Chow Chi Yan 6B(4) Kwok Fong Ting 6B(8) Liu Ka Chun 6B(17)

1. Foundation of Gravitation Chow Chi Yan 6B(4) Kwok Fong Ting 6B(8) Liu Ka Chun 6B(17)

2. 「地心說」的推動者 • 在古代歐洲，人們大都認為太陽，月亮和其他行星都是環繞地球轉動的。自古代起，一直認為「地心說」是天文的一環的有三人: • 亞里是多德(Aristoteles) • 托勒密(Claudius Ptolemaeus) • 第谷．布拉赫（Tycho Brahe)

3. 「日心說」的推動者 • 以地球為宇宙中心的「地心體系」思維在歐洲獨霸達約十三個世紀之久 ，而結束這個謬誤的學者，首推哥伯尼。他是第一個「地心說」的挑戰者，其後: • 哥白尼(Copernicus ) • 伽利略(Galileo ) • 開普勒(Johannes Kepler ) • 牛頓(Issac Newton )

4. 托勒密(Claudius Ptolemaeus) • 1.地球位於宇宙中心靜止不動； • 2.每個行星和月球都在本輪上等速轉動，本輪的中心則沿著均輪運動，只有太陽直接在均輪上繞地球轉動，地球不在各均輪的圓心上，而是偏離一段距離。

5. 3.水星和金星在本輪中心位於地球和太陽的連線上，這一連線一年繞地球一周，火星、木星、土星到它們各自的本輪中心的直線總會和日地線平行，這三顆行星每年繞其本輪中心一周； • 4.恆星都位於「恆星天」之上； • 5.日、月、行星除了上述運動外，還與恆星天一起，每天繞地球自東向西轉一周。

6. 第谷．布拉赫（Tycho Brahe) 第谷透過對「新星」的研究。第谷對這顆新星作了長期觀測,並沒有觀測到視差,證明它的距離遙遠,應位於恆星天球上 。 在宇宙模型方面,第谷因為沒有測量到周年視差,而不能接受哥白尼系統,但托勒密系統所計算出來的結果,跟他測量到的數據,又差別太大。因此,他在1582年指出一個折衷的方案,行星繞太陽轉,而太陽卻繞著地球轉,地球還是靜止不動。

7. 第谷對引力發展的貢獻 • 他對天文學最大的貢獻是關於行星位置精準的觀測,留下來大量的數據,成為研究行星運動的寶貴資料 。 • 第谷對天文學的貢獻主要是在觀測方面,他所用的儀器是當時最精良的,曾測量七百多顆星的位置,誤差不到四弧分,所製成的星表,直到今天仍有使用價值。另外, 他更是勤於觀測,在汶島的二十年間,幾乎每天都測量太陽、月亮和各行星的位置,其中火星的資料尤其豐富。這大量珍貴的資料後來被開普勒所利用,終於推導出行星運動的規律。

8. 哥白尼(Copernicus ) • 哥白尼從學生時期就認為太陽為宇宙的中心,