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第10章 量天测地的科学家

—国内外著名天文学者

1.尼古拉·哥白尼

尼古拉·哥白尼(1473~1543年),现代天文学创始人,日心说的创立者。哥白尼上中学时,就对天文学很感兴趣,他曾跟着老师在教堂的塔顶上观察星空。他相信研究天文学只有两件法宝:数学和观测。他不辞劳苦,克服困难,每天坚持观测天象,30年如一日,终于取得了可靠的数据,提出了“日心说”,并在临终前出版了他的不朽名著《天体运行论》。

日心说,也称为地动说,是关于天体运动的和地心说相对立的学说。日心说认为,宇宙的中心是太阳而不是地球。哥白尼的日心说沉重地打击了教会的宇宙观,这是唯物主义和唯心主义斗争取得的伟大胜利。由此,天文学从宗教神学的束缚下解放出来,自然科学也获得了新生,这在近代科学的发展史上具有划时代的意义。

哥白尼是欧洲文艺复兴时期的一位巨人。他用毕生的精力去研究天文学,为后世留下了宝贵的遗产。由于时代的局限,哥白尼只是把宇宙的中心从地球移到了太阳,并没有放弃宇宙中心论和宇宙有限论。当德国的开普勒总结出行星运动三定律、英国的牛顿发现万有引力定律以后,哥白尼的太阳中心说才更加的稳固。后来的研究结果证明,宇宙空间是无限的,它没有边界,没有形状,因而也就没有中心。虽然哥白尼的观点并不完全正确,但是他的理论给人类的宇宙观带来了巨大的变革。

恩格斯在《自然辩证法》一书中对哥白尼的《天体运行论》给予了高度的评价。他说:“自然科学借以宣布其独立并且好像是重演路德焚烧教谕的革命行动,便是哥白尼那本不朽著作的出版,他用这本书(虽然是胆怯地,而且可说是只在临终时)来向自然事物方面的教会权威挑战,从此自然科学便开始从神学中解放出来。”

2.乔尔丹诺布鲁诺

科学的殉道士—乔尔丹诺·布鲁诺(1548年~1600年)出生于意大利那不勒斯附近的诺拉镇。他幼年丧失父母,家境贫寒,靠神父收养长大。这个穷孩子自幼好学,15岁那年当了多米尼修道院的修道士。凭着顽强自学的精神,布鲁诺终于成为当时知识渊博的学者。

这位勤奋好学、大胆而勇敢的青年人,一接触到哥白尼的《天体运行论》,他火一般的热情立刻被激起。从此,他便摒弃宗教思想,只承认科学真理,并为之奋斗终生。

布鲁诺信奉哥白尼学说,所以成了宗教的叛逆,被指控为异教徒并革除了他的教籍。布鲁诺的专业不是天文学也不是数学,但他却以超人的预见大大丰富和发展了哥白尼学说。他在《论无限、宇宙及世界》这本书当中,提出了宇宙无限的思想,他认为宇宙是统一的、物质的、无限的和永恒的。在太阳系以后还有无以数计的天体世界。人类所看到的只是无限宇宙中极为渺小的一部分,地球只不过是无限宇宙中一粒小小的尘埃。

布鲁诺进而指出,千千万万颗恒星都是如同太阳那样巨大而炽热的星辰,这些星辰都以巨大的速度向四面八方疾驰不息。它们的周围也有许多像我们地球这样的行星,行星周围又有许多卫星。生命不仅在我们的地球上有,也可能存在于那些人们看不到的遥远的行星上。

由于布鲁诺不遗余力地大力宣传,哥白尼学说传遍了整个欧洲。天主教会深知这种科学对他们来说是莫大的威胁。于是在公元1619年,由罗马天主教会决定将《天体运行论》列为禁书,不准宣传哥白尼的学说。

布鲁诺不畏火刑,坚定不屈地同教会、神学作斗争,为科学的发展做出了贡献。他的科学精神永存。1889年,人们在布鲁诺殉难的鲜花广场上竖起他的铜像,永远纪念这位为科学献身的勇士。布鲁诺后被人们称为“继哥白尼之后的天文学家”。不仅如此,布鲁诺越发受人尊敬,教会也为昔日的行为感到可悲。

