地球公轉(zhuǎn)的證據(jù)

理發(fā)師悖論 2018-12-15

展開全文

二、地球公轉(zhuǎn)的證據(jù)

　　地球的公轉(zhuǎn)較之自轉(zhuǎn)現(xiàn)象具有更加抽象的特征。自從哥白尼日心體系建立起以后，人們就試圖從各種角度來證明地球的公轉(zhuǎn)。例如，人們找到了地球公轉(zhuǎn)的物理證據(jù)，天文觀測證據(jù)，它們是地球與行星共同繞日公轉(zhuǎn)的必然結(jié)果，因而也是地球公轉(zhuǎn)的有力證據(jù)。

　　1.地心體系和日心體系

　　人類對于地球公轉(zhuǎn)的正確認識是與太陽系的發(fā)現(xiàn)密切相關(guān)的。太陽系的發(fā)現(xiàn)是人類正確認識宇宙過程中的一次飛躍，使我們對于周圍附近的宇宙空間的結(jié)構(gòu)和運動有了正確的了解，對于地球上一些天文現(xiàn)象有了正確的理解，更重要的是人們認識到地球的繞日公轉(zhuǎn)。

　　日月星辰東升西落，周而復始地運行著。古人看到這種現(xiàn)象，便認為地球是宇宙的中心，太陽、月球和所有其它的星體都繞地球轉(zhuǎn)動。我國古代的蓋天說和渾天說都是建立在地球中心說的基礎(chǔ)之上的。蓋天說認為地是靜止不動的，天是罩在地上的蓋子，地為圓拱形，天地可以相接；渾天說認為天是圓的，像個雞蛋殼，地是圓球形的，好像蛋黃，天大地小，日月星辰附在天殼上，隨天周日旋轉(zhuǎn)。據(jù)此東漢的張衡制做了一個“渾天儀”，在一個圓球上刻上星體，使其繞軸轉(zhuǎn)動，可以演示天體的升降，預告天體的出沒。張衡曾在《渾天儀注》中說：渾圓的天地像個雞蛋。天大而地小，天之包地，猶如蛋殼包裹著蛋黃。天殼里有水，地浮在上面。天就像車輪圍繞著車軸一樣，周而復始，不停地旋轉(zhuǎn)。

　　古希臘學者亞里士多德是地球中心說的積極倡導者，他認為的運行天體是物質(zhì)的實體，地是球形的，是宇宙的中心。

　　古代也有過地球運動的看法。成書于西漢末年的《春秋緯·無命苞》有：天左旋，地右動的相對運動觀點。并且在《春秋緯·運斗樞》中進一步指出：地動則見于天象。在《尚書緯·考靈曜》一書中，有：地體雖靜，而終日旋轉(zhuǎn)，如人坐舟中，舟自行動，人不能知。這是明確的地球日轉(zhuǎn)的概念。又說：一年之中，地有四游，冬至地上北而西三萬里，夏至地上南而東復三萬里，春秋二分其中矣。這是比較模糊的地球公轉(zhuǎn)的概念。

　　公元前3世紀，古希臘哲學家阿利斯塔克不同意亞里士多德的地球是宇宙中心的觀點。他認為地球每日繞自己的軸自轉(zhuǎn)一周，每年沿圓周軌道繞日一周，太陽和恒星是不動的，行星和地球一樣以太陽為中心，沿圓周軌道運動。他在《論日月大小和距離》一文中，應(yīng)用幾何學的方法，首次測量和計算了太陽、月球和地球的直徑比例和相對距離。他已認識到太陽比地球大得多。他的太陽中心說走在了時代的前面。遺憾的是這些論斷未被重視。在古代，中外均盛行地心說。

　　公元2世紀古希臘天文學家托勒密總結(jié)了前人關(guān)于行星運動的觀測結(jié)果和前人關(guān)于行星運動規(guī)律的看法，提出一個完整的地心宇宙體系，簡稱地心體系。

　　托勒密地心說認為：大地是球形的，地球是宇宙的中心；太陽和月球和圓形軌道上繞地球轉(zhuǎn)動，月球軌道最靠近地球，其次是水星、金星軌道，太陽軌道是第四層，火星、木星和土星軌道依次是第五、六、七層，所有的恒星都在第八層軌道上；行星在所謂“本論”上旋轉(zhuǎn)，本輪的中心又在所謂“均輪”上繞地球旋轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)的軌道都是正圓，軌道大小各不相同，運轉(zhuǎn)速度也不一樣。至此，一個旋轉(zhuǎn)的多層天球體系便建立了起來，它是人類正確認識太陽系的先聲，是日心說的基礎(chǔ)（如圖3－25）。

