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宇宙的奥秘(全4册)-电子书下载

人文社科 3个月前 (07-15) 167次浏览 已收录 0个评论 扫描二维码

简介

《莱布尼茨、牛顿与发明时间》《宇宙的奥秘:开普勒、伽利略与度量天空》 1609年,伽利略·伽利雷和约翰内斯·开普勒突破了当时已知世界的边界。他们一人在威尼斯透过望远镜观察星辰,另一人在布拉格发现了行星运动定律。托马斯·德·帕多瓦以至今较少受到关注却扣人心弦的通信往来为基础,首次讲述了两位如此不同的科学家之间不对等的关系,以及他们如何在同样的时刻以各自的方式探索星辰的奥秘。 《机械宇宙:艾萨克·牛顿、皇家学会与现代世界的诞生》 这是一本想了解科学史的人不能不读的难得佳作。我们可以通过作者通俗而不失生动的叙事,认识那个天才成群结队的时代,认识科学与现代世界的关联,认识人类世界的科学史。这是历史上首度透过科学社群的集体力量寻找描述宇宙的简洁的数学形式。作者认为,他们努力的成果,永远改变了人看待自己和自身地位的方式。本书结合历史和科学,描绘一幅引人入胜的科学家群像,他们所揭示的答案在今日仍旧是我们理解世界的关键。 《太空居民:人类将如何在无垠宇宙中定居》 阿波罗11号登月50多年后,为什么太空中人类的身影还如此之少?我们会到达火星吗?人类如何才能成为一个多星球物种,殖民太阳系并前往其他恒星? 本书将直面这些问题。对奇迹的渴望会带领我们走很远,但如果我们真的想在新世界定居,则需要工程师、科学家和企业家的筹划。万杰克向我们介绍了那些规划者,他们正在努力使太空生活成为现实。

