cosmos)」，是太阳、月亮和行星永恒而有序地转动的地方；「奥林帕斯(Olympus)」，为纯元素聚集的区域也是恒星所在之处。奥林帕斯外界是「天火(Celestial Fine)」。

观「天」的构思

1.以几何或数学方式，观察自然周期的变换

2.月球、地球和其它星体是球形的

仪器与纪录

1.目视观天

2.毕达哥拉斯观月相周期变化，推测月亮是球形

3.地球是球形的，位于宇宙中央。外围是天空、有序宇宙、奥林帕斯、天火的宇宙模型

影响与启蒙

1.月球、地球和其它星体是球形的

2.毕达哥拉斯宇宙模型

3.德莫克利特的古典原子论

德莫克利特（Democritus, 约 460 - 362 BC.）创立的古典原子论，认为自然界中只有原子和虚空，原子会有形状、排列和位置的差异，使得万物有了千变万化的形态，原子本身是无法再分割的。

4.巴曼尼迪斯（属于毕达哥拉斯学派）的宇宙图像－许多同心球壳包围着位于中心且固定不动的地球，在这球壳的最外层是一个固体的穹窿称为「奥林帕斯」；其下面有一层稀薄的元素，其中漂浮着晨星和昏星以及太阳、月亮；其它的星则分布在更靠近地球的「天空」里

巴曼尼迪斯的宇宙图

5. 菲洛劳斯的「地球转动」推测

菲洛劳斯 (Philolaus, 活跃于公元前 5 世纪后半)，

他不赞成他先师「地球固定在宇宙中心」的见解，而最早提出了「地球转动」的推测。他认为宇宙的中央是一团大火称「中央火」，地球每天具有音乐般规律地绕中央火转动一周，由于地球总是以同一面朝着中央火，地球上的人们住在背离中央火的一面因此永远看不见他。地球每日绕中央火转一周且永远以面对着它，而且地球上会因太阳的照射而出现日夜交替。此外，它还引进了一个我们肉眼看不见的另一天体叫作「反地球」，它的轨道介于地球和中 菲洛劳斯的「地球转动」推测央火之间。

三. 约公元前四世纪 同心球宇宙时期（柏拉图学派）

哲学家柏拉图（Plato, 原本非天文学者，但他影响天文学发展长达二十个世纪）认为「理念」是万物的本源。又由于柏拉图对几何学的深刻认知，已认识到五种正多面体的存在，并用它来解释他的「物质理论」。他的论点是我们所看到不完整、不完美的事物，该都是由五种完美的且基本的正多面体物质所组成的，并且物体最完美的运动是圆的运动，所以天体的运动是由圆的运动组成的。以正四面体代表火、正六面体代表土、正八面体代表空气、正二十面体代表水、正十二面体代表宇宙，这五种正多面体被称之为「柏拉图多面体」。这五种正多面体，后来被欧几里德（Euclid, 约 300 BC., 被称为几何学之父）列在他的《元素》（几何原本，Elements）第十三册最后，证明了一个定理：「正四面体不多于五个」。足见柏拉图多面体观念对后世的影响。柏拉图还首创了一种同心球层的宇宙体系，认为地球在宇宙中心安然不动，距离地球由近及远的各天球层别是月亮球层、太阳球层、水星球层、金星球层、火星球层、土星球层和恒星球层。

柏拉图宇宙模型并不能圆满解释行星转动时而顺行、时而逆行的现象，于是他的学生攸多克斯(Eudoxusu, 约 409 - 356 BC.)改进了他的模型成一种同心球组（27 个球）的宇宙体系。以行星（Ｍ）为例，他认为该行星嵌在四个同心球中最里面的一个球上。每个球绕自己的轴、且按不同的速度旋转。这些轴的取向又各有不同，里面的球的轴置至于外面球的内表面上，若选择适当的倾顷角和各球求取不同的旋转速度，可以解释行星的复杂视运动。攸多克斯提出的同心球组宇宙体系，其实是把任一曲线的、非等速的运动用许多等速的圆运动叠加来趋近，这在数学史上是一个首创。后来，亚里斯多德又将这些非实体的同心球改成实际、仿如水晶般透明的（56 个球）「壳层」，并加上一个由上帝推动的「原动力天层」。

对「天」的看法

1.哲学理念是万物的本源

2.五种正多面体组成宇宙（物质理论）

3.天体运动是完美的圆运动组合。同心球层的宇宙体系

观「天」的构思

1.以五种正多面体，来理解万物组成

2.以完美圆形说明星体运行

3.完美同心球形层说明宇宙

仪器与纪录

1.目视观天

2.亚里斯多德观察上弦月，推测当时月在日地间

3.长期未见恒星视差，推断地球相对恒星运动是很小的

4.不同地区呈不同星象，推测地球是球形

影响与启蒙

1.柏拉图多面体

2.柏拉图同心球层宇宙体系

3.地球相对恒星运动是很小的

四. 约公元前三世纪 天文测量时期（亚历山大学派）

对「天」的看法

1. 阿里斯塔克的日心地动说

认为一个大的东西不应该绕小的东西转动，他觉得地球一方面每天自西向东转一周，导致天体的东升西落景象。另一方面它又在一年中绕太阳 公转一周，水、金、火、木、土等行星也是一样绕着太阳公转。他还认为与地球绕日公转的轨道直径相比，恒星几乎在无限远处。因此无慛法看到由于地球公转而造成的恒星视差现象。

2.阿波罗尼士的本轮均轮说

阿波罗尼士（Apollonius, 262 – 190 BC.）提出了「本轮套均轮说」， 来解释为什么我们可以看到行星的顺行和逆行的现象。他认为地球位于宇宙的中心，天体在本轮 (红圈所示)上转动，而本轮中心又在均轮(黄圈所示)（以地球为中心的圆） 上作等速率圆周运动。 如上图动画所演示的，行星 (红色星点) 在恒星 (白色星点) 不动的背景前移动， 从地球看过去真的会呈现出行星时而顺行、时而逆行的现象。 其实，现今利用本轮套均轮说

阿波罗尼士的本轮套均轮说的模型，但以太

阳为圆形轨道的中心、 以均轮的轨道表示地

球的轨道、 以本轮的轨道表示月球的轨道来

解释地球的卫星 月球绕行地球的情景仍是蛮

适用的， 但用这本轮套均轮说来说明其它的行

星和地球间的运动关系就不对了。

观「天」的构思

以三角几何等数学，及引用平行光的概念来观天

仪器与纪录

1.利用井或地形等自然物，和利用三角几何来进行天文观测

2.阿里斯塔克测知太阳比地球大，月球比地球小。又太阳距离地球是月球距离地球的10倍

3.厄拉托西尼测得地球大小

4.厄拉托西尼测得地球倾斜角

5.希巴克斯测得月地距离

6.希巴克斯测得回归年

7.希巴克斯测得黄道面和白道面夹角

8.希巴克斯测得朔望月和恒星月长度

9.希巴克斯测得制作星图，并定出星等

10.希巴克斯发现岁差

影响与启蒙

1.开创以几何数学和地形地物进行天文量测

2.对日地月进行距离、大小、运行周期等量测

3.恒星距离我们很远

4.定出星等，制作星图

5.托勒密的地心体系

托勒密的地心体系要点

1.地球位于宇宙中心静止不动；

2.每个行星和月球都在本轮上等速转动，本轮的中心则沿着均轮运动，只有太阳直接在均轮上绕地球转动，地球不在各均轮的圆心上，而是偏离一段距离；

3.水星和金星在本轮中心位于地球和太阳的联机上，这一联机一年绕地球一周，火星、木星、土星到它们各自的本轮中心的直线总会和日地线平行，这三颗行星每年绕其本轮中心一周；

4.恒星都位于「恒星天」之上；

5.日、月、行星除了上述运动外，还与恒星天一起，每天绕地球自东向西转一周。

近代天文学家及其贡献

〈一〉哥白尼 (Nicholas Copernicus，1473-1543)