4.斯蒂芬·霍金

斯蒂芬·霍金,1942年1月8日在英国牛津出生。他曾先后毕业于牛津大学和剑桥大学三一学院,并获剑桥大学哲学博士学位。他是英国剑桥大学应用数学及理论物理学系教授,当代最重要的广义相对论和宇宙论家,是本世纪享有国际盛誉的伟人之一,被称为在世的最伟大的科学家,还被称为“宇宙之王”。20世纪70年代,霍金与彭罗斯一道证明了著名的奇性定理,为此他们共同获得了1988年的沃尔夫物理奖。他因此被誉为继爱因斯坦之后世界上最著名的科学思想家和最杰出的理论物理学家。他还证明了黑洞的面积定理,即随着时间的增加黑洞的面积不减。这很自然使人将黑洞的面积和热力学的熵联系在一起。1973年,他考虑黑洞附近的量子效应,发现黑洞会像黑体一样发出辐射,其辐射的温度和黑洞质量成反比,这样黑洞就会因为辐射而慢慢变小,而温度却越变越高,它以最后一刻的爆炸而告终。黑洞辐射的发现具有极其基本的意义,它将引力、量子力学和统计力学统一在一起。

1974年以后,他的研究转向量子引力论。虽然人们还没有得到一个成功的理论,但它的一些特征已被发现。例如,空间——时间在普郎克尺度(10~33厘米)下不是平坦的,而是处于一种泡沫的状态。在量子引力中不存在纯态,因果性受到破坏,因此使不可知性从经典统计物理、量子统计物理提高到了量子引力的第三个层次。

1980年以后,霍金的兴趣转向了量子宇宙论。

2004年7月,霍金修正自己原来的“黑洞悖论”观点,认为信息应该守恒。

霍金认为他一生的贡献是在经典物理学的框架里,证明了黑洞大爆炸奇点的不可避免性,且黑洞越变越大;但在量子物理的框架里,他指出黑洞因辐射而越变越小,大爆炸的奇点不但被量子效应所抹平,而且整个宇宙正是起始于此。

理论物理学的细节在未来的20年中还会有变化,但就观念而言,现在已经相当完备了。

霍金还证明了黑洞的面积定理。霍金的生平是非常富有传奇性的,在科学成就上,他是有史以来最杰出的科学家之一。他担任的职务是剑桥大学有史以来最为崇高的教授职务,那是牛顿和狄拉克担任过的卢卡逊数学教授。他拥有几个荣誉学位,是英国皇家学会会员。

3.伽利略·伽利雷

伽利略·伽利雷(1564~1642年),是意大利文艺复兴后期伟大的天文学家、力学家、哲学家、物理学家、数学家。17岁进入比萨大学攻读医学,后来转攻数学,毕业后任大学教授。他是为维护真理而进行不屈不挠抗争的战士。恩格斯称他是“不管有何障碍,都能不顾一切而打破旧说,创立新说的巨人之一”。伽利略,1564年2月15日生于比萨,1642年1月8日卒于比萨。为了纪念伽利略的功绩,后人把木卫一、木卫二、木卫三和木卫四称为伽利略卫星。1983年,罗马教廷正式承认350年前宗教裁判所对伽利略的审判是错误的。1992年秋天,教宗若望保禄二世恢复了伽利略的名誉。

伽利略发明的望远镜,是天文学研究中具有划时代意义的一次革命。几千年来,天文学家单靠肉眼观察日月星辰的时代结束了,取而代之的是光学望远镜。有了这种有力的武器,近代天文学的大门被打开了。

伽利略是利用望远镜观测天体取得大量成果的第一位科学家。这些成果包括:发现月球表面凹凸不平,木星有四个卫星(现称伽利略卫星),太阳黑子和太阳的自转,金星、木星的盈亏现象,以及银河由无数恒星组成等。他用实验证实了哥白尼的“地动说”,彻底否定了统治千余年的亚里士多德和托勒密的“天动说”。

伽利略是第一个把实验引进力学的科学家。他利用实验和数学相结合的方法,确定了一些重要的力学定律。

伽利略对运动的基本概念,包括重心、速度、加速度等都作了详尽研究,并给出了严格的数学表达式。尤其是加速度概念的提出,在力学史上是一个里程碑。有了加速度的概念,力学中的动力学部分,才能建立在科学基础之上,而在伽利略之前,只有静力学部分有定量的描述。

伽利略曾非正式地提出过惯性定律(见牛顿运动定律)和外力作用下物体的运动规律,这为牛顿正式提出运动第一、第二定律奠定了基础。在经典力学的创立上,伽利略可说是牛顿的先驱。

