地心说到万有引力，为探索天体运行的奥秘，为何用了一千五百年？

　　1957年，前苏联发射了人类历史上第一颗人造地球卫星，拉开了太空时代的大幕，无数颗航天器升空的背后是成熟的科学体系在支撑，然而当我们回望过去，在一段长达数千年之久的岁月里，人类却一直认为太阳是绕着地球转，而地球则是万物的中心。
　　人类早期对宇宙的认识手段很单一，就是凭借肉眼进行观测，想要在满天繁星中找到宇宙奥秘，可实现这个目标并不容易，因为肉眼可见星星的数量大约有6000颗（这6000颗星星几乎都是遥远的恒星）。
　　在面对纷繁复杂的星群时，全球不同地区的文明都不约而同的选择了一种方法——用图案来区别这些星群。
　　比方说，在某块区域内有的一群星星，其中有几颗非常容易辨认（比如亮度），那么我们就将这几颗星连起来，得到一个划线图案，然后再根据图案的形状赋予一个名称，名称的来源可以是动物、神话人物、日常物品等等。
　　像我们现在所熟知的88星座，大部分都是从古希腊传统星座演化而来，但也有近代以来命名的星座，比如用物品命名的显微镜座等。当然了，我国古代也将天上的星群进行划分，其中最为核心的就是＂三垣二十八宿＂。其它地区的文明，也是类似的划分方式，这里就不多介绍了。
　　除此之外，在长期的观察中，人们发现星座中星星的相对位置几乎是不变的，也就是星座的图案是长期稳定的，于是就认为夜空中数不尽的星星都是固定在一个被称为天球的球体结构上，而我们所处的地球则是天球的中心，天球每时每刻都在以地球为中心而转动。
　　相比于固定在天球上的星座，我们的先祖实际上感兴趣的是天空中那些运动明显的＂星星＂们：水星、金星、火星、木星、土星这五大行星，再加上天上的太阳、月亮。满天繁星，为什么尤其对五大行星、太阳以及月亮感兴趣呢？
　　首先，这些星球有一个共同点，就是它们在天空中的运动比较显眼
　　太阳、月亮就不用提了，其中五大行星的运动轨迹似乎不太有章法，在长期的观察中，人们发现它们运动时而加速，时而减速，甚至有时候还会逆行，并且行星的亮度也在变化。
　　火星逆行
　　其次，这一点是关于太阳以及月亮的，相比于五大行星，太阳和月亮在天空中所占的视觉面积非常大
　　虽然它们的运动规律相比于五大行星规矩的多，但因为视觉面积大，因为呈现的细节则更为丰富，比如太阳东升西落时颜色的变化，月亮的月相变化，还有月食、日食什么的。
　　以上几点就是古人为何没有将行星、太阳、月亮与固定在天球的星星归为一类的原因，因此这些天体的运动以及变化就是古时候天文研究的一大重点。地心学说的发展
　　从先前提到的天球模型就知道，最早的宇宙模型应该是以地球为中心，再结合当时的哲学观点，任意天体都必须以正圆匀速绕地球公转。然而匀速圆周运动仅仅是人们的希望，因为现实情况却并不是这样，人们通过长期的地面观察，发现行星的运动速度和亮度都是变化着的。
　　面对这样的情况，人们的第一反应就是去修正这个模型，而不是从另一个角度去思考这个问题，不过人们最终还是想出了解决办法，将行星运动分为两个匀速圆周运动，什么意思呢？
　　也就是在原来的公转基础上（这个绕地球公转的轨道称之为均轮），行星还将按照均轮上的一点做匀速圆周运动，也就是大圆边上又加进了一个小圆，称之为本轮，见下图
　　这样的补救措施确实起到了作用，按照修正后的模型，行星在公转的同时，还会绕均轮上的一点进行运转（称之为本轮），因此从地球角度，行星的视觉速度就不再匀速，还会周期性的出现逆行现象，行星亮度变化也能借此解释，地球与行星相距较近时，就比较亮，反之就比较暗。
　　可见观测实际与理论预测是相符的比较好的，可是随着观测次数、时长的增加，一些不相符的现象又逐渐暴露出来，为此这个模型的修正工作一直在断断续续的进行着。
　　最终在公元140年，一位名叫托勒密的希腊天文学家，构建了一套复杂且精细的地心说模型。
　　这套模型上，以地球为中心，内外嵌套了80多个圆，而这么多的圆都是为五个行星、一个太阳、一个月亮所服务，虽然看着复杂，却也比较完美的解释了当时的观测现象。
　　然成也萧何败也萧何，80多个圆本身就注定了这是一个极为复杂的系统，相比于后来的日心说，复杂程度简直一个天一个地。
　　地球为中心，水星、太阳、火星日心学说的发展