哥白尼是科学向神权宣战的第一位战士。在公元4—5世纪，以罗马教皇为首的天主教会势力非常强大，神权赛过君权，凌驾于国家权力之上，教会就是上帝在世上的代表机构，天主教会把希腊天文学家托勒玫创立的地心宇宙系，即地球居于宇宙中心静止不动，其它日、月、星辰环绕地球旋转的说法当作它的护身符。按照天主教义，自然界是上帝“从无”中创造出来的，永远受上帝的意旨支配。上帝“按照自己的形象”创造了人，并把他(她)安置在地球上，所以地球在宇宙中应当占有特殊地位。这样托勒玫的地心宇宙体系，正好为天主教义提供了“科学依据”，使它变成与宗教教义具有同等意义，同样神圣而不可侵犯。谁要是对它表示怀疑和反对，便被认为贬渎神圣和大逆不道，就要受到严厉制裁。而哥白尼却把它推翻了，地球被逐出宇宙的中心，变成一颗不断自转、同时又环绕太阳公转的行星。原来，人们并不是居住在稳如盘石的大地上，而是栖身在一个旋转很快的“陀螺”上。《圣经》赋予地球的特殊意义——上帝的桂冠和宇宙的主宰，完全丧失了。

　　地球既然不是宇宙中心，而是普通行星之一，整个宇宙自然不因地球而存在，也不再有什么天堂与地狱之分。“天”既不存，“堂”将焉附，上帝也失去了藏身之所。这种教义上的破产，震撼了欧洲中世纪宗教统治的理论支柱，大大动摇了人们心目中对教会势力的崇拜。

　　哥白尼的伟大成就不仅铺平了通向近代天文学的道路，而且开辟了整个自然科学向前迈进的新时代。他教导人们用新眼光去看待事物，不应该盲目信赖古人的权威和从虚幻的表像看待事物，而应该在自然界中依靠实践和科学分析去发现事物的真理。

　 哥白尼在意大利留学期间正逢文艺复兴最盛期，在新思想接二连三地被提出的环境中，他读了公元前3世纪时天文学家阿里斯塔克斯的著作，受到书中所言：「不是太阳绕地球运行，而是地球绕太阳运行。」的影响很大，对哥白尼主张太阳为中心的宇宙观贡献很大，书中并指出恒星并不会因为视差而产生岁差的现象，因为恒星实在是太遥远了。1530年，哥白尼完成了他的著作，是一本叫做「小批注」(Little Commentary)的短文，他写着：「所有的星球都以太阳为中心运行，因此太阳是宇宙的中心，…天空中的各种现象都不是来自于苍天的运动，而是地球的运动。」虽未曾出版，手稿却在欧洲学者间四处传阅。1539年，有位任教于威汀堡大学的数学教授雷替克斯(Georg Joachim Rhaeticus, 1514~1576)，他阅读哥白尼的短文深受感动，亲自到佛隆堡的哥白尼住处拜访，并一起讨论了两年；并在1540年出书介绍哥白尼的学说。罗马教皇读过雷替克斯的书后，肯定其价值，力劝哥白尼出版全部论文，后来哥白尼就把著书捐给教皇。随后哥白尼又在1541年出版了工作摘要，标题是Narratio Prima (意为：首次报告) 长达38页，立即引来罗马天主教、马丁路德、约翰喀尔文等宗教家的抨击。

　　在那同时，雷替克斯将哥白尼的手稿委托朋友奥西安得出版，奥西安得深知路德派反对此学说，于是未经哥白尼同意，就自己写了一篇序文加上去，说明该书的论点并非绝对真实，而只是计算行星位置的方法。手稿在1543年出版了，当时立刻轰动整个欧洲，书名叫做《天体运行论》（De Revolutionibus Orbium Coelestium)，朋友形容新书交到哥白尼手上时，他只剩下一口气， 5月24日哥白尼因脑溢血去世，使得哥白尼永远没有机会看到序文。后来世人还以为懦弱的序文是哥白尼写的，评价大幅降低，直到1609年才被刻卜勒揭开真相，再度提升哥白尼的地位。天体运行论一书共分六卷︰第一卷是运行理论的基础与全书概要；第二卷是球面天文学与地平天文学；第三卷是以地动说为基础的太阳运动；第四卷是月球的运动；第五卷是行星在赤经方向上的运动；第六卷是行星在赤纬方向上的运动（图2）。他致力于研究太阳、行星、和月亮对恒星的相对运动，穷其一生对星象的观察，大致获得下列结论。

(1)地球是圆球体

证据是：越往北移动，北极星就升得越高；越往南移动，则越低。

(2)地球由西向东自转，并且大气层随着地表运动

　　如果大气不随着地表运动，应该会有连续的风由东向西吹。太阳、月亮、和星星都是东升西落，表示地球由西向东自转。

(3)地球不是宇宙的中心

　　太阳才是宇宙的中心，地球和行星都以圆形的轨道绕太阳运转，但是圆形的轨道不以太阳为圆心；因为观察行星在天空中移动的速率，并不是等速率的。

(4)外行星以相反的方向绕行太阳

　　当外行星(火星、木星、土星)在「冲」的位置时，看起来会渐慢而停止，再向后移动一些，又停止一次后，再向东行。造成这样现象的原因是地球在内轨道越过它们所造成的相对运动。

(5)太阳由西向东运行，星星则相反方向

因为地球以圆形轨道绕着太阳运转，看起来太阳在星空中移动的方向是由西向东；反之，星星则以由东向西的方向移动。和我们今天观察的现象吻合。

(6)行星到达冲的位置时最亮

　　因为行星到达「冲」的位置时，离地球最近，所以比其它时间亮。

(7)火星的逆行运动比木星大，木星又比土星大

　　火星的逆行运动比木星大，木星又比土星大；逆行所造成的圈线是透视的效果，表示火星比木星靠近太阳，木星又比土星靠近太阳。

(8)越在外侧的行星，绕太阳作公转的时间越长

　　「恒星周期」是指行星绕转太阳一周所需要的时间。恒星周期越长，行星离太阳越远；火星的周期 687天、木星将近12年、土星大约30年，因此土星离太阳最远，木星次之，火星则是三者离太阳最近的行星。而地球的周期是 365天，显然比火星还靠近太阳。水星和金星永远无法完整地绕转天空一周，因为它们的圆轨道在地球轨道内绕太阳运转，周期分别是88天和 225天，可以知道水星最靠近太阳，金星远些但仍比地球近。由于水星与金星在地球轨道内运行，从地球观察会有盈亏现象，但因此现象无法用肉眼看见，而不能支持哥白尼的观点。

哥白尼「日心体系」的要点：

(1)地球不是宇宙的中心，而只是月球轨道的中心。

(2)宇宙的中心在太阳附近，包括地球在内的行星都环绕着太阳转动。

(3)日地距离和众星所在的天穹层高度相比是微不足道的。

(4)每天看到的天穹周期性地转动，是由于地球绕其自转轴每天旋转一周所造成的。（地球自转效应）

(5)每年看到的太阳在天球的周期性运动，并不是太阳本身在动，而是地球绕着太阳公转所造成的。（地球公转效应）

(6)目视到的行星顺行和逆行的现象，是地球和行星共同绕着太阳运动的结果。

日心说的要点主要是：第一，地球不是宇宙的中心，只是月球轨道的中心；第二，宇宙的中心在太阳附近，行星都围绕着太阳而运行，地球也是如此；第三，太阳与地球间的距离与恒星所在的高度相比是微不足道的；第四，天体周日旋转的视现象是由于地球绕其自转轴每天旋转一周而产生的；第五，太阳的周年运动并不是它本身在动，而是地球绕着太阳旋转所造成的；第六，行星的顺行与逆行是因为地球和行星共同绕日运动的结果。哥白尼系统的天体顺序，原则上由低而高依序是：水星、金星、火星、木星、土星，以及最高的恒星。