伽利略还提出过合力定律,抛射体运动规律,并确立了伽利略相对性原理。

伽利略,是意大利伟大的物理学家和天文学家,科学革命的先驱。历史上,他首先在科学实验的基础上,融会贯通了数学、物理学和天文学三门知识,扩大、加深并改变了人类对物质运动和宇宙的认识。为了证实和传播哥白尼的日心说,伽利略献出了毕生精力。由此,他晚年受到教会迫害并被终身监禁。他以系统的实验和观察,推翻了以亚里士多德为代表的、纯属思辨的传统的自然观,开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学。因此,他被称为“近代科学之父”。他的工作,为牛顿的理论体系的建立奠定了坚实的基础。

5.郭守敬

郭守敬(1231~1316年),字若思,顺德邢台(今河北邢台)人,汉族。生于元太宗三年,卒于元仁宗延祐二年。他是中国元朝的大天文学家、数学家、水利专家和仪器制造家。

郭守敬幼年继承祖父郭荣家学,攻研天文、算学、水利。至元十三年(公元1276年)元世祖忽必烈攻下南宋首都临安(今杭州),在统一前夕,命令制订新历法,由张文谦等主持,成立新的治历机构太史局。太史局由王恂负责,郭守敬辅助。在学术上,则王恂主推算,郭守敬主制仪和观测。

至元十五年,太史局改称太史院。王恂任太史令,郭守敬为同知太史院事,建立天文台。当时,有杨恭懿等来参与共事。经过四年努力,终于在至元十七年,编出新历,经忽必烈定名为《授时历》。

《授时历》,是中国古代一部很精良的历法。王恂、郭守敬等人,曾研究分析汉代以来的四十多家历法,吸取各历之长,力主制历应“明历之理”(王恂)和“历之本在于测验,而测验之器莫先仪表”(郭守敬),采取理论与实践相结合的科学态度,取得许多重要成就。

郭守敬为修历而设计和监制的新仪器有:简仪、高表、候极仪、浑天象、玲珑仪、仰仪、立运仪、证理仪、景符、窥几、日月食仪以及星晷定时仪12种(史书记载称13种,有的研究者认为末一种或为星晷与定时仪两种)。

在大都(今北京),郭守敬通过三年半约二百次的晷影测量,定出至元十四年到十七年的冬至时刻。他又结合历史上的可靠资料,加以归算,得出一回归年的长度为365.2425日。这个值同现今世界上通用的公历值一样。

晚年,郭守敬致力于河工水利,兼任都水监。至元二十八年到三十年,他提出并完成了自大都到通州的运河(即白浮渠和通惠河)工程。至元三十一年,郭守敬升任昭文馆大学士兼知太史院事。他主持河工工程期间,制成一些精良的计时器。

6.一行

一行(673~727年),中国唐代著名的天文学家和佛学家,本名张遂,河北巨鹿人。生于唐高宗咸亨四年,卒于唐玄宗开元十五年。

张遂的曾祖,是唐太宗李世民的功臣张公谨。张氏家族,在武则天时代已经衰微。张遂自幼刻苦学习历象和阴阳五行之学,青年时代以学识渊博闻名于长安。为避开武则天的拉拢,张遂剃度为僧,取名一行。他先后在嵩山、天台山学习佛教经典和天文数学。一行翻译过多种印度佛经,后成为佛教一派—密宗的领袖。

中宗神龙元年(公元705年)武则天退位后,李唐王朝多次召他回京,均被拒绝。直到开元五年(公元717年),唐玄宗李隆基派专人去接,他才回到长安。

开元九年(公元721年),由于李淳风的《麟德历》几次预报日食不准,玄宗皇帝命一行主持编修新历。一行一生中最主要的成就是编制《大衍历》,他在制造天文仪器、观测天象和主持天文大地测量方面,也颇多贡献。

制造仪器和观测。一行主张,在实测的基础上,编订历法。为此,首先需要有测量天体位置的仪器。他于开元九年(公元721年)率府兵曹参军梁令瓒设计黄道游仪,并制成木模。一行决定用铜铁铸造,于开元十一年(公元723年)完成。这架仪器的黄道不是固定的,可以在赤道上移位,以符合岁差现象(当时认为岁差是黄道沿赤道西退,实则相反)。

后来,一行和梁令瓒等又设计制造水运浑象。这个以水力推动而运转的浑象,附有报时装置,可以自动报时,称为水运浑天或开元水运浑天俯视图。一行等以新制的黄道游仪,观测日月五星的运动,测量一些恒星的赤道坐标和对黄道的相对位置,发现这些恒星的位置,同汉代所测结果有很大变动。

从开元十二年(公元724年)起,一行主持大规模的全国天文大地测量,其中以南宫说等人在河南所作的一组观测成就最大。他们在今河南省四个地方,测量了当地的北极高度,夏至日影长度,又测量了四地间的距离。经一行归算,得出了北极高度差一度,南北两地相距351里80步(唐代尺度)的结论。这实际上就是求出了地球子午线一度之长。