　　有朋友就疑问了，既然后来出现的日心说模型那么简单，为什么没有人早点想到呢？
　　这样的人当然有了，大约在托勒密模型出现一两个世纪后，一位名为阿利斯塔拉斯的希腊天文学家，就提出了所有星球都绕太阳公转的观点，按照这个观点，很多天文观测现象都能被很容易的解释，完全不需要托勒密那一套地心模型。
　　然而事实证明，即便这样先进的观点早就被提出，但托勒密的地心说模型仍旧统治了人们的天文观点长达一千四百多年，直到16世纪哥白尼提出日心说才逐步衰落，可这又是为什么呢？
　　一些了解的朋友可能会知道这中间有宗教因素的影响，但除此之外，还有一个原因就是维护地心说的那帮人对日心观点提出了不少质问，下面就举两个例子：
　　①如果地球正在绕着太阳公转，那为什么我们没有感觉，甚至连风都没有感觉到？
　　这个问题在我们今天看来，可能有些可笑，此外关于宇宙空间是否存在物质这个问题，我们实际上也是最近一百多年才清楚的，毕竟在爱因斯坦的相对论之前，近代的科学家们都认为宇宙中充满了一种名为以太的物质
　　所以在一千多年前，没法令人信服的反驳这个问题也就变得无可厚非了。
　　②如果地球绕太阳公转，为什么没有观察到恒星视差？
　　可能有朋友不大懂什么是恒星视差，实际上换句话讲，就是说你既然认为地球公转，那么在一个公转周期中，地球所在的空间位置是不固定的，比如相隔半年的两处位置，在两处位置去观察同一个星座，为什么星座里面星星的相对位置没有发生变化呢？
　　也就是从不同观察角度去看同一事物，为什么没有丝毫变化呢？（我们有句古诗，叫做＂横看成岭侧成峰，远近高低各不同＂，一个意思）
　　当时的人们没法回答这个问题，实际上这个问题确实有难度，虽然我们现在知道背后的原因是因为那些星星距离地球太远，即便是最近的比邻星，其视差值也不过才0.77角秒左右，这单凭肉眼是绝不可能看出来差异的，事实上，我们在19世纪才测出了几个距离相对比较近的恒星视差。
　　由此看来，出于宗教压制和观点本身的不完善等因素影响下，阿利斯塔拉斯提出的日心观点没有广泛传播也是意料之中的事情了。哥白尼的出现
　　就这样，托勒密建立的地心说几乎是被完完整整的传承了一千四百多年，直到16世纪，一位名为尼古拉·哥白尼的波兰传教士的出现。
　　在经过长期研究之后，哥白尼提出了我们现在所熟知的日心说理论，有以下几个要点值得讲一下：
　　①明确指出地球不是宇宙的中心
　　②行星都在围绕太阳进行公转，但月亮是在绕地球转
　　③地球离星星的距离要远远超过地球离太阳的距离，因此夜空星座的移动，完全是因为地球自转造成的
　　④行星的逆行以及亮度变化，是因为包括地球在内的所有行星都在绕太阳公转所致，不同行星的公转速度及公转半径是不一样的，因此在视觉上就会产生逆行、亮度变化等怪异现象
　　⑤虽然日心说用太阳取代了地球原先的位置，但哥白尼并没有放弃圆轨道的想法，甚至还保留了本轮等一些概念，虽然本轮要远远比托勒密的小（我们现在看来，这也是必然，因为行星真正的轨道并不是圆）
　　日心说和地心说比较
　　哥白尼将他的发现写进了自己所著作的书——《天体运行论》，不过受限于当时的宗教环境，这本的出版变得异常小心，甚至直到哥白尼临死前两天才得到了该书出版的消息。
　　不过书籍的出版并不意味着日心说被广泛流传，实际上这本书所造成的影响很小，除了一些具有先进精神的科学家们，其余的普通群众根本不会关心这些东西。
　　而且值得注意的是，虽然哥白尼提出了日心说，但他并没有解决先前所提到了那两个关于地球公转和恒星视差的问题，由此可见，日心说取代地心说是一个缓慢的过程，如果从16世纪出版算起，到19世纪观测到恒星视差，这中间经历了将近三百年的时间。
　　日心说解释火星逆行伽利略的观测证据
　　而这三百年的时间里，出现了以伽利略、开普勒、牛顿为代表的重大贡献者，他们分别从观测和理论本质层面为日心说的发展，提供了强大动力。
　　先说伽利略，他是第一个用望远镜的观测结果来支持并证明日心说的科学家（值得一提的是，望远镜的诞生时间是17世纪，也就是说在此之前的天文学家基本上只能用肉眼去进行观测），下面就简单举两个观测例子：
　　①1610年，伽利略用自制的望远镜观测木星，发现了木星拥有四颗卫星，这些卫星都在绕木星公转