　　《天体运行论》的出版意义十分深远。它揭示了地球仅是一颗围绕着太阳运转的普通行星。这根本就否定了「地球是上帝特别安排在宇宙中心」的教廷说法。它是象征着自然科学向教廷抗衡所发布的独立宣言，自然科学的思维从此便开始和神学分道扬镳，天文学也由此掀开了近代科学的探究大门，不但带领人们走出智识的黑暗时期，也带动了接续近一个世纪的时光，将托勒密古天文思维，带入近代天文学的境界。德国哲学家康德说：「哥白尼把地球为宇宙中心转变为太阳，使人们对地球的价值观，甚至宗教观与哲学观都有重大的『哥白尼式转变』。」今天，太阳为宇宙中心的宝座也已不保，太阳只是一颗平凡的恒星，银河当然也不是宇宙的中心。我们越了解宇宙的真理，自我似乎更渺小了！而知道这件事的第一人，正是哥白尼。

（注）︰太阳、地球与这颗外行星约在同一直线上时，称为这颗外行星的「冲」。

　 虽然哥白尼强调他所用的圆比托勒密少，可以简化计算与证明，但仍并无法具体说明其理论的优越性，也依旧无法取得计算上更加精确的优势，甚至无法威胁托勒密的系统。后来的天文学家刻卜勒(Johnanes Kepler1571-1630)利用了第谷(Tycho Brahe, 1546-1601)的以新仪器所得观测数据，才重新建立了行星运动的系统，而这个系统在理论上的完美与计算上的精确才又推进了一步。

「日心说」虽然不是我们想象中那种全新的理论，仍旧引发了后世一连串的转变。在这漫长的转变过程中，哥白尼可说是引发天文系统典范转移的开端。

〈二〉第谷 (Tycho Brahe，1546-1601)

出生于1546年的第谷布拉赫，十四岁时，因深受1560年的日食所感动而从学习律法转为研究天文，当他发现依据托勒密（Claudius Ptolemy）以「地球为宇宙中心」论所描述行星运动的观测数据有严重误差时，感到十分沮丧，便断然决定要建立比以前更大、更精确的仪器，尽可能做到更精准的测量。

在1563年当第谷还是学生时,他看到木星和土星非常靠近,在8月24日几乎变成一点。用托勒玖和哥白尼的系统计算出来的位置表都差了好几天,这使第谷对两个系统都不满意,并开始对行星的运动产生兴趣。在1572年秋天,他发现一颗新星:第谷超新星,它的亮度比金星还要亮,甚至在白天也可以看得到。第谷对这颗新星作了长期观测,并没有观测到视差,证明它的距离遥远,应位于恒星天球上。但亚里士多德的哲学表示天上是完美永恒,不应有任何的改变,更不应有新的星星出现,这更加深第谷对托勒玖系统的怀疑。他把观测这颗新星的结果和心得写成《新星》一书,在1573年出版。从此第谷开始受到欧洲其它天文学家的注意。

第谷是一个非常自大又喜欢激烈争论的人。1565年的耶诞夜，在德国的Rostock，他和丹麦贵族起冲突，结果鼻梁被打掉了，后来他装上一个金银合金的金属代替鼻子，据说他和决斗者后来又变成好朋友。1570年他回到丹麦。在1576年，丹麦国王允许第谷在介于丹麦和瑞典之间的维恩(Hveen)岛建造一个叫Uraniborg的城堡（图6）， 和一个叫做Stjerneborg的天文台，他本人是一位卓越的天文仪器制造家, 所以汶岛天文台所配备都是当时最精密的观测仪器,成为世界的天文学研究中心。

1588年，丹麦国王死了，新国王不准备再支持他的工作，因此，第谷在维恩住了20年之后便离开。1599年，第谷定居在布拉格(捷克首都) 附近的Benatky 城堡，当时他被皇帝鲁道夫二世(Rudolf Ⅱ)指定为皇室的数学家，在那儿，他运用在维恩搜集到的资料从事月亮的分析及行星观测的工作，1600年2月4日起，年轻的刻卜勒开始参加他的研究工作，当时刻卜勒已经出版「神秘的宇宙」(Mysterium Cosmo-graphicum)一书，表示他自己是哥白尼的信徒。隔年，第谷去世，他把毕生苦心观测行星所获得的资料全部留给了刻卜勒，期勉他证明第谷的行星观点是正确的理论；但讽刺的是：刻卜勒却使用第谷的资料来验证哥白尼的理论是正确的。第谷认为如果金星和水星在地球的轨道内绕太阳运转的话，它们应该有像月亮的盈亏现象，但是不曾看过。因此第谷认为，月亮、太阳、火星、木星和土星都绕着地球运转，而水星和金星绕着太阳运转。奇怪的是，照第谷的模型，金星和水星还是得有盈亏现象，如果当时第谷有望远镜，他会看见新月形的金星的。从地球向金星观测，可以看见金星的相变化（图5）；当金星在太阳对面时，可以看见小的圆盘面，当然因靠近太阳而观测困难。之后渐变成凸月状，但金星因为接近地球而变大，凸月面越来越小，金星越大，终成新月状，而至眉月状，直到金星介于太阳与地球之间时，就看不见金星了。之后，由大的眉月形倒过来渐又变相至小圆盘状了。

第谷对天文学的贡献主要是在观测方面,他所用的仪器是当时最精良的,曾测量七百多颗星的位置,误差不到四弧分,所制成的星表,直到今天仍有使用价值。另外, 他更是勤于观测,在汶岛的二十年间,几乎每天都测量太阳、月亮和各行星的位置,其中火星的数据尤其丰富。这大量珍贵的资料后来被开普勒所利用,终于推导出行星运动的规律。

　 虽然第谷没有讲对行星的模型，但是他对于行星质量精确的测量，使行星的位置得以确定，尤其是火星，这对刻卜勒发明第一个行星运动的数学定律有很大的帮助，第谷穷其一生，重新估算每一个天文常数，并将历法彻底改善了，在天文领域上有着相当的贡献。

第谷体系

第谷行星体系 : 除了地球和月球，所有星辰都绕着太阳转，而太阳绕着地球转

墙式象限仪

　说明:象限仪是古代用以测定天体的地平高度或天顶距之观天仪器。

Uraniborg

说明：图中心部分为主楼，称为「天堡」。四侧为天文观测的其它仪器，如图右下角的「六分仪」。后来在天堡南侧又建了一座观测楼，称为「星堡」。第谷在天堡和星堡装置了大量第谷自行设计的天文目视仪器，如方位仪、六分仪、三角仪、大浑仪、赤道浑仪、天球仪、象限仪、墙式象限仪等。

〈三〉刻卜勒Johannes Kepler (1571-1630)

刻卜勒生于德国西南部Swabia的Weil der Stadt，他的祖父Sebald Kepler是一个受人尊敬的工匠并且担任这个城镇的市长，外祖父Melchior Guldenmann是个旅馆主人也是隔邻城镇Eltingen的市长，父亲Heinrich Kepler根据刻卜勒描述是一个品行不好ˋ粗俗爱争吵的军人，对于他母亲的描述也相当的不厚道，从1574到1576年间刻卜勒和他的祖父母住在一起，在1576年他的父母移居到附近的Leonberg，在那里刻卜勒进入拉丁学校，在1584年他进入Adelberg的新教徒神学院，在1589就读于Tübingen的新教徒大学，在那里他除了学习神学之外且广泛的涉猎其它各学科领域，在1591年通过M.A考试，并且继续他研究所的学程。

　 刻卜勒数学领域的老师是Michael Maestlin (1580-1635)，Maestlin 是最早接受哥白尼太阳中心论学说的天文学者之一，虽然他在大学里只教授扥勒密的天文系统， 只有在研究所的学程中他才以哥白尼的天文系统技术细节最为教授的内容，刻卜勒晚期曾说，就在求学的那段时间因为自然或者超自然的原因使他成为哥白尼学说的信徒。