部分摘录:
你可曾记得,上次仰望天空是什么时候?当时是万里无云,还是电闪雷鸣?是月光皎洁,还是星河璀璨?
亘古以来,无论海陆如何变迁,物种如何演进,日月出没、斗转星移这些天象似乎从未改变。在认知革命的过程中,智人面对博大和永恒的天空,抛出了一系列问题:天地为什么分开?太阳为什么发光?月亮为什么盈亏?星辰为什么如此排布?它们为什么运动不休?
为了解答这一切,智人发展出五花八门的神话传说。原始信仰要求敬畏上苍、崇拜日月,多神论视星辰为神祇,一神论认为天堂是造物主的居所。天不仅是存在的完美形式,也隐含着存在的终极目的。探究天空是最神圣的事业,假如它没有因为过于神圣而被禁止的话。
初看上去,天空的变化似乎很有规律。古人不但根据星辰的运动规定了时间单位和空间方位,而且掌握了用数学推算天象的方法。但在进一步观察和计算之后,人们发现天象并不简单:太阳日不等于恒星日,太阳年不等于恒星年,月相周期和它们不能约分……更奇怪的是,当绝大多数星辰——“恒星”几乎固定地绕着天极旋转,太阳、月亮和五颗“行星”却一直飘忽不定,特别是行星的亮度、速度甚至运动方向都会发生变化。
为了记录、解释和预测天上的事件,使令人困惑的现象自圆其说,星相学和天文学这对双胞胎应运而生。前者借助经验,重在定性描述,强调天与地的超自然关联;后者依靠数学,重在定量分析,试图发掘天象不规律背后的规律性,进而揭示天的真实结构以及天与地的自然关联。如果说,天文学犹如一场解谜游戏,天文学史就好比一部侦探小说。本书讲述的故事便是其中一个精彩的核心章节。
2
“天似穹庐,笼盖四野。”从日常经验来看,中国古代的宇宙观“天圆地方”似乎颇为形象,但它既不严谨,也没有形成体系。之后,历代哲学家和天文学家又提出了“宣夜说”、“盖天说”和“浑天说”。其中,宣夜说缺乏数学基础,无法加以发展;盖天说与浑天说进行了千余年的辩论,最终浑天说凭借较准确的预测占据了上风。
遗憾的是,无论是盖天说还是浑天说,都是比较朴素和粗糙的。中国古代天文学的任务不在于探究宇宙的结构,而在于为权力和礼教服务。因此,它留下了精巧的观象仪器和丰富的观测记录,却长期在基本问题上止步不前。直到利玛窦来华,天朝的学者仍无法想象大地是一个球体。
相比之下,古希腊人在汲取了巴比伦和古埃及的天文学知识之后,很早就知道地球是球体。公元前6世纪,米利都的阿那克西曼德认识到天球是一个完整的球面,并根据星辰在不同纬度时的高度变化确定地表是曲面。他将大地描绘成悬浮在空中的圆柱体。不久,毕达哥拉斯明确提出了球形大地,既因为球体被视为最完美的形体,又因为它符合月食的圆弧状影子。
柏拉图接受了毕达哥拉斯学派的观点,相信宇宙在几何学上是完美的,只能由球体和圆周运动组成。为了解释行星的不规则运动,他的弟子欧多克斯提出了一个由27个同心球嵌套而成的系统。他赋予恒星1个水晶球壳,太阳和月亮各3个,五颗行星各4个,它们围绕位居中心的地球运动。为了使这个模型更加符合实际的天象,他的学生卡里普斯又增补了7个球壳。
稍后,亚里士多德将前人的思想整合为一个宏大而自洽的体系。他将世界分为月上和月下,它们适用截然不同的规律。月上世界由第五元素(以太)组成,是完美而永恒的。简单运动只有两种——上下方向的直线运动(地球保持静止,土和水朝向地心即宇宙中心,火和气远离地心)和圆周运动,而圆周运动正是以太及由其构成的天体的本质属性。最后,他为了避免不同球壳相互影响,又增加了22个同心球壳,使之达到56个。
不过,在同心球模型中,太阳、月亮和行星到地球的距离是固定的,这与观测情况不符。公元前3世纪,阿波罗尼乌斯在坚持匀速圆周运动的基础上,提出了两个改进方案:一是偏心圆模型,即行星(包括太阳和月亮)的运动轨道不是以地球为圆心的同心圆,而是一组偏心圆;二是本轮-均轮模型,即行星在“本轮”上做匀速运动,而本轮的中心在以地球为圆心的“均轮”上做匀速运动。100年后,喜帕恰斯又对本轮-均轮模型做了修改,使之更好地解释行星的运动。
到了2世纪,托勒密经过数十年的观测和推算,在《至大论》中融合了上述两种模型,并提出了“偏心匀速点”,即地球相对于均轮的圆心的对称点,使得各个本轮的中心不是围绕均轮的圆心做匀速运动,而是围绕该点做角速度不变的运动。虽然托勒密继续坚持“地心说”或“地静说”,但他的模型从数学角度来看已经相当完善,其解释和预报天象的能力达到了古典时代的巅峰。在接下来的1000多年间,托勒密体系将盛行于拜占庭和阿拉伯,最后在中世纪晚期重返西欧。
3
在基督教看来,古典时代的思想家原本都是异端。不过,为了描述世界,教会也需要既符合生活经验又符合《圣经》教义的理论。13世纪,托马斯·阿奎纳改造了亚里士多德的学说,使以上帝为动因、以人类为中心的地心说成为经院哲学的标准宇宙模型。文艺复兴时期,毕达哥拉斯、柏拉图和托勒密重新获得关注,天文学家便纷纷采用了更加精确的托勒密体系。他们根据观测结果不断进行修正,在本轮上再添加小本轮,导致该体系的圆周数量逐渐增至80个,变得愈发臃肿和不便。
渐渐地,越来越多的学者对传统世界观感到不满,却不敢也无力撼动它的整个根基。就在此时,西欧出现了活字印刷术,又发生了地理大发现和宗教改革。视野的拓展和思想的激荡带来了新事物和新观点,开启了一个充满冲突和变化的时代。
