第三章　西洋天文學史

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古文明之宇宙觀

古文明的天文觀測

古希臘天文學

近代天文學的起源

古文明之宇宙觀

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1. 埃及人認為星星是分佈在天神的身上，而此天神弓著身體伏在大地上。

2. 希伯來人(聖經)：上帝創造天地與萬物。

3. 中國人：磐古開天闢地。
   宇：四方上下─三度空間的無極。
   宙：古往今來─時間的無窮。
   天外有天。

古文明的天文觀測

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1. 英格蘭南方的石柱群(2800-2200 BC)：

   考古學家認為它是用以觀測太陽與月亮升起的位置與時間，尤其是Heelstone是標示著夏至太陽升起的位置。

2. 猶加敦半島（Yucatan）上的馬雅文明的廢墟〝Caracol〞(∼AD 1000)， 它的窗戶的設計可能是為了便於觀測金星和其他的星體。

3. 古代埃及人的觀測：

   • 2000∼3000 BC，每年天狼星偕同太陽東升以後不久尼羅河即發生泛濫。

   • 大金字塔的北面主要隧道正指向天龍α星﹙Thuban, 右樞星﹚，這顆星在金字塔修建的時代(3400 BC)，正是當時的極星。　

4. 北美阿那薩其神廟（∼AD1000），有近日點的標示。 薩克其萬的〝藥輪(medicine wheel)〞是（∼600 AD）美洲最古老的天文台，為的是觀測夏至太陽升起的情形。

5. 中國的觀測

   • 周朝（文王）時期（∼2000 BC）即建有靈台（天文台），有測日影的圭表。

   • 西漢在長安西地建靈台，其上有天文和氣象儀器。 東漢在洛陽的平昌門南建靈台，置有張衡所設計的渾象，侯風地動儀。

   • 唐代設立有仰觀台(天文台)及觀風台(氣象台)。

   • 宋、元、明、清都有天文台的設計。

古文明的觀測絕大部分是與季節、氣候、或曆法或天象的預警有關。而真正天文學 的發展可以說主要來自於希臘文明至（400 BC）以後，首先使用科學的方法， 來研究天體的現象與運動。

古希臘天文學─人類的思考方法從神祕的改變為理性

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1. 塞利斯(Thales, 640-560 BC)

   • 根據美索不達米亞人的天文觀念─

     四季的變化與季節的長短，太陽在星座間位置的變化週期日蝕，預測BC 585 年所發生的一次日蝕。

   • 他認為星與太陽並不是神而可能是一個火球。　

   • 其門人Anaximander (BC610-545）認為物質是由不滅的元素所組成的? 而且他試著畫出太陽、月球、行星與地球之間的距離。

   • 另一門人Heraclitus ( 535 - 575 BC?）認為宇宙並不是由神或人類創造的，但它是永恆的，而且他認為最理想的宇宙是無序的。

2. 畢達哥拉斯(Pythagoras, 540-510 BC)

   

   • 發明畢氏定理，為數學、音樂之父。

   • 是最早的實驗科學家之一。

   • 由月相圖（月的盈虧）推測月球是球狀的，進一步地推測地球與其他星體也是球狀的。 環繞著它的地球，太陽、月球、五大行星及恆星。

3. Anaxogoras (500﹖∼428BC）

   證實了月蝕的原因，而且由月面上地球的影子的觀測，幫助建立了地球是球形的理論。

4. 柏拉圖(Plato, 427∼347 BC)

   • 哲學家

   • 他認為哲學是來自於天文學的— 因為日夜，四季給我們時間的觀念與探索宇宙特性的動力， 從這些來源引導著我們建立哲學的概念。

   

5. 亞里士多德(Aristotle, 384-322 BC)

   • 主張由絕對的對稱，簡單與完美的抽象概念來瞭解所觀測的事物。

   • 亞里士多德的宇宙是球狀而且有限的，以地球為中心， 行星與其他星體是在一地球為中心的球殼上運行。 這些球殼可以不同的速度旋轉。

   • 亞里士多德可以說是傑出的實驗學家。他所觀測的結果如下： 由上弦月的觀測推測月球是介於大陽與地球之間。 由不同的緯度有不同的恆星在天頂上可推測地球是球形的。 由沒有明顯的恆星視差的觀測結果，推測地球相對於恆星的運動是很小的。

6. Aristarchus (310﹖-230﹖BC）

   • 從日蝕、月蝕中月球與地球的陰影的相對大小與角度， 可推測月球小於地球，太陽大於地球。

   • 再由月球的上弦月至下弦月之間的夾角， 可推測出太陽至地球的距離為月球與地球之間距離的10倍。

7. Eratosthenes (276﹖-192﹖BC）

   在夏至日當太陽經過西奈(Syene)的天頂，照著井底的時候， 他在亞歷山大城測量太陽距天頂的角度等於兩城的緯度差， 再測兩城的距離，則可測地球的周長。

8. 伊巴谷斯(Hipparchus, 160﹖-125﹖BC)

   • 從精確地觀測星體的位置並古星圖比較使他可以相當準確的預測任何一天太陽、 月亮的位置，並使他發現了歲差的現象。

   • 製定包含有1025顆星的星表（圖）。

9. 托勒密(Ptolemy, 140 AD)

   