　　由于托勒密地心體系不僅能夠說明行星的運動為什么有進有退，有快有慢，而且能夠用來推算行星的位置，符合當時航海的需要，特別是后來被宗教所利用。所以，它長期以來被封建宗教統(tǒng)治者所支持和宣傳。一直到中世紀，它是最有影響的宇宙學說。

　　1543年，波蘭天文學家哥白尼發(fā)表了一部光輝著作——《天體運行論》，在這部具有歷史意義的著作里，哥白尼提出了一個新的宇宙體系——太陽中心說，簡稱為日心體系。

　　哥白尼日心說認為：地球不是宇宙的中心，太陽才是宇宙的中心；所有的行星都是沿圓形軌道繞著太陽旋轉(zhuǎn)，而不是繞地球旋轉(zhuǎn)；地球只是一顆普通的行星，和其它行星一樣一起繞太陽公轉(zhuǎn)；日月星辰的東升西落是地球自轉(zhuǎn)的反映，地球每天自轉(zhuǎn)一周，天穹實際上是不動的；月球是地球的衛(wèi)星，每月繞地球一周，同時也跟著地球繞太陽公轉(zhuǎn)；恒星離地球比太陽遠得多（如圖3－26）。

　　雖然，哥白尼日心體系也有不少不足，如他認為太陽是宇宙的中心，行星運動的軌道都是完美的正圓等。但是，哥白尼日心體系一開始就顯出了它的優(yōu)越性。它的威力不僅在于它的充分有力的證據(jù)、體系的協(xié)調(diào)性和完美性，而且在于，按照這個體系計算出來的行星位置，比繁瑣的地心體系的本輪方法算出來的要精確得多。（到了中世紀，用托勒密地心體系來計算行星的位置，需要在本輪上再加八十多重小本輪，才能與實際觀測到的行星位置勉強符合。這種計算是相當繁瑣的）。同時，還可以說明四季的成因等過去不能理解的許多天文現(xiàn)象。

　　哥白尼日心體系是人類認識史上一次偉大的革命，之后，意大利物理學家、天文學家伽利略首次利用望遠鏡觀測到了木星的衛(wèi)星，為日心體系提供了新的論據(jù)。德國天文學家開普勒用丹麥天文學家第谷和他自己的觀測結(jié)果，進行了大量的分析和計算總結(jié)出行星運動的三條重要定律，更準確地描述了日心體系。17世紀末，牛頓總結(jié)出萬有引力定律，回答了行星為什么要這樣運動的問題，為天體力學奠定了堅實的基礎(chǔ)。1848年根據(jù)理論推算，發(fā)現(xiàn)了海王星，天體力學的這一成就，成了日心說取得勝利的重要標志。

　　哥白尼之后，天文學大踏步地發(fā)展，才有今天人們對于太陽系以及對宇宙的正確認識，人們才真正地認識了地球的公轉(zhuǎn)，也找到了許多證據(jù)證明這種運動。

　　2.四季星空變化和黃道十二宮

　　天體的周日視運動是地球自轉(zhuǎn)的最直觀的證明。同理，太陽和其它恒星以一年為周期，在天球上的位置變化，是地球公轉(zhuǎn)運動的證明。而太陽和其他恒星在天球上的位置周年變化的直觀表現(xiàn)，就是四季星空的變化。因此，四季星空的形象變化就是地球公轉(zhuǎn)的直觀證據(jù)。

　　地球每年自西向東繞太陽公轉(zhuǎn)一周，在理論上講，作為地球上的觀測者，應(yīng)該可以感受到太陽的每日自西向東的移動情況，如果不是因為地球大氣散射太陽光的話，我們連續(xù)觀測幾天，將能看到太陽在恒星背景上每天都有自西向東的移動，即太陽在恒星之間的向東移動。這種移動的速度是與地球繞日公轉(zhuǎn)的速度相同的，并且與地球公轉(zhuǎn)速度的改變相一致?？上б鄣奶柟饷⒀谏w了群星，我們白天無法直接看到天空中的眾多星座，很難直接觀測到太陽在天球上的移動，感覺不到太陽的周年視運動現(xiàn)象。自然界給人們的直接感覺是太陽及其它天體繞地球旋轉(zhuǎn)，當人們明確地認識到了地球在自轉(zhuǎn)之后，很容易理解天體的周日視運動，而對于太陽在天球上緩慢的周年運動感受得卻不深刻。