　　很显然，这个结果与托勒密的地心模型严重不符，这些应当绕地球公转的星体，怎么会成为木星的卫星呢？
　　②望远镜下的金星竟然也像月球一样，拥有＂阴晴圆缺＂，也有类似满月、残月等现象
　　关于这一点，咱们先从地心模型开始看起，在这个模型里，太阳、金星、地球的位置关系：地球为中心，金星轨道在太阳轨道以内
　　也就是说太阳光在射向地球时，会被金星遮挡，考虑到金星除了公转之外，还会按照本轮运转，那么在运行过程中，金星会有部分表面被地球看到，但遗憾的是，不论怎么转，金星都不可能露出完整的一个圆面
　　但伽利略通过望远镜却实实在在的看到了金星＂满月＂，这至少说明了一个事实，那就是金星在绕太阳公转，无疑，这对日心说是一个强有力的证据。
　　可惜的是，在当时那个宗教环境，伽利略的一系列言行最终招致了教会的不满，于是利用宗教法庭将其囚禁到死。
　　开普勒的行星运行定律
　　但令人欣慰的是，当时不止伽利略一个人在＂战斗＂，同时期还有一个人，也在通过大量的观测数据去支持日心说，他就是开普勒。
　　从1600年开始，开普勒利用他老师第谷几十年积累下来的精准肉眼观测数据，打算总结出一套在日心说的大基础上，适用于所有行星的运行规律。
　　耗费了将近二十年的时间，最终成功总结出三条行星运动定律，被称为＂开普勒三定律＂，这三条定律如下：
　　①行星轨道为椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上
　　②在太阳与任意行星之间连线，连线在相同时间内扫过的面积相同
　　③行星轨道周期的平方和轨道半长轴的立方成正比
　　这三条定律是建立在大量精准的观测数据之上，因此可信度极高，开普勒利用这三条定律阐述了这样一个事实：行星绕太阳公转，但公转轨道是椭圆而非正圆，并且公转速度并非匀速，而公转周期与半长轴存在定量关系
　　至此，我们可以说托勒密的地心说在理论上已经完全没有使用的必要了，因为日心说不但比其简洁，而且经过开普勒细致修正后，可以说以一种完美的形式呈现在世人面前。苹果树下的牛顿
　　然而开普勒的成果并不是人类对行星运动探索的尽头，就在开普勒去世的十二年后，1642年，一位小婴儿在英国林肯郡出生（那年伽利略恰好离世），他的名字叫做艾萨克·牛顿。
　　说到这，想必所有朋友对这个名字都不感到陌生，因为这位小婴儿日后将成为人类历史上最伟大的科学家，没错就是最伟大的科学家，没有之一。
　　实际上，这时候让我们回顾牛顿之前的科学史，不论是托勒密提出的地心说，还是哥白尼的日心说模型，以及日后伽利略、开普勒等人利用观测数据完善后的日心说。
　　我们发现，这段长达一千五百多年的科学探索过程中，并没有任何一个人触碰到了行星运行背后的原理，为什么行星要这样运行呢？
　　可以说在牛顿出生的年代，科学家在行星运动规律的探索上，已经进入了一个瓶颈期，就差临门一脚，而最后踏出这一步的正是艾萨克·牛顿。
　　1665年，受黑死病的影响，牛顿从剑桥回到了自己的故乡，在家的那两年，牛顿凭借其在数学上的成果——流数术（也就是后来所谓的微积分），和力学上的发现，最后再加上前辈科学家打下的基础，最终提出了万有引力定律，当然了，很多故事都说万有引力定律的导火索是一颗砸到牛顿脑袋上的苹果。
　　然而＂谦虚＂的牛顿并没有第一时间发表他的成果，而是藏了二十多年，最后还是在好友埃德蒙·哈雷的支持下，于1687年出版了科学巨著——《自然哲学的数学原理》，至此，万有引力定律才浮出水面。
　　万有引力定律告诉我们：宇宙中所有具备质量的物体，都会相互吸引，吸引力的大小与质量成正比，和距离的平方成反比。
　　隐藏在行星运行背后的原因终于被牛顿找到了，至此，不论在实际观测上，还是理论解释上，人类终于掌握了行星运行的奥秘所在。
　　纵观地心说到万有引力定律的发展过程，从地球为中心，到太阳取而代之，从公转轨道正圆，到椭圆轨道，直到后来集大成者的牛顿提出万有引力定律，补上了天体运行奥秘最核心的一块拼图，这十五个世纪，这一千五百个春秋，见证了人类试图解释并预测天体运动的艰辛历程。本篇内容结束,谢谢阅读!
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