　 在1594年接受了Graz(今日的奥地利Styria省)新教徒神学院的聘请成为一名数学教授，他也被任命为地区的数学家与历法的制定者，直到1600年发生新教徒必须改变信仰不然就得离开此地(宗教改革运动Counter Reformation)以前刻卜勒都留在Graz，这六年来，刻卜勒教授算学ˋ几何学ˋVirgil与修辞学，在他私人闲暇的时间，他钻研天文学与占星术，在1597年同Barbara Müller结婚，同年他发表了他第一本重要的著作─Cosmographic Mystery(宇宙的神秘)，在这本书中他主张哥白尼天文系统中行星到太阳的距离是由五个正多面体所决定，一个行星的轨道环绕着一个正多面体，并且提出一个用五个多面体来说明六个行星轨道的模型，把六个行星轨道同五个正多面体交替套在一起。

　 刻卜勒将宇宙的神秘这本书寄给的布拉赫，布拉赫看了之后，大为赞赏，除了水星之外，刻卜勒的架构创建出很精确的结果，因为他在书中所表现出的数学方面的天份，于是泰可布拉许邀请刻卜勒到布拉格去成为他的助手并且由他的观察资料中来计算新的行星的轨道，在1600年刻卜勒来到了布拉格。

　 直到泰可布拉许去世前(1601年)，刻卜勒一直是他的助手，并且指定为泰可布拉许皇室数学家的继任者，这是当时欧洲数学界最有名望的任命，刻卜勒接任这个位置直到1612年国王鲁道夫二是被罢触之后，在布拉格的时候，刻卜勒发表了一系列重要的著作，如1604年的The Optical Part of Astronomy，此书主要描述大气对光线折射的影响，并且提出如何处理镜片与提出眼睛的运作原理；在1606年他发表了Concerning the New Star，谈到1604年所发现到的新星；1609年的New Astronomy(新天文学)书中包含了他著名的行星运动定律前两项(行星以太阳为一圆心行椭圆形运动ˋ每个时间移动的面积都相等)，而其时，其它的天文学家仍然遵循古代天文学的概念认为行星运动只不过是运动学上的问题，刻卜勒提出直确的运动方法，将物理学引进到天际之中。

　 在1610年，刻卜勒听到并且研读伽利略天文望远镜的发明，他立刻撰写一篇长的论文Conversation with the Sidereal Messenger来支持这个创新，在那年末，他得到了一步适用的望远镜，并且发表了题目为Narration about Four Satellites of Jupiter observed的论文来说明木星卫星的观察纪录，这些短论为当时受到许多怀疑与批评的伽利略带来莫大的支持，刻卜勒的两篇作品很快的就在佛罗伦斯印行发表，刻卜勒继续的去撰写望远镜的原理并在1611年以Dioptrice发表。

　 在这段期间，刻卜勒有了三个小孩(有两个出生于Graz，但未满一月即夭折)， 1602年出生的Susanna于1630年嫁给刻卜勒的助手，其它的两个孩子是 Friedrich (1604-1611)与Ludwig (1607-1663)；刻卜勒的妻子Barbara死于1612年，在那一年刻卜勒得到了Linz地区数学学者的职位，这个职位持续到1626年，在Linz的时候，刻卜勒和Susanna Reuttinger结婚，这对夫妻有六个子女，三个早夭。

　 在Linz的时候，刻卜勒发表了有关耶稣生辰与年代学的第一本着作，1613在德国出版，1614年以拉丁文出版的Concerning the True Year in which the Son of God assumed a Human Nature in the Uterus of the Blessed Virgin Mary，在这本着作中，刻卜勒证明基督教的天文历法有五年的误差，耶稣实际上应该生于公元四年，这个结论在现在受到普遍的认可；在1617年与1621年中，发表了Epitome of Copernican Astronomy(哥白尼天文学概要)，此书成为太阳中心天文系统最重要的概说；在1619年出版的Harmony of the World(宇宙谐和论)以音乐节奏般的和谐来推演出太阳中心论中行星的距离与周期，这本书中我们可发现它的第三个行星定律，有关于因平均轨道半径导出的行星周期。

　 在1615-16时，刻卜勒的出生地发生了女巫捕猎事件，他的母亲也被控告为一名女巫，直到1620年他母亲的案件才结束并且得到自由，在他的审问期间，就是由刻卜勒来替他进行辩护。

　 1618年三十年战争开始，这个战争蹂躏了整个德国与奥地利，刻卜勒在Linz变得愈来愈差，因为宗教改革运动就迫害以Linz为主要地区的新教徒，因为他是宫廷的官员，虽然刻卜勒受到必须驱逐该省所有的新教徒的法令影响，并没有受到迫害，在这段期间内，刻卜勒以泰可布拉许精准的观察纪录结合自己椭圆形行星理论发表了一个新的历法Rudolphine Tables(路德福星表)，当时爆发的农民革命夺占了Linz，一场大火摧毁了印刷厂与这本历法的许多部分，兵士们驻扎在刻卜勒的家中，刻卜勒和他的家人于1626年离开了Linz，才于1627年在Ulm发表这本历法。

　 此时的刻卜勒并无地位也无薪津，他设法去从不同的宫廷中重新得到职位，并且回到布拉格的皇室国库中想要去追回他担任皇室数学家期间的积欠薪饷，刻卜勒于1630年死于Regensburg。

　刻卜勒的行星运动三大定律

克卜勒第一定律

行星运行的轨道为椭圆，而太阳位于椭圆焦点之一。(1609)

克卜勒第二定律

行星与太阳的联机，在相同的时间内扫过相同的面积。(1609)

克卜勒第三定律

轨道半长轴a 的三次方与周期p平方之比为常值。(1619) a3/p2 = 常数

〈四〉伽利略 (Galileo Galilei，1564-1642)

1564年2月15日伽利略出生于意大利古城比萨，父亲是破落的贵族，擅长音乐和数学。童年时代的伽利略就显示非凡的制作和观察能力，自己动手制成会动的玩具和机器。1572年开始接受正规教育，在圣玛丽亚寺院学习。1581年9月考入比萨大学，遵从他父亲的意愿学医。然而他对医学毫无兴趣。一个偶然的机会，把他的兴趣和注意力引向数学和物理。1583年托斯卡纳公国(比萨隶属于此公国)的大公爵来比萨过冬，随行人员中有一位很有才学的宫廷教授里奇(Ostilio Ricci,1540~1603)，是伽利略家的朋友。在一次里奇所作的数学演讲中，使旁听的伽利略着迷。从此他对数学的兴趣剧增。由于他对数学表现出非凡的理解能力和过人的逻辑思维能力，被里奇收为门生，并指导他阅读了不少数学著作，特别是阿基米德和欧几里德的著作。这使得伽利略在数学上有相当的造诣，对他以后创立实验自然科学并获得成功起了巨大的作用。

伽利略对数学的热爱，引起了他父亲的反对，加上家境窘迫，1583年他没有取得学位就离开比萨大学，回到佛罗伦斯协助父亲经营店铺。在经营之余，他把一切时间都用于学习数学做实验，从此开始自学和独立进行研究。

1594年，伽利略患关节炎在家养病期间，阅读了有关介绍哥白尼日心说的书籍。哥白尼所描绘的宇宙结构图象，引起了他强烈的兴趣，开始研究天文学。在1597年5月写给比萨友人的信中，他第一次表明赞成哥白尼的日心说。同年8月收到开普勒寄来的他的处女作《宇宙的神秘》一书抄本。在给开普勒的回信中，伽利略再次公开声称他是哥白尼的信徒，并宣称发现了一些有利于证实地动的物理论据。他对哥白尼学说的兴趣不是建立在力学而是建立在天文学的基础上。1604年起新星的出现，导致对亚里士多德关于天空的紧固性论述的争论。在这场争论中伽利略公开支持哥白尼的理论，发表了三篇内容充实的演讲，并准备发表有关天文学的著作。然而他的这些计划被一件偶然发生的事情打乱了，没能实现。1606年，在帕多瓦的一位德国人梅耶和他的学生卡普拉剽窃了伽利略发明的比例规，把他写的意大利文的说明书译成拉丁文，谎称是他们自己发明的，并且反诬伽利略是剽窃者。伽利略为捍卫自己的发明权，向学校当局控告他们两人，当时迈尔已回到德国，而卡普拉则被学校开除。1607年他用辩论文体发表了《对卡普拉诽谤与欺骗的自辩》，从此开始了以辩论文体为斗争武器的写作方式，取得了极大的成功。