　　長期的天文觀測實踐過程，人們找到了一種間接的觀測方法，來說明地球的公轉(zhuǎn)。那就是，每天日落以后的某一時刻，觀測西方天空的星座，發(fā)現(xiàn)原來能看見的星座不見了，而原來在東方的星座在漸漸地西移。長期觀測可以看到，一年中的四季，每個夜晚的星空形象總是不相同的。實際上，日落以后所見到的西方天空的星座，在太陽的東方，每天日落以后星座的西移，表明太陽在星座之間每日向東移動，它的光芒掩蓋了原來我們能看見的星座。所以，四季星空的變化是太陽周年視運動的結(jié)果，太陽周年視運動則是地球公轉(zhuǎn)的反映，表明地球在繞太陽自西向東地旋轉(zhuǎn)。

　　四季星空形象的變化是連續(xù)的和周期性的，每個晚上所見的星座向西移動的量與地球公轉(zhuǎn)運動量是相同的，即每日59′8″。每個晚上一定時刻所見的星空形象，一年過后，在相同的日子里又重復出現(xiàn)。這表明，太陽在星座之間每年運行了一周，也就是說地球繞太陽公轉(zhuǎn)了一圈。

　　我國古代勞動人民早已注意到太陽的周年視運動，他們發(fā)現(xiàn)每個晚上一定時刻所見的星座，大約每隔一個月改變一次，即太陽每隔一個月，在天球上穿過一個令人注目的星座，一年剛好穿過12個星座。這12個星座分布在黃道南北兩側(cè)各8°寬的帶內(nèi)。于是，人們從春分點開始，將黃道帶分為十二等份，每一份所占的范圍叫做一宮，共計有十二宮，稱為黃道十二宮。每宮的名稱是根據(jù)其所在星座的名稱而命名的，以不同的符號表示，如圖3－27。

　　由于地軸的進動，春分點每年都有西移現(xiàn)象?，F(xiàn)代，十二宮已同相應(yīng)的星座分離，但是，其名稱仍不變。公元初年，春分點曾在白羊座內(nèi)，當時的白羊?qū)m與白羊座位置是相同的。目前，春分點已經(jīng)移到了雙魚座，但是它的標記仍沿用白羊?qū)m的符號，也就是說，現(xiàn)在的白羊?qū)m不在白羊座，而在雙魚座。同理，其它各宮也都與名稱相同的星座不同程度地錯開了。

表3－1 黃道十二宮

　　黃道十二宮的等分點，分別稱為某宮第一點。例如，白羊?qū)m和雙魚宮的分界點，叫做白羊?qū)m第一點，其黃經(jīng)是0°，它就是春分點。巨蟹宮與雙子宮的分界點，叫做巨蟹宮第一點，其黃經(jīng)是90°，它就是夏至點。天秤宮與室女宮的分界點，叫做天秤宮第一點，其黃經(jīng)是180°，它就是秋分點。摩羯宮與人馬宮的分界點，叫做摩羯宮第一點，其黃經(jīng)是270°，它就是冬至點。各宮第一點用不同的符號表示，兩相鄰的宮的第一點之間相距30°，各宮第一點的黃經(jīng)是不同的。

　　茲將黃道十二宮的宮名、所在的星座和各宮第一點表示符號，及各宮第一點黃經(jīng)，列如表3－1。

　　由圖3－27可見，地球公轉(zhuǎn)處于A、B、C、D，在天球上，相應(yīng)的太陽視位置分別在a、b、c、d，即由于地球公轉(zhuǎn)，視太陽在恒星之間的位置是不斷變化的，但是在白晝我們看不到太陽在恒星之間的位置變化，在夜晚卻可以看見與太陽相反方向星空的變化。例如，在春分日，地球在A，可以看到c附近的星空，半夜里所看到的正南方星座是室女座，天秤宮位于此星座。在夏至日，地球在B，可以看到d附近的星空，半夜里所看到的正南方星座是人馬座，摩羯宮位于此星座。在秋分日，地球在C，可以看到a附近星空，半夜里所看到的正南方星座是雙魚座，白羊?qū)m位于此星座。在冬至日，地球在D，可以看到b附近的星空，半夜里所看到的正南方星座是雙子座，巨蟹宮在此星座。每年都是這樣循環(huán)返復。這就是由于地球公轉(zhuǎn)所造成的星空隨季節(jié)交替的過程。