   • 著有大綜合論(Megale Sysntaxis)，主張地心學說。

   • 用周轉圓理論 (本輪與均輪)來解釋行星逆行，認為宇宙間任何星體繞地球運行的軌道皆為完美的圓形，托勒密的學說與宇宙模型主宰西方天文學思維將近1500年。

10. 天文學（科學）的黑暗期（AD150∼1500）：

    托勒密之後，希臘文化完全墜入黑暗的境界。羅馬帝國崩潰，人們放棄了希臘的知識傳統，在基督教義的主宰，服從古人的權威，採取聖經中的宇宙觀， 天文學和一切科學的發展都受到阻礙，再加上宗教戰爭，阿拉伯人的侵入， 更毀壞了希臘文化在東方的幾個中心，很多無價的手稿都付諸一炬， 從此進入科學的黑暗時期。

近代天文學的起源

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1. 哥白尼(Nicolaus Copernicus, 1473), 波蘭人

   

   • 24歲開始他的第一次天文觀測

   • 以各種不同的方法分析行星的運動，很快地發現到，如果以太陽為中心， 將地球視為另一個繞著太陽的行星，則可以更簡單地分析與預測太陽系的行星運轉(日心學說)。

   • 1512年建立了哥白尼理論：

     太陽是在太陽系的中心，行星繞著太陽運行， 月球繞著地球運行，恆星是在無法測量的遠處。

   • 1543出版了他的學說—On Revolutions。　

2. 第谷•布拉赫(Tycho Brahe, 1546-1601)

   

   • 出色的觀測者

   • 出身於丹麥的貴族家庭，喜歡天文研究。

   • 1576以後在丹麥王腓特立二世的資助下，在哥本哈根附近的資助下， 在哥本哈根附近的赫芬島上修建一所大的天文台稱為觀天堡。 從1576∼1596的20年內，做了大量精確的觀測。

   • 不是一位高明的理論家；因為宗教的緣故，及觀測不到日視差， 他不願意採取哥白尼的理論，他主張一種半日心半地心的混合體糸， 去解釋他的觀測。（行星繞者太陽；太陽再率領行星繞著地球。）

   • 1599年離開觀天堡至布拉格，替迷信占星術的奧皇魯道夫二世觀測天文。

   • 1601年去逝，臨死之前將畢生觀測資料贈給刻卜勒。 （刻卜勒是在1600才到布拉格擔任他的助手）

3. 刻卜勒(Johanes Kepler, 1571-1630)

   

   • 主張哥白尼體糸

   • 1596年著"The Harmony of the Sphere"， 天球諧合論試圖承襲畢達哥拉斯的理論，以內接正多面種來探討各行星軌導間的幾何關係。　

   • 根據第谷•布拉赫的觀測資料，仔細地計算分析， 認為火星的軌道不能是圓形的，而必須是橢圓的才能與數據資料符合。

   • 建立刻卜勒三大定律：用以描述行星運動，而且可精確地預測行星的位置。

     刻卜勒三大定律：

     1. 行星運行的軌道為橢圓，而太陽位於橢圓焦點之一。(1609)

     2. 行星與太陽的連線，在相同的時間內掃過相同的面積。(1609)

        dA/dt = 常數。

     3. 軌道半長軸a 的三次方與週期p平方之比為常值。(1619)

        a³/p² = 常數。

4. 伽利略(Galileo Galilei, 1564-1642)

   

   • 為重要的實驗物理學家。

   • 在比薩斜塔研究自由落體實驗。

   • 觀測物體運動情形，提出靜著恆靜，動者恆動的觀念。影響牛頓建立了力學系統　

   • 1610年經由望遠鏡發現了木星的四顆主要衛星 為哥白尼體系的一個強而有力的證據。

   • 觀測到金星與水星的相位（盈虧）更支持日心理論(出版"三個哲學家的對話")。

   • 望遠鏡的觀測結果提供更多更精確的觀測資料來驗證刻卜勒的運動定律。

5. 牛頓(Isaac Newton, 1642-1727)

   

   • 偉大的物理學家

   • 23∼25歲之間，發明微積分，力學三大運動定律，萬有引力定律， 並研究光的性質，發明反射式望遠鏡.......

   • 牛頓的萬有引力定律：

     宇宙中任何質點都互相吸引，引力的大小與兩者質量的乘積成正比，但與距離平方成反比。

   • 牛頓運動定律：

     1. 物體所受的靜力為零時，動者恆動，靜者恆沿直線做等速運動。

     2. 每一作用在物體上的力，所產生的加速度其方向與與此力相同，但大小與物的質量成反比(F=ma)。

     3. 作用在物體上的每一個力，皆有其反作用。反作用力的大小與作用力相同，但方向相反。

6. 愛因斯坦(Einstein, 1879-1955)

   

   • 偉大的理論物理學家

   • 1905年，提出狹義相對論(Special Relativity)

   • 1915年，提出廣義相義論(general Relativity) —物質的存在影響時空的彎曲程度

   • 三大實驗的驗證

     (1)水星近日點的進動 43"/100yr

     (2)星光的偏折效應 1.75秒弧

     (3)重力紅位移效應

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最近更新日期：一九九七年十二月二十九日

蘇漢宗(htsu@mail.ncku.edu.tw) 　
許瑞榮(rrhsu@mail.ncku.edu.tw)
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台南市成功大學　物理系