1609年7月，他从友人处听到荷兰的利泊希发明了望远镜，于同年的8月根据传闻制成了第一架放大率为3倍的望远镜。他用风琴管作镜筒，两端分别嵌入一片直径为5.6厘米的平凸透镜和一片平凹透镜。他前往威尼斯，把它献给了大公爵。望远镜很快在军事上和航海上显示出它的实用价值。为了表彰他的功绩，威尼斯大公爵封他为帕多瓦大学的终身教授，并给予加位薪俸。他不满足于已制成的第一架望远镜所取得的成功，经过继续努力和改进，到1609年底，他把放大倍数提到32倍，这是伽利略型望远镜的极限值。具有重要意义的不是他制出了第一架高倍率望远镜，而是他首先把望远镜对准了浩瀚的星空，开创了用望远镜研究天体运动的新纪元，创立了望远镜天文学。

他首先观察了月球，发现月球表面并不像经院哲学们所描述的那样光滑、完美而没有瑕疵，而是像地球表面那样，高低不平，有高山有深谷，也在绕轴自转。他把月球上两条主要山脉分别以"阿尔卑斯"和"阿平宁"来命名，并绘出世界上第一幅月面图。他根据月面上明暗斑纹的变化，推测出月球自身是不发光的，它的亮光是反射太阳光的结果。他接着观察行星，发现在望远镜中看到的行星要比肉眼看到的大得多，两恒星则差别不大，推断出恒星离地面极远。银河是由无数颗恒星所组成，证明了布鲁诺关于宇宙是无限的论断是正确的。1610年1月7日这一天是伽利略一生中最伟大的一天，也是天文学史上重要的一天，他从望远镜中发现了木星有卫星，经过几天的观察，发现卫星共有四颗，并在绕木星缓慢旋转，这多像是一幅哥白尼体系中小太阳系的画面。这对哥白尼学说来说是个重要的支持。说明亚里士多德的天界是不变的，行星祇有七个，一个不多一个不少的说法是完全站不住脚的。1610年3月他把上述的观察结果和对哥白尼学说的阐述写成《星界信使》一书在威尼斯公开发表，引起轰动。开普勒对此书给予高度评价，在伽利略的同意之下，开普勒同年在德国的法兰克福重印。为了对伽利略的支持，开普勒写了《同星界信使的对话》一文，指出伽利略的发现与他的行星理论是完全一致的。

伽利略身在帕多瓦，心里一直想念着家乡佛罗伦斯。为了能回到家乡，他把《星界信使》和一架望远镜献给佛罗伦萨托斯干纳大公爵科西莫．德．梅迪西二世(Cosimo del Medici II)，并把木星的卫星命名为"梅迪西星"。1610年7月他被托斯干纳大公爵任命为宫庭数学和哲学教授，并任比萨大学名誉教授。在这同一个月里，伽利略发现土星呈橄榄型的"三重星"，误认为土星有两颗极近的卫星。直到46年后，惠更斯才正确提出这是土星光环所致。

伽利略于1610年9月回到阔别18年的佛罗伦斯，继续从事天文观察。就在这个月的月末发现了金星的盈亏现象，后来发现水星也有相似的现象。从金星和水星的周相变化不同于月球，推断出金星和水星是在太阳与地球之间的轨道上绕太阳旋转。这对哥白尼学说无疑是个有力的证据。

1613年发表了《关于太阳黑子的信札》的小册子，叙述了从1610年以来他对太阳黑子活动和形状变化的观察，书中第一次明确地阐述了哥白尼的学说，提出了角动量守桓和惯性的初步概念。他的观点招致教会中反对它的人和亚里士多德追随者的恶意攻击和中伤，指责他宣传邪说，背叛《圣经》。1616年2月26日宗教法庭对伽利略进行了审判，并颁布了如下的法令："认为太阳处于宇宙中心静止不动的观点是愚蠢的，在哲学上是虚妄的，纯属邪说，因为它违反《圣经》"，正式宣布哥白尼的《天体运行论》为禁书，同时警告伽利略不准用语言和文字维护哥白尼的学说。

从此伽利略隐居于佛罗伦斯郊外的别墅里，进行一些不违背教会警告的研究工作。由于1609年望远镜的出现而中断了的力学研究工作，现在又继续进行了。他研究了加速运动，正确地定义了匀加速运动。

1618年三颗彗星的出现，引起了不少人的注意和研究。伽利略虽然对彗星没有提出什么明确的理论，但是他针对一些错误看法，指出彗星是天体的实在的运动，而不是雾海中太阳反射的光学效应。

在这期间，教会中反对和仇恨伽利略的凶恶敌人，加紧对他的攻击。伽利略忍无可忍，决定予以反击。经过长期准备，一本申辩冤诬的书《分析者》写成了，1623年由猞俐学会出版。这时传来他的老朋友巴贝里尼(Maffeo Barberini)主教当选为教皇乌尔班八世(Urban VIII)的喜讯，他决定将《分析者》献给新教皇，并请求解除1616年的禁令。教皇对些表示无能为力，但不反对他写一本讨论哥白尼学说和托勒密学说的书，作者不应作出地动的结论。从1624年起着手准备到1630年，他花了6年的时间，用便于大众阅读的意大利文写成了不朽名著《关于托勒密和哥白尼两天世界体系的对话》(简称《关于两大世界体系的对话》，或《对话》)。为了不违背教会的警告，他采用三个人对话的形式，对两种宇宙体系作了四天的谈话。第一天批驳亚里士多德关于天体的组成与性质完全不同于地球的谬论，用大量天文观察事实，证明了"天不变"、"天地有别"的观点是错误的。提出了"运动并不一种变化，它并不导致生长和毁灭"的重要见解。第二天论证了地球的周日运动，运用他所提出的相对性原理，驳斥地球不动的观点。第三天讨论了地球的周年运动。第四天讨论潮汐运动，错误地认为地球的自转和公转的双重运动是产生潮汐的原因，并以此作为地动的证据。

1630年伽利略带着手稿来罗马申请印刷许可证。当时罗马正值瘟疫流行，支持他的塞西侯爵染病去世，承担出版发行的猞俐学会也由于塞西的去世而解散。他祇好回到佛罗伦斯，在当地申请印刷许可证。经过种种周折，终于在1631年，取得了在佛罗伦斯印刷的许可证。1632年3月《对话》在佛罗伦斯与读者见面了，一部分邮往罗马。此书受到读者的热烈欢迎，首版销售一空，供不应求。