　　由上述分析可見，四季星空的變化是太陽周年視運動造成的，而太陽周年視運動則是地球繞日公轉(zhuǎn)的反映。因此，和天體的周日視運動是地球自轉(zhuǎn)的直觀證據(jù)一樣，四季星空的變化是地球公轉(zhuǎn)的直觀證據(jù)。

　　3.恒星的周年視差位移

　　我們知道，在不同的地點觀測同一目標，這個目標就會有不同的方向，即在它的背景上有不同的位置；反之，如果我們連續(xù)觀測同一個恒定的目標，發(fā)現(xiàn)它在背景上發(fā)生了移動，則我們可以認為觀測者的位置是變化的，或者說觀測者隨著某個物體在運動。這就是說，恒定目標在背景上的移動，真實地反映了觀測者位置變化情況。這種現(xiàn)象叫做視差位移。

　　人類在地球上觀察恒星，而地球在軌道上的位置又因季節(jié)而不同。因此，恒星在天球的背景上，也應(yīng)有視差位移。地球的公轉(zhuǎn)以一年為周期，所以恒星視差位移也以一年為周期，這稱為恒星的周年視差位移（如圖3－28）。

　　設(shè)想在地球上觀測黃極附近的恒星，在一年內(nèi)，地球沿著軌道1、2、3、4走一周，對地球上的觀測者來說，恒星在一年的時間內(nèi)，在天球上畫出圓1、2、3、4，這就是恒星的周年視差位移。對于不同的恒星，圓的半徑也不同，恒星愈遠，半徑愈小。不在黃極上的恒星，在一年內(nèi)畫出一個橢圓，叫做恒星周年視差橢圓。而在黃道上的恒星，恒星的周年視差橢圓變成了直線。事實上，位于黃極的恒星的圓和位于黃道上的恒星的直線，分別是恒星的周年視差橢圓的特例。

　　某一特定恒星的周年視差位移量的大小，是有季節(jié)變化的，當日地連線同地球與恒星連線相垂直時，位移量最大，這個最大值叫做恒星的周年視差，即當日、地、星三者構(gòu)成以地心為直角三角形的頂點時，日地連線對于有關(guān)恒星所張開的角度。換句話說，恒星的周年視差就是，當日、地、星構(gòu)成一個直角三角形時，地球軌道半徑對于某恒星所張開的角度（如圖3－29）。

　　自哥白尼日心說提出之后,人們就開始尋找上面的現(xiàn)象，欲從對于恒星周年視差的觀測，為日心體系的確立提供觀測依據(jù)。但是，多數(shù)恒星都太遙遠了，在觀測技術(shù)落后的時代，很難觀測到這個角度。直到19世紀，觀測技術(shù)發(fā)展成熟了，1838年德國天文學家白塞爾首次成功地測得了恒星周年視差。但是至今多數(shù)恒星的周年視差也無法測到，只有少數(shù)較近的恒星可以測得出來。這個角度非常小，例如，離太陽最近的恒星——比鄰星，它的周年視差只有0″.76，織女星周年視差只有0″.12，天狼星為0″.37。

　　恒星的周年視差的測定為日心體系提供了觀測依據(jù)，從而證實了地球的公轉(zhuǎn)現(xiàn)象。同時，在已知日地距離的基礎(chǔ)上，利用恒星的周年視差可以計算出恒星的距離。如前所述，這也是得到恒星距離的一種方法。

　　4.恒星的光行差

　　地球在軌道上的運動，使得地球和周圍天體發(fā)生相對運動。地球自西向東公轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)速率約為每秒30千米，這使來自于恒星的星光具有相對的運動，運動的速率和地球公轉(zhuǎn)速率相同，即約每秒30千米，而方向卻相反，即平行于黃道面的自東向西的運動。這樣，在地球上看起來，來自這顆恒星的光線，既以每秒30千米的速率做平行于黃道面的運動，又以每秒30萬千米的速率投向地球。所以，我們看到的恒星的視方向，是兩種運動方向的合成。視方向同真方向之間，存在著一個差角，叫做恒星的光行差位移（如圖3－30）。

　　它使得恒星在天球上的視位置（方向）總是偏離于恒星的真實位置（方向）。偏離的方向，就是地球公轉(zhuǎn)的方向，這個方向又因為地球公轉(zhuǎn)方向的變化而有季節(jié)變化。

　　恒星因為光行差位移，每年在天球上畫出一個橢圓，叫做光行差橢圓。光行差橢圓的形狀，因恒星的黃緯不同而不同。愈近于黃極（黃緯的絕對值增大方向），愈接近于圓形，相反則愈接近于一條直線（如圖3－31）。