从开元十三年(公元725年)起,一行开始编写历法。经过两年时间,写成草稿,定名为《大衍历》。《大衍历》后经张说和历官陈玄景等人,整理成书。从开元十七年起,根据《大衍历》编算成的每年的历书颁行全国。经过检验,《大衍历》比唐代已有的其他历法都更精密。开元二十一年传入日本,行用近百年。

7.张衡

张衡(78~139年),字平子,南阳西鄂(今河南南阳市石桥镇)人,汉族。他是我国东汉时期伟大的天文学家,为我国天文学的发展做出了不可磨灭的贡献。在数学、地理、绘画和文学等方面,张衡也表现出了非凡的才能和广博的学识。

张衡是东汉中期浑天说的代表人物之一。他指出,月球本身并不发光,月光其实是日光的反射。他还正确地解释了月食的成因,并且认识到,宇宙的无限性和行星运动的快慢,与距离地球远近的关系。

张衡观测记录了2500颗恒星,创制了世界上第一架能比较准确地表演天象的漏水转浑天仪,第一架测试地震的仪器—候风地动仪,还制造出了指南车、自动记里鼓车、飞行数里的木鸟等等。

张衡共著有科学、哲学和文学著作32篇,其中天文著作有《灵宪》和《灵宪图》等。《灵宪》是张衡有关天文学的一篇代表作,全面体现了张衡在天文学上的成就和发展。

20世纪中国著名文学家、历史学家郭沫若,对张衡的评价是:“如此全面发展之人物,在世界史中亦所罕见,万祀千龄,令人景仰。”

张衡的另一个有杰出贡献的科学领域,是地震学。他的代表作,就是震烁古今的候风地动仪的发明。

张衡,是一位具有多方面才能的科学家。他的成就涉及天文学、地震学、机械技术、数学乃至文学艺术等许多领域。

为了纪念张衡的功绩,1977年,联合国天文组织,曾将太阳系中的1802号小行星,命名为“张衡星”。人们还将月球背面的一环形山,命名为“张衡环形山”,另外还有一颗为纪念中国古代伟大科学家张衡及其诞生地河南南阳的“南阳星”。国际小行星中心,曾将我国天文学家于1965年12月20日发现的一颗小行星,命名为“河南星”。

8.祖冲之

祖冲之(429~500年),我国杰出的数学家、科学家。南北朝时期人,汉族,字文远。生于宋文帝元嘉六年,卒于齐昏侯永元二年。祖籍范阳郡遒县(今河北涞水县)。先世迁入江南,祖父掌管土木建筑,父亲学识渊博。祖冲之从小接受家传的科学知识。青年时进入华林学省,从事学术活动。一生先后担任过南徐州(今镇江市)从事史、公府参军、娄县(今昆山县东北)令、谒者仆射、长水校尉等官职。其主要贡献在数学、天文历法和机械三方面。

在数学方面,祖冲之写了《缀术》一书,被收入著名的《算经十书》中,作为唐代国子监算学课本,可惜后来失传了。祖冲之还和儿子祖暅一起,圆满地利用“牟合方盖”解决了球体积的计算问题,得到正确的球体积公式。

《隋书·律历志》留下一小段关于圆周率(π)的记载。祖冲之计算出π的真值在3.1415926(朒数)和3.1415927(盈数)之间,相当于精确到小数第7位,成为当时世界上最先进的成就。这一纪录直到15世纪,才由阿拉伯数学家卡西打破。

祖冲之还给出π的两个分数形式:22/7(约率)和355/113(密率),其中密率精确到小数第7位,在西方直到16世纪,才由荷兰数学家奥托重新发现。

在天文历法方面,祖冲之创制了《大明历》。最早将岁差引进历法;采用了391年加144个闰月的新闰周;首次精密测出,交点月日数(27.21223),回归年日数(365.2428)等数据,还发明了用圭表测量冬至前后若干天的正午太阳影长,以定冬至时刻的方法。

在机械学方面,祖冲之设计制造过水碓磨、铜制机件传动的指南车、千里船、定时器等等。他不仅是一位杰出的数学家和天文学家,而且还是一位杰出的机械专家。

此外,他在音律、文学、考据方面也有造诣。他精通音律,擅长下棋,著作有《释论语》、《释孝经》、《易义》、《老子义》、《庄子义》及小说《述异记》等,可惜这些作品早已遗失。祖冲之是历史上少有的博学多才的人物。