《对话》的成功，引起罗马的极大惊恐，教会中极端仇视伽利略的人在教皇面前诬告《对话》是针对和讽刺教皇的，说伽利略欺骗和愚弄了他。这使教皇十分恼怒，下令立即停止发行，这时是当年的8月份。10月份宗教法庭传伽利略赴罗马受审。当时伽利略有病在身，拒绝去罗马。但是教皇丝毫不肯宽容，尽管有托斯干纳大公爵贺迪南德二世(Grand Duke Ferdinand II)的求情和医生的证明也无济于事。1633年1月20日伽利略被担架抬着赴罗马受审。2月13日到达罗马，4月开庭受审。经过三个月的严酷刑讯，于6月22日结案。在教会的淫威胁迫下，他违心地在悔罪书上签字认罪，并发誓"以后无论住口头还是书面上，决不再说或者主张会引起人们对我有同样怀疑的一切。"宣判《对话》是禁书，禁止出版和发行，判决他在教会的监视下终身监禁。最初在大主教皮科洛米尼(Picclomini, Ascanico)监管下送往锡耶纳。皮科洛米尼曾是伽利略的学生，对他十分友好，鼓励他振作起来，继续他的研究。这使处于逆境中伽利略得到很大的鼓舞，决心把毕生的研究成果加以整理，继续进行力学的实验和研究。1634年初伽利略被允许回到佛罗伦斯的阿切特里村，这可以使他有可能经常去看望在修道院的两位女儿。不幸的是，没过几个月，他最心爱的大女儿染病于同年的4月去世。失去了晚年生活中的最大藉慰，对他的打击是沉重的。正当他心灰意懒，失去工作和生活的信心的时候，传来了令他振奋的好消息：《对话》被译成拉丁文在德国的斯特拉斯堡出版，还被译成英文，在欧洲广为传播。1635年6月，一部总结他一生力学研究成果的科学巨著《关于力学和局部运动的两门新科学的谈话和数学证明》(简称《两门新科学的谈话》，或《谈话》)脱稿了。在教会控制下的意大利，他的书是无法出版的。1637年他把手稿交由一位友人私下带往荷兰，翌年7月由莱顿的埃尔泽弗(Elzevirs)，出版发行。当他拿到这本书时，他的双日由于长期使用望远镜观察星空，用目过度而失明了。与《对话》一样，《两门新科学的谈话》仍采用三人对话的形式。第一次讨论了固体材料的强度，反驳了亚里士多德的落体速度与其重量成正比的法则；第二天讨论了内聚作用的原因、杠杆原理的证明及梁的强度；第三天讨论了匀速运动和天然加速运动，详细地讨论了自由落体运动的规律，介绍他发现落体定律的过程和方法；第四天讨论了拋体运动，用研究落体运动所用的方法来详尽地研究拋体运动。四天的谈话涉及了运动学、动力学、弹性力学、声学和弹道学。但最主要的内容是第三天和第四天所讨论的内容。在这里他介绍了他所采用的自然科学的研究方法－－数学演绎法的精髓，他借用《谈话》中的人之口说："可以想见，采用这种方式，一种有价值的处理方法可以逐渐推广到目然界的所有领域……"。从物理学的观点来看，《谈话》的价值远大于《对话》。伽利略在给友人的一封信写道："《谈话》比我迄今为止所发表过的任何著作都好，…‥它包括了我认为在我的全部研究工作中是最重要的成果。"但是从天文学和捍卫哥白尼学说的观点来看，《对话》在人类文化史和科学史上的地位却是超过了《谈话》。

在晚年，年轻的维维安尼陪伴和照料他的生活，成为他的学生和助手。维维安尼把他老师的想法和研究记录下来并加以整理，成为《谈话》的续篇(第五天)。1641年托里切利也一起参与工作。这一年的冬天，伽利略患寒热病，于翌年1月8日凌晨4时逝世。葬在佛罗伦斯的圣克罗斯，连块墓碑也没有。过了近一个世纪才重新迁葬并坚立了纪念碑。

〈五〉牛顿(lssac Newton,1642~1727)

牛顿是近代自然科学史上最负盛名的科学家之一。他对自然科学的贡献是多方面的，他对力学、光学、热学、天文学和数学等学科，都有重大的发现，其中以力学方面的贡献最为突出，他创建了以他的名字命名的经典力学体系，把力学确立为一门独立的体系严密的科学，并把力学应用于自然科学的各个领域，包括天文学，从而统一了天上和地上的物理学。

1642年伟大的近代科学的先躯者伽利略逝世了，但是另一位科学巨人牛顿在这一年的12月25日圣诞节的早晨，诞生在英国林肯郡的沃尔斯索普村。当时英国采用朱理亚．恺撒的旧历，到1725年英国才改用格列高里十三的新历。按新历计，牛顿的生日为1643年1月4日。牛顿是个早产的遗腹子，2岁时母亲改嫁， 由外祖母和舅舅詹姆斯抚养。12岁进了格兰瑟姆公立学校，读了四年。少年时的牛顿性情温和内向，与伽利略相似，喜欢动手制作会动的玩具，对机械制作和实验有着浓厚的兴趣，同时他也很喜欢数学和绘画。少年时代的牛顿是一位普通的农村少年，没有什么神童或天才的迹象。从保留下来的牛顿少年时代的几本笔记本中可以看出，他有一种把自然现象、语言等进行分类整理归纳的强烈嗜好，对自然现象极感兴趣。

在舅舅和格兰瑟姆校长的干预下，母亲打消了让他务农的念头，同意他去考大学。1661年6月5日牛顿以"减费生"的身份考上著名的剑桥大学三一学院。"减费生"是当时人们对那些得到某些优惠的穷学生的称呼。当时学院里祇讲授中世纪经院式的课程，但1663年发生了一个转折，对牛顿后来的科学生涯产生了很大的影响。有位姓卢卡斯(Henry Barrow,1630~1677)的人在三一学院创办了一门讲授自然科学的讲座，主要内容在地理、物理、天文和数学等学科，第一任教师是巴罗(Isaac Barrow,1630~1677)教授。他博学多才，是杰出的数学家和希腊语学者。牛顿在巴罗教授的指导下学业大有长进，开始显示出非凡的才能。他对自然科学和数学的出奇理解能力，引起巴罗教授的注意和重规。1664年经巴罗亲自考试，牛顿被选为他的助手，1665年牛顿获学士学位。

在这段时期，他学习了拉丁语、算术、三角和欧几里德的《几何原理》，哥白尼的日心说，在巴罗指导下他研究了开普勒的《光学》、笛卡尔的《几何学》和一些数学著作。

60年代初淋巴腺鼠疫席卷英国。1665年剑桥大学被迫停课。是年8月至1666年3月25日，1666年6月22日至1667年3月25日，牛顿两度回到沃尔斯索普乡间的老家，他利用这两段在家避瘟疫的时间，对自然科学中许多领域的问题，进行了认真的思考。他在光学、数学、万有引力定律、化学和自然哲学等方面的基本研究思想和见解，都是在这段期间形成的，他的最重要的发现也是在这期间完成的。这是他一年中科学研究最旺盛的时期。牛顿在回忆这段生活时写道："1665年初，我发明了级数近似法，以及把任何幂的二项式化为这样一个级数的规则。同年5月，我发明了格雷戈里和斯卢赛乌斯切线法。11月，发明了正流数(微分)法；次年元月，发明了颜色理论，5月，开始研究反流数(积分)法。这一年里，我还开始想到把重力推广到月球的运行轨道上去(在知道了怎样来确定一个在球体中旋转着的圆形物对球面的力之后)，我就从开普勒定律…中推导出，使行星保持在它们的轨道上的力必定与它们到旋转中心的距离平方成反比；而后把使月球保持在它轨道上所需要的力和地球表面的重力作了比较，发现它们近似相等。所有这一切都是在1665和1666年瘟疫流行的年代发现的。因为那现两年我有充沛的精力去搞发明创造，而且比以后任何时候，我都更致力于数学和哲学的研究。

在1667~1687年，这20年间，是牛顿把1665~1667年期间所形成的思想加以发展、完善和成熟的时期，也是他科学生涯中全面丰收的时期。

1667年复活节前后剑桥大学复学，当年的秋天牛顿被选为"选修课研究员"，开始了教师的生活；翌年3月又被任命为"主修课研究员"；接着被授予硕士学位；1669年，年仅26岁的牛顿成数学教授。牛顿在事业上所取得的成功中，有着巴罗对他倾注的心血，是巴罗给他指明了攀登科学高峰的方向，是巴罗领着他走上近代自然科学，特别是光学和数学研究的第一线。巴罗于1669年辞去卢卡斯讲座教授职务，让牛顿接替他成该讲座数学教授，这给牛顿的科学生涯打开了广阔的前景。巴罗的这种伯乐识马的远见卓识和爱才让贤的无私精神成为科学史上的佳话。1670年起牛顿开始卢卡斯讲座的教授工作，讲授内容有光学、数学和力学，一年祇上8节课。作为补充，他同时讲授他的研究成果。由于内容深奥，学生们听不懂，教学较果不佳，因此在剑桥显露头角和名声大振的不是大学教授的牛顿，而是研究者的牛顿。