1500年前后,正在意大利求学的尼古拉·哥白尼接触到了天文学。他受到毕达哥拉斯和柏拉图的影响,相信天体的运动是简单和完美的,但是托勒密体系显然不够简洁。他还发现,早已有人提出过不同于亚里士多德和托勒密的宇宙观,比如毕达哥拉斯学派认为宇宙绕着一团“中心火”转动,公元前3世纪的阿里斯塔克提出太阳是宇宙的中心。因此,当哥白尼在波兰弗龙堡担任教士期间,他思考如果以太阳为中心,是否就能更合理地描述宇宙的结构。1530年前后,他的新理论开始在学者之间流传,但碍于不符合教义而迟迟没有发表。直到1543年他去世前夕,《天球运行论》才得以问世。
《天球运行论》提出了被称为“日心说”或“地动说”的哥白尼体系。据此,太阳居于中央,水星、金星、地球(带着月球自转)、火星、木星和土星从内到外绕日转动,恒星位于最外侧。就认识论而言,“哥白尼的变革”——摆脱自我中心主义的视角当然是划时代的创举,但在天文学史上,“地动说”取代“地静说”并非如后人所想象的那般轻巧。哥白尼没有能力也没有意愿推翻旧秩序,他只是迈出了第一步。
从很多方面来看,哥白尼更像是托勒密的继承者,而非颠覆者。他既延续了亚里士多德物理学,坚持球体和匀速圆周运动,又沿用了托勒密的天文概念、数学方法和几何表述,包括本轮、均轮和偏心圆,唯独省去了偏心匀速点。尽管他的模型能更好地解释行星的逆行运动和亮度变化,却仍旧以34个彼此啮合的圆周为基础,其复杂程度和预报能力较托勒密体系并无优势。“哥白尼的思想飞跃是如此伟大,但他其余的观念和想象却仍然那么传统。”
由于观测不到恒星的周年视差,且无法解释地球运动可能带来的混乱,哥白尼体系尽管受到了学界的广泛关注,却只是被当作一种便于使用的数学假说,而不是宇宙真实情况的反映。取代托勒密体系的新理论首先来自丹麦天文学家第谷·布拉赫。
与哥白尼不同,第谷是职业天文学家。他发现过去的星表预报天象已经有很大误差,于是立志加以改进。1572年,仙后座爆发了一颗超新星,第谷的计算结果是它位于恒星天球,挑战了月上世界永恒不变的观点。1576年,丹麦国王克里斯蒂安四世把汶岛赐给第谷做研究,他便在岛上筑起了当时规模最大、设备最齐全的观象台——天堡,在那里一直观测至1597年。
经过20年的坚守,第谷将裸眼观测技术推向极致,积累了有史以来最精确、最完整的持续观测记录。依靠强大的数据支撑,他提出了非常符合观测结果的宇宙结构,即地球静止在宇宙中央,太阳和月亮围绕地球转动,其他行星围绕太阳转动。第谷体系是托勒密和哥白尼体系之间的折中方案,兼顾了两者的优势,也顺应了传统的神学和物理学观点。它取代了托勒密体系,成为主流学界和天主教会一度认可的宇宙模型。
可惜,第谷体系尽管是最完善的地心说模型,最终还是难免落伍的命运。但是,第谷的功绩不可磨灭,特别是他给后世留下了前无古人的观测数据库。同样重要的是,他选择了一位卓越的继承人——约翰内斯·开普勒。
4
1577年,当一颗彗星出现,第谷认为其位于月上世界,从而能够打破想象的水晶天球之时,开普勒年仅6岁。他出生在德意志南部的符腾堡公国,那里的经济生活不算太发达,还没有摆脱宗教改革带来的信仰冲突。开普勒的祖父和外祖父都是商人,在各自的城镇当过市长,但他的父亲不务正业,后来参加雇佣军而客死他乡,给他的家庭带来了不小的负担。
开普勒是早产儿,从小体弱多病,高度近视,幸亏他天资聪颖,被图宾根神学院录取,在那里树立了成为新教牧师的志向。没想到,就在毕业前夕,他被派往施泰尔马克公国的格拉茨担任数学教师。
在图宾根期间,开普勒开始对数学和天文学感兴趣,并在老师迈斯特林的引导下接受了哥白尼的观点。他在格拉茨继续坚持这项研究。之所以如此执着,主要是因为他受到毕达哥拉斯和柏拉图的影响,相信“上帝参照几何模型创造了世界,以及人的理性有能力认识这一模型”。他决心用一生寻找和证明宇宙神圣而完美的秩序。
开普勒发现,正多面体只有5种,它们的内切球和外接球的比例与6颗行星的轨道大致吻合。他于是认为,上帝就是按照几何学原理创造宇宙的,太阳则通过“灵”的作用把行星束缚在轨道上。据此,他在1596年发表了以哥白尼体系为基础的处女作《宇宙的奥秘》。
他把作品寄给专家同行,引起了已经成为神圣罗马帝国皇帝御用数学家的第谷的注意。后者邀请由于信仰原因被逐出格拉茨的开普勒来到布拉格,最终让他接过了御用数学家的衣钵。据说,第谷生前叮嘱开普勒必须按照第谷体系,而不得按照哥白尼体系构建新的行星理论。
1597年夏天,比开普勒年长8岁的帕多瓦大学教授伽利略·伽利雷也收到了《宇宙的奥秘》。伽利略回信致谢,他透露了自己赞成哥白尼的秘密立场,称开普勒是“探索真理的伙伴”。开普勒对觅得知音激动不已,提议共同支持哥白尼体系,甚至准备公开伽利略的来信。可是,他的热情似乎吓退了伽利略,两人的初次通信就这样戛然而止了。
伽利略生于比萨一个没落的城市贵族家庭,父亲文琴佐是琉特琴师和音乐理论家。作为文艺复兴的摇篮,此时的北意大利虽然受到新航路开辟带来的冲击,但依然是欧洲商业最发达、文化最繁荣的地区。伽利略年少时曾在修道院学习,差点做了教士,后来又想成为画家。家里则希望他成为一名医生,但他由于经济原因未能完成学业。不过,在父亲的影响下,伽利略不仅熟悉了贵族社会的生活方式,也掌握了实证主义的研究方法。他展现出数学和物理学方面的非凡天赋,19岁就发现了摆的等时性,又发明了流体静力学天平,在知识界崭露头角。

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