2 . 近代力學宇宙體系的確立

　　哥白尼《天體運行論》發表近150年之後，于1687年出版了牛頓具有歷史性的、闡述萬有引力理論的巨著——《自然哲學的數學原理》。

　　在這150年中奇跡相繼在歐洲天文學界發生。歐洲人急速地倒向哥白尼的地動學説，首先是丹麥天文學家第谷布拉赫所做的非常精密的天文觀測，在沒有望遠鏡的年代，全憑肉眼，達到了肉眼觀測的最高水平。第二個奇跡是德國天文學家開普勒根據第谷遺留的大批資料，于1609年提出了行星運動的第一、第二定律，10年後又提出了行星運動的第三定律，而這正是牛頓推導萬有引力定律的出發點。第三個奇跡是意大利物理學家伽利略于1609年發明天文望遠鏡，從而揭開了天文觀測的新紀元。牛頓將哥白尼、第谷、開普勒、伽利略和其他學者在天文學和動力學上的發現匯集起來，加上在數學和力學上的創見，概括成經典力學體系，運用他的運動定律和萬有引力定律解釋極其廣泛的自然現象，從天體運行、潮汐漲落到物體墜地，做出統一解釋，成為科學史上最偉大的成就之一。

　　希臘思想家很早就提出宇宙究竟有多大的問題。空間是不是向各方伸展沒有止境呢？是否被某種界限所包圍？那麼界限之外又是什麼呢？除了我們的宇宙還有別的宇宙嗎？我國古代很早也展開過討論。

　　首先提出宇宙不能只有一個中心，將太陽和其所屬的恒星從宇宙中心的優越位置推開的人是意大利的布魯諾，他把太陽看做是宇宙裏無數類似體系中的一個，因此遭到教會的迫害。布魯諾一接觸到哥白尼的《天體運行論》便摒棄宗教思想，只承認科學真理，併為之奮鬥終生，用他的筆和舌毫無畏懼地積極頌揚哥白尼學説，無情地抨擊宗教的陳腐教條。他在《論無限、宇宙及世界》中，提出了宇宙無限的思想，他認為宇宙是統一的、物質的、無限的和永恒的。在太陽系以後還有無數的天體世界。人類所看到的只是無限宇宙中極為渺小的一部分，地球只不過是無限宇宙中一粒小小的塵埃。布魯諾指出，千千萬萬顆恒星都是如同太陽那樣巨大而熾熱的星辰，這些星辰都以巨大的速度向四面八方疾馳不息，它們的周圍也有許多像我們地球這樣的行星，行星周圍又有許多衛星。生命不僅在我們的地球上有，也可能存在於那些人們看不到的遙遠的行星上……布魯諾勇敢的一擊，將束縛人們思想達幾千年之久的“球殼”擊得粉碎。布魯諾的卓越思想使與他同時代的人感到茫然，為只驚愕！一般人認為布魯諾的思想簡直是“駭人聽聞”，甚至連那個時代被尊為“天空立法者”的天文學家開普勒也無法接受，布魯諾在天主教會的眼裏是十惡不赦的敵人，把他囚禁，審訊和折磨竟達８年之久！但一切恐嚇和威脅利誘絲毫沒能動搖布魯諾相信真理的信念，1600年在羅馬白花廣場英勇就義。

　　由於布魯諾不遺餘力的大力宣傳，哥白尼學説傳遍了整個歐洲。天主教會深知這種科學對他們是莫大的威脅，於是在1616年決定將《天體運行論》列為禁書，不準宣傳哥白尼的學説。

　　最終使舊天文學基礎發生動搖、天文學得以抬頭，促使哥白尼理論確立的是丹麥天文學家第谷布拉赫。作為一位觀測者，第谷比哥白尼的貢獻更大，他雖然並不相信哥白尼的理論，可是他對於這一理論的最終勝利卻做出了重大貢獻。