他在这段期间的主要成就有：1668年制成第一架反射式望远镜，三年后改进制成第二架望远镜，为此，1672年1月11日被选为皇家学会会员；1669年用级数展开法计算双曲线下的面积，同时发明了二项式定理；1672年进行了光谱色分析试验；1680年前后提出万有引力理论；1687年在哈雷(Edmund Halley,1656~1742)的支持和资助下出版了《自然哲学的数学原理》，这是从哥白尼到牛顿时期动力学和天文学上所有发现的系统总结和发展。它以严密的数学推理和天文观测相结合，对物质的组成、相互作用和运动规律做了全面的论证，从而建立起一个完整的普遍的力学理论体系，被誉为所有科学著作中最伟大的一本。

《原理》出版后，由于过度疲劳及为最先发明权与几个同行的争吵，加上为了谋得牧入较高的职位，使他心境不佳，性格变得固执和易怒，患上了严重的忧郁症。他没有再作出任何重大的新发现，祇是完成了他以前对于光学和热学的研究。之后他又迷恋和钻研宗教和神秘思想，转向关于神学的着迷。在这期间，他获得了许多荣誉，1699年被聘为造币厂的厂长，这主要是他对金属化学极感兴趣并有足移的知识。同年被选为巴黎科学院院士。1689年和1701年担任剑桥在国会中的代表。1705年被封为爵士，从1703年11月30日起直到1727年3月20日逝世为止，一直担任皇家学会会长，死后享有葬于威斯敏斯特教堂的殊荣。1704年发表《光学》和《曲线求积法》，1707年《算术通论》出版。1711年《用无穷多项方程的分析》出版。

万有引力定律的发现经过：牛顿发现此定律的思想活动过程怎样？有关这些问题的详细线索直到19世纪末期才发现，这是因为英国的朴次茅斯(Portsmouth)伯爵于1872年把牛顿的大部分遗着交给剑桥大学图书馆，以及《依萨克．牛顿爵士著作和藏书目录汇编》于1888年编成后，使对牛顿遗着的研究才有了可能。在这些遗着中记载了万有引力定律的发现经过和《原理》一书的写作经过，还有其它范围更为广泛的资料和原稿。

(1)引力思想的发展

在16世纪以前，人们对引力的认识主要受亚里士多德学说的影响，认为引力是物体自然趋向宇宙中心的大，这个中心就是地球中心。这种引力观与哥白尼的日心说产生了矛盾。按日心说的观点，地球绕太阳运行，太阳是宇宙的中心，为了说明地球为什么不趋向宇宙中的太阳，他明确表示，引力是一切在体的属性，是物质集聚的一种趋向，正是这种力将宇宙组合成一个整体。一切天体都具有引力。引力的中心是一几何点，这个点不一定在宇宙中心，而在物质球的球心。但是哥白尼并没有认识到宇宙的结构和行星的运动与引力的动力学关系，仅仅看作是一种天然的和数的和谐的关系。

1600年英国的吉尔伯特根据磁石的相互吸引的实验，提出磁力是维持太阳系并驱动行星沿各自轨道运行的原因，为近代引力理论提出了第一个物理模型，根据这模型，引力是相互的，引力中心不是几何点，而是具体的物质。开普勒在吉尔伯特理论的影响下，接受和发展了他的理论，并企图以此来解释行星沿椭圆轨道的动力学原因。他认为太阳具吸引行星使其在行星轨道平面内运行的原因，太阳本身是有磁性的。1619年开普勒在《宇宙的和谐》的一书中，提出"或者说，行星离太阳越远，它们的运动灵魂就越弱；或者说，在所有轨道的中心，即太阳上祇有一个运动着灵魂，轨道中心离行星越近，作用于行星的运动灵魂就越强，距离越远，则由于远的缘故，运动灵魂就越弱。"1623年在《宇宙的神秘》的新版本中，对上述观点作了明确的补充。"假如用力这个字来代替灵魂的话，那么人们就精确地掌握了天体物理的原理"。在这里，"力"第一次以物理意义提出，并与天文学联系在一起。这对引力的探索和天体物理的研究起了推动作用。但是他提出的太阳对行星吸引是太阳发出的磁力流，就像轮辐一样在行星轨道平面上沿着太阳旋转的方向转动着的观点，是错误的。按照这个观点，得出了太阳对行星的引力与太阳和行星间的距离成反比的结论。这是由于在开普勒的观念中，没有惯性的概念。他受亚里士多德力学的影响，接受运动物体柢有往不断增加推动力的情况下才能维持其运动的观点。而他的朋友伽利略则坚持认为行星的运动是"正圆"和"匀速"的天然运动，不需外力的推动，行星的运动是由"惯性"自行维持的。他们两人虽然是学术上挚友，但是他们从未相互了解对方的工作而彼此配合。他们虽然有可能把天文学和力学有机地综合在一起，发现天体运动的动力学奥秘，但是谁也没有做到。过了半个世纪，由牛顿完成了这一综合，发现了万有引力定律。

笛卡儿(Rene du Perron Descartes,1596~1650)跟伽利略一样，也相信行星沿圆轨道匀速运行。他试图把天体运动的原因纳入力学规律，提出漩涡说。认为宇宙是由不停旋转着的微粒所组成，太阳和行星便在各自的漩涡中心，行星漩涡带动卫星，太阳的漩涡带动行星、卫星和它们的漩涡。笛卡儿的漩涡说在当时曾产生很大的影响，而且使人们不再去注意引力问题的研究，1669年惠更斯以在小碗中旋转的卵石被转向碗底的实验支持漩涡说。但是笛卡儿的学说与观察到的事实不符，无法定量讨论引力现象，很快就被否定了。事实上，惠更期在研究摆的运动规律时，1659年就发现维持圆运动的物体需要一种向心力，并得到有关定量计算公式。他没有看出这对解决行星问题的重要意义，但是这对后来发现万有引力定律的反平方关系起了重要作用。

1666年，意大利的天文学家和数学家波雷利(Giovanni Alfonso Borelli,1608~1679)提出一个重要的概念，认为行星的运动必须要存在一种平衡离心力的力，而这种力就是从太阳对行星的引力。他认为行星运动的自然趋向是沿直线运动，太阳的引力把行星偏离直线运动而在一个闭合的椭圆轨道上运行。离太阳越近运行越快，则引力必须相应增大，以平衡增大了的离心力，所以引力是距离的函数。到底是什么形式的函数？波雷利没有能找到。但是他的想法，对发现万有引力定律来说，无疑是提出了一条正确的道路。

伽利略的惯性原理后来发展到"直线匀速运动"的程度。在这原理指导下，人们用力学解释天体运动就必须回答下面两个问题：第一：行星的直线惯性运动变为弯曲的圆或椭圆运动的向心力满足什么规律；第二，提供行星沿闭合曲线轨道运动向心力的引力，是如何随相互吸引的两物体间的距离而变化的。英国皇家学会干事胡克(Robert Hooke,1635~1702)已经察觉到引力和地球上物体的重力有同样的本质。他企图用实验来证明这种力与距离的关系。1662和1666年在深井和高山上比较物体重力的变化，但没有得出结论。1674年他曾对引力作了三条假设，已经揣测到万有引力的规律。同时对引力进行研究的还有英国皇家学会成员雷恩(Christoper Wren,1632~1723)、哈雷等，他们都已经找到引力与距离反平方关系，但是无法证明在引力作用下行星如何沿椭圆轨道运动，无法证明对具有极大形状的天体，质量能不能看作是集中在球心上来处理。1679年底胡克曾写信给牛顿，问上述问题的结论。牛顿当时没有立即回答胡克的问题，而是进行了认真的计算，并得出正确的结论，直到1684年8月哈雷专程去剑桥向牛顿求教此问题时，牛顿立即回答了哈雷：行星在与距离平方成反比的引力作用下将沿椭圆轨道运动。哈雷问他结论怎么得出来的？牛顿告诉他是计算出来的，但计算记录找不到了。应哈雷的要求，牛顿于当年的11月把此问题的新的严格数学证明寄给了哈雷。在哈雷的资助下，牛顿把万有引力定律收集在《原理》中，于1687牢出版。