为纪念这位伟大的古代科学家,人们将月球背面的一座环形山命名为“祖冲之环形山”,将小行星1888命名为“祖冲之小行星”。

9.沈括

沈括(1031年~1095年),字存中,北宋杭州钱塘县(今浙江杭州)人,汉族。北宋科学家、政治家。一岁时南迁至福建的武夷山、建阳一代,后隐居于福建的尤溪一带。仁宗嘉祐八年(公元1063年)考取进士,神宗时参与王安石变法运动。熙宁五年(公元1072年)担任提举司天监,次年赴两浙考察水利、差役。熙宁八年(公元1075年)出使辽国,驳斥辽的争地要求。次年任翰林学士,权三司使,整顿陕西盐政。后任延州知州(今陕西延安),加强对西夏的防御力度。元丰五年(1082年)因为宋军于永乐城之战中,为西夏所败,连累被贬。晚年以平生见闻,在镇江梦溪园,撰写了笔记体巨著《梦溪笔谈》。

沈括的科学成就表现在多方面。他精研天文,所提倡的新历法与今天的阳历相似。在物理学方面,他记录了指南针原理及多种制作法,发现地磁偏角的存在,比欧洲早了四百多年。他曾阐述凹面镜成像的原理,还对共振等规律加以研究。在数学方面,他创立“隙积术”(二阶等差级数的求和法)、“会圆术”(已知圆的直径和弓形的高,求弓形的弦和弧长的方法)。在地质学方面,他对冲积平原的形成、水的侵蚀作用等都有研究,并首先提出石油的命名。医学方面,对于有效的药方多有记录,并有多部医学著作。此外,他对当时科学发展和生产技术的情况,如活字印刷术、金属冶炼的方法等都有详细的记录。

沈括自幼对天文、地理等知识有着浓厚的兴趣,勤学好问,刻苦钻研。少年时代,他随在泉州做官的父亲在福建泉州居住多年,当时的一些见闻,均收入《梦溪笔谈》。在天文学方面,沈括也取得了很大成就。他曾经制造过我国古代观测天文的主要仪器—浑天仪,表示太阳影子的景表等。为了测得北极星准确位置,他连续三个月每天用浑天仪观测北极星位置,把初夜、中夜、后夜所见到的北极星方位分别画于图上,经过精心研究,最后得出北极星与北极距三度。这一科学根据,在《梦溪笔谈》中有详细的记载。

10.徐光启

徐光启(1562~1633年),字子先,号玄扈,谥文定。明松江人,汉族。万历三十二年(1604年)中进士。他通晓天文、历算。万历三十一年入天主教,经常与意大利人利玛窦研讨学问。万历四十年,担任历书纂修官,与传教士熊三拔共同研制天、地盘等观象仪。万历四十一年,他遭到一些朝臣的讦难,于是称病离职,在天津进行农业耕作。万历四十七年,他得知明军在萨尔浒战役中败给后金的消息,上疏请求练兵,后来擢升为河南道御史,在通州督练新军。但由于军饷、器械供应困难,练兵计划并不顺利。天启元年(1621年)三月,由于难以实现自己的抱负,徐光启上疏回天津养病。同年六月,辽阳失陷,他又奉召返京,力请使用红夷大炮帮助守城,但因与兵部尚书意见不合,十二月再次辞归。崇祯元年(公元1628年),徐光启奉召回京,官复原职。崇祯三年起,疏陈垦田、水利、救荒、盐法等拯时急务,被擢升为礼部尚书,奉旨与传教士龙华民、邓玉函、罗雅各等修正历法。

他一生著作丰富,著作《徐氏庖言》、《诗经六帖》,编著《农政全书》、《崇祯历书》,译著《几何原本》、《泰西水法》等。

徐光启在天文学上的成就,主要是主持历法的修订和《崇祯历书》的编译。在历书中,他引进了圆形地球的概念,明晰地介绍了地球经度和纬度的概念。他为中国天文界引进了星等的概念,根据第谷星表和中国传统星表,提供了第一个全天性星图,成为清代星表的基础。在计算方法上,徐光启引进了球面和平面三角学的准确公式,并首先作了视差、蒙气差和时差的订正。

徐光启在数学方面的最大贡献,当推《几何原本》的翻译。《几何原本》由公理、公设出发,给出一整套定理体系的叙述方法,这和中国古代数学著作的叙述方法相去甚远。徐光启作为首先接触到这一严密逻辑体系的人,却能对此提出较明确的认识。徐光启也是把“几何”一词作为数学的专业名词来使用的第一人。