　　1572年第谷發現了一個超新星，並認為它應該是恒星之類的星辰，把觀測結果寫成了《關於新星》的論文，使恒星一直被認為是永恒不變天體的觀點發生了動搖，對後世頗有影響。鋻於他的聲望和觀測才能，國王撥鉅款、第谷親自指導在海濱小島修建一座富麗堂皇的天文臺，精密的天文觀測是他的擅長，他創制了新的觀天儀器，對舊儀器也做了不少改進，他所做的觀測精度之高，是他的同時代人望塵莫及的，他編制了一部恒星表相當準確，至今仍然有使用價值。

　　第谷的另一成就是對彗星的觀測。當時被認可的觀點是彗星是一個來無影去無蹤的怪物，出沒和運行無規律，因此不可能是天體，只是大氣中的現象。第谷通過對1577年出現的大彗星的觀測，首次打破了傳統的觀點，他發現彗星的運行軌道遠在月球運行軌道之外，並且可以穿越行星天層而不會有任何阻礙。

　　第谷對天文學最值得稱道的貢獻是他對行星運動的長期觀測，積累了大量極為豐富的觀測資料，在臨終前夕毫無保留地交給了他的繼承人開普勒，從而成了開普勒推行行星運動定律的“原材料”和建造科學大廈的基石。

　　第谷遺留下來的數據資料中，火星的資料是最豐富的，而哥白尼的理論在火星軌道上的偏離最大，所以開普勒的第一項工作是重新觀測火星的數據運動。開始，開普勒用正圓編制火星的運行表，發現火星老是出軌。他便將正圓改為偏心圓。在進行了無數次的試驗後，卻跟第谷的數據不符，産生了8分的誤差。正是這個不容忽略的8分使開普勒走上了天文學改革的道路。他敏感的意識到火星的軌道並不是一個圓周。他想象太陽射出的力線像從車輪的中心部發出的，當太陽自轉的時候，這些力線就推動了行星。距離太陽遠的行星，受到的力就弱，因而運動也就緩慢。從而想到火星的軌道絕不是正圓，應當是橢圓，他進一步研究其他幾顆行星的運行軌道，發現也是橢圓，於是他歸納出行星運動的第一定律，即所有行星繞太陽運轉的軌道是橢圓的，其大小不一，太陽位於這些橢圓的一個焦點上。接著開普勒又推斷出第二定律：向量半徑（行星與太陽的連線）在相等的時間裏掃過的面積相等，由此得出了行星繞太陽運動是不等速的，離太陽近時速度快，離太陽遠時速度慢的結論。這一定律進一步推翻了唯心主義的宇宙和諧理論，指出了自然界的真正的客觀屬性。由前人的測量誤差“引起了天文學的全新革新”。但是開普勒並沒有停滯不前，他繼續探討行星的公轉週期與行星到太陽的距離之間的關係，經過長達16年的繁重、複雜計算和許多失敗後，終於發現了行星運動的第三定律，即行星公轉週期的平方與行星和太陽的平均距離的立方成正比。這一定律將太陽系變成了一個統一的物理體系。

　　哥白尼學説認為天體繞太陽運轉的軌道是圓形的，且是勻速運動的。開普勒第一和第二定律恰好糾正了哥白尼的上述觀點的錯誤，對哥白尼的日心説做出了巨大的發展，使“日心説”更接近於真理，開普勒還指出，行星與太陽之間存在著相互的作用力，其作用力的大小與二者之間的距離長短成反比。開普勒不僅為哥白尼日心説找到了數量關係，更找到了物理上的依存關係，使天文學假説更符合自然界本身。在科學與神權的鬥爭中，開普勒堅定地站在了科學的一邊，用艱苦的勞動和偉大的發現來挑戰傳統觀念，推動了唯物主義世界觀的發展，使人類科學向前跨進了一大步。

　　舊教力學原理認為運動需要一個持續的推動力，如果沒有一個永恒的力的作用，偌大一個地球怎麼會風馳電掣般運動呢？第一個起來推翻原有的力學理論的是伽利略，他指出單憑直覺的推理是靠不住的，而且常常會導致錯誤的結論。伽利略用實驗的方法，考察了運動的實質，澄清了哥白尼的理論，掃清了力學上的障礙。