(2)牛顿的贡献

早在1665~1667年瘟疫流行期间，牛顿就考虑了引力问题，他利用自己发明的微分法来理解行星在椭圆轨道上的运动。当时他已认识到地球与月球是相互吸引的，并得到了向心力的规律和物体之间的引力与彼此距离平方成反比的关系。他是从开普勒行星运动第三定律推导出向心力规律的，进而导出引力的平方反比定律，并用以计算地球对月球的引力。从牛顿的手稿《朴次茅斯文集》中发现，在1666年牛顿就获得重力加速度的理论值与实验值"相当近似"(牛顿语)。这个发现与早期关于牛顿推迟二十年发表万有引力定律的原因的解释是矛盾的，早期的解释是说牛顿在计算中所采用的地球半径误差较大，以致于理论值与实验值不符而中断了对引力的深入研究。通过对牛顿手稿和通信的考察和分析知，牛顿推迟发表万有引力定律的原因是由于当时他未能确定球形物体对球外某点的吸引力如何计算；他所发现的万有引力定律能否经得起各种实验数据的检验，没有把握。虽然当物体彼此相距很远时，不必考虑球体的大小，但是为了慎重起见他还是没有发表。当1684年哈雷登门求教时，才把严格的数学证明过程寄给哈雷。这时牛顿已经掌握了用他发明的积分法，证明球状物体的引力可以看作质量全部集中于球心上的质点来处理。同时他证明了地球对月球的引力完全可以提供月球绕地球作圆周运动的的心力；太阳对行星的引力使行星按开普勒三定律所提出的规律运动。根据万有引力定律，牛顿提出地球由于自旋而呈椭球状的假设，实际观测证实了这点。牛顿的这一假设对其他天体也同样适用，对木星的观测也证实了这点。牛顿根据万有引力定律还正确地解释了潮汐的产生和地轴二分点的进动和岁差问题。

牛顿在万有引力问题上的具体贡献，归纳起来有三点：第一，运用积分法证明球体的引力场可以看作质量集中在球心上的质量来处理；第二，得到了正确的万有引力定律数学表达式；第三，把引力理论应用到一切吻体之间，使之具有普遍性，确定了天体之间的引力和地球上的引力的同一性。

《原理》是牛顿的代表作，也是力学的经典著作。它的出版标志着经典力学体系的建立。英国著名的科学史学家霍尔(A.Rupert Hall)曾对《原理》作了如下的评价："整个科学史上没有一部著作在创新或思维力量方面可以和《原理》相媲美，在取得的伟大成就方面也是如此。没有一部著作使自然科学的结构发生如此重大变化。"

《原理》第一篇首先对一系列奠定力学基础的定义和公理下了定义，如质量、动量、惯性；力和向心力等等。接看陈述了著名的运动三定律和矢量叠加原理。第一篇中还提出了严谨的天体力学理论，论述了向心力和运动轨道之间的数学关系。证明了在与距离平方成反比的作用下，物体将沿圆锥曲线运动；引力的中心在圆锥曲线的一个焦点上。此外还证明了球体的引力与质量集中在球心的质点相同。对三体问题作了近似的解答。

第二篇讨论在有阻力的介质中物体的运动。同时批驳了笛卡儿的漩涡理论。

第三篇介绍了许多研究成果，并运用前二篇中推导出来的运动规律去解释自然界的实际问题和现象。最后以《论宇宙体系》作为结束。

《原理》是科学发展的历史过程中的一个重要里程碑；它不仅奠定了天体力学的基础，而且使经典力学形成一个体系完整、结构严谨的普遍的理论体系，被称之为17世纪的物理、数学的百科全书。从对科学发展所产生的影响和意义来说，祇有达尔文(Charles Robert, Darwin,1809~1882)的《物种起源》可与之相比。

牛顿是近代自然科学奠基时期具有集前人之大成式贡献的伟大科学家。正如恩格斯对他所作的评价那样："他借助于万有引力而创立了科学的天文学，借助于对光的分解而创立了科学的光学，借助于二项式定理和无穷级数理论而创立了科学的数学，借助于力的本性的认识而创立了科学的力学。"

从伽利略到牛顿，在人类科学发展史上是一个极其重要的历史时期，这是一个产生科学巨人的时代，是实验自然科学诞生的时代，是近代自然科学大厦奠基的时代，它已经，并将继续对科学的发展产生深远的影响！

公历与星座

古希腊时代的人是如何测得地球周长?

亚历山大学派的厄拉托西尼 (Eratosthenes, 约 276– 195 BC., 哲学家、地理学家)，用很巧妙的方法估计出地球的大小。 他利用夏至日太阳位处西奈（Syene） 天顶时（也就是，阳光直射到井底的时候）， 他在其北边约 768 公里远的亚历山大城 (Alexandria) 量得夹角，再应用圆周率估出地球的周长。 除了测量地球的大小外，厄拉托西尼还测得黄道面和 赤道面的夹角为 23 度 22 分。

如何计算周长呢?

简单的方法就是利用日影的测量, 比如说在甲城市, 我们发现在正午的日光与地球的夹角刚好是90度, 也就是说是铅直入射地表, 而乙城市的日光与地球的夹角为83度, 这时候我们可以利用测量甲与乙之间的距离, 就可以知道地球表面 7度弧有多长, 进而算出地球的周长, 古代的人就这样利用骆驼(测量旅程)以及日影, 测量出精确度极高的地球周长!

古希腊时代的人如何知道地球是圆的?

著名希腊科学家毕达哥拉斯(Pythagoras, 约 580 – 500 BC. 发明著名的数学毕式定理者，被尊为数学和音乐之父)， 他凭借游学埃及、巴比伦的几何数学专长和音乐的和谐体验， 由月相的周期变化观察推断月亮是球状的（月球）， 进一步地推测大地和其它星体也是球状的，毕达哥拉斯主张以几何或数学的方式、 和和协的原则来了解所有的自然事物， 他在意大利率先提出了「和谐宇宙」 的概念和「球形大地（地球）」的见解。 地球是球形的，位于宇宙中央。

星座

为了方便区分星空，人们自古以来就把星空划分成大小不同的区域称为星座，它们的功能像是天上的行政区。国际天文学联合会将全球四季夜空，划分成八十八个大小不一的天区，分属于八十八个星座。属于同一星座的群星或天体，可能只是恰好在同一个天区，而它们彼此之间可能是毫无关系。

星座之中有一半是在古时候就已命名了，其命名的方式有依照古文明的神话与形状的附会（包含了美索不达米亚、巴比伦、埃及、希腊的神话与史诗）。另一半（大部是在南半球的夜空中）是近代才命名，经常用航海的仪器来命名。

例如：美索不达米亚：金牛座 (Taurus)，狮子座 (Leo)。

希腊的神话：猎户座 (Orion)，仙女座 (Andromeda)。

航海的仪器：六分仪 (Sextans)，罗盘座 (Pyxis)。

另外，为了方便把天文知识传承下去，古人也用世间熟悉的人、动物或事物，为星座附会上各种的形状和故事。例如猎户座(奥利安，图一)的起源有好几个故事版本，其中一个是这样说的，奥利安是一个英勇的猎人，他和希腊神话中的爱神阿特米丝谈恋爱，不过她的哥哥太阳神阿波罗反对。有一次奥利安在海中游泳时，阿波罗就故意和阿特米丝打赌说她无法射中远在海中的小斑点，其实这个斑点是游得很远的奥利安。于是阿特米丝就引弓误射了悠游在海中的奥利安，造成一场无法挽救的悲剧。伤心之余，她只有恳求天帝把奥利安升上天空，成为天上的群星之一。故事虽然凄凉美丽，不过完全只是人类一厢情愿的幻想而已。

当然神话归神话，星座对认识星空非常有用，当别人提到猎户座时，我们马上知到他指的那一区域的星空，所以星座一直沿用了数千年，直到现在还是我们用来描述星空的大好工具。

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