　　恒星光行差橢圓的半長軸，叫做恒星的光行差常數(shù)。其值大小決定于地球公轉(zhuǎn)速度和光速的相對大小，而與恒星的距離無關(guān)。如地球公轉(zhuǎn)速度為V，光速為c，則光行差常數(shù)的正切值為：V/c。據(jù)此計算，恒星的光行差常數(shù)為20″.496。因此，位于黃極的恒星，光行差軌跡是以20”.496為半徑的圓，位于黃道的恒星，光行差軌跡是一條長為20″.496×2的直線，位于其它天空中的恒星，其光行差軌跡則是以20″.496為半長軸的橢圓。

　　5.行星的會合運動和逆行

　　地球上的觀測者觀測行星，行星存在著兩種運動，一種是相對于太陽的運動，即行星與太陽在天球上的角距離的周期性變化；另一種是行星相對于恒星的運動，即行星在星座之間的穿行。我們把前一種運動，即行星相對于太陽的周期性運動，稱為行星的會合運動。

　　從地球上來看，行星與太陽的方向夾角在天球上的投影，叫做行星距角。當行星與太陽在同一方向時，距角為0°，稱為合；當行星與太陽在相反方向時，距角為180°，稱為沖；當行星與太陽方向相垂直時，距角為90°，稱為方照（如圖3－32）。

　　地內(nèi)行星軌道在地球軌道以內(nèi)，不會出現(xiàn)沖和方照現(xiàn)象。它們在天球上位于太陽以東時，就是昏星（例如，金星此時稱為長庚星）。在北半球中緯地區(qū)，日落以后在西南天空可見。當它們距角最大時，稱為東大距。例如，水星東大距的距角為28°；金星東大距的距角為48°。當?shù)貎?nèi)行星處于東大距時，日落以后在西南天空可見的時間最長。當然由于水星和金星在大距時的距角不同，因此可見時間的長短也不一樣。地內(nèi)行星在天球上位于太陽以西時，就是晨星，（例如金星此時稱為啟明星）。在北半球中緯地區(qū)，日出以前在東南天空可見。當它們的距角最大時，稱為西大距。水星和金星的西大距的距角亦分別為28°和48°。當?shù)貎?nèi)行星處于西大距時，日出以前在東南天空可見的時間最長。

　　地內(nèi)行星在一次會合運動中，有兩次合，而沒有沖。當太陽在地球和地內(nèi)行星之間時，叫做上合；當太陽位于地球和地內(nèi)行星之外時，叫做下合。地內(nèi)行星在上合時，與地球的距離最遠，在下合時，與地球距離最近。

　　地外行星軌道在地球軌道以外，距角可以從0°變化到180°。當?shù)赝庑行翘幱诤系奈恢脮r，它距離地球最遠；處于沖的位置時，與地球距離最近，此時整夜可見；方照是根據(jù)太陽的照射方向而定義的，西方照時的地外行星，是中午東升，當日半夜西沒；反之，東方照時的地外行星，則是子夜時東升，次日中午西沒。

　　行星的會合運動，正是眾行星繞太陽公轉(zhuǎn)的結(jié)果。因此也是地球繞日公轉(zhuǎn)的證據(jù)。

　　行星在地心天球上，相對于恒星的運動，即在星座之間的穿行，一般是向東的，即與行星本身的繞日公轉(zhuǎn)方向相同，稱為順行；反之，有時行星運動的方向相反，即是向西的，與行星本身的繞日公轉(zhuǎn)方向相反，稱為逆行；行星從順行轉(zhuǎn)而為逆行，或從逆行轉(zhuǎn)而為順行的瞬間，稱為留。發(fā)生留的時候，行星在天球上相對于恒星是靜止的。行星在天球上的運動表現(xiàn)為：順行—留—逆行—留—順行的依次出現(xiàn)和反復出現(xiàn)，其中，順行時間總是長于逆行時間，留的時間則很短暫。

　　行星的逆行現(xiàn)象是地球和眾行星共同繞日公轉(zhuǎn)的必然結(jié)果，是由各行星的公轉(zhuǎn)速度不同而造成的。

　　根據(jù)開普勒行星運動定律，行星運動速度與軌道半徑有關(guān)，軌道半徑愈小，公轉(zhuǎn)速度愈大。所以，地內(nèi)行星的公轉(zhuǎn)角速度和線速度，都比地球的大，地外行星則相反，公轉(zhuǎn)角速度和線速度都比地球的小。