　　伽利略在力學上的一項發現叫做慣性定律，他的這一發現，在天體運動問題上具有重大意義，人們終於明白，原來需要外力的不是運動本身，而是運動的改變。物體既然具有慣性，天體的運動自然就不神秘了，行星系一旦能夠運動，就無需外力來維持，就可以持續地永恒運動不息了。

　　掃清了力學上的障礙，伽利略又從另外兩方面大大推進了哥白尼學説的發展，其中之一就是創立了望遠鏡天文學。1609年伽利略用他初創的望遠鏡觀察月亮，打破了幾千年人們認為的月亮是皎潔無暇的觀念，發現了那上面竟有蒼蒼的大山和廣闊的平原，還有無數像火山口那樣的環形山，月球上的地形與地球結構幾乎毫無兩樣，這一發現使伽利略歡喜若狂。1610年伽利略測得木星和其周圍的衛星，他所看到的木星體系，就像是太陽系的一個縮影，他由此斷定，地球也必然是這樣帶著自己的衛星——月亮繞著太陽運行。後人們為紀念這一發現，將伽利略發現的4顆衛星，取名為伽利略衛星。同年他又把望遠鏡指向金星，驚奇地發現在地球上觀測金星，它與月亮一樣，也是有規律地發生位相變化。伽利略借助望遠鏡發現了許多新的天象，“哥倫布發現了新大陸，而伽利略發現了新宇宙”。 但是伽利略宇宙研究的觀點得不到教會的支持，他被判終身監禁，只得“不以任何方式、言語或著作，去支持、維護或宣傳地動的邪説”。但地球仍在轉動，他倒下的時候，已經將哥白尼的學説推到了最終勝利的階段。

　　蘋果落地現象使牛頓考慮到地心引力是否可以達到月球，使月球在軌道上運行，他重新研究開普勒的行星運動定律，得出引力隨距離變化的規律，並計算出地球施加到月球上的引力就是使月球在其軌道上運行的力量。太陽同樣也在行星上施加同樣性質的力，是行星在各自的軌道上運行，開普勒憑經驗認識到行星的運行軌道是橢圓的，牛頓根據他的引力定律，用數學的方法，推出了同樣的結果。經過多年的辛勤研究後，牛頓終於將蘋果落地的力、維持月球在其軌道上運動的力和一切天體相互吸引的力，都統統歸結為一種力，而且還證明這種力産生於物質所共有的一種性質，因而使宇宙中各質點間相互吸引，引力的大小與兩質點的質量和其之間的距離有一個確定的關係，這個關係叫做萬有引力，即萬物彼此之間相互吸引，引力的大小與物質的質量成正比，與它們之間的距離的平方成反比。

　　牛頓以後的天文學家沿著他所開創的道路，解釋了許多天體現象，並且形成了由數學去研究天體運動的專門學科——天體力學。

　　與牛頓同時代的偉大天文學家哈雷（1656~1742），根據引力定律，計算了1682年大彗星的軌道，後來這顆彗星被命名為哈雷彗星，他還預言1759年這顆大彗星將再次出現，後來真的如哈雷所預言而出現了，這為牛頓定律的真實性和天體力學方法的可靠性，提供了勿庸質疑的證據。後來在19世紀40年代英國天文學家亞當斯和法國天文學家勒威耶又計算出海王星的存在，至此可以説牛頓力學得到了確定無疑的證明。

　　從哥白尼到牛頓的150年，人類對於宇宙的認識徹底改變了，新的理論和觀測無不證明：地球不是宇宙的中心，太陽並不圍繞地球旋轉；天體不是勻速在圓形軌道上運行，而是在比較複雜的曲線軌道上運行；而且難以測定的彗星，實際上是遵循著一定的軌道在圍繞太陽運行，它們的再度出現可以按照天體力學的一般定律加以預測；太陽也不是一成不變的，其表面有變化著的黑點；星辰在天穹或隱或現，星的光亮有週期性變化。這眾多的天文學發現加上同期物理學領域的許多發現，人類認識自然的知識比兩千年前“希臘人的奇跡”大大豐富了，宇宙真正體系的發現無情地摧毀了地動説，占星術自16世紀以來就日落西山了，近代力學宇宙觀確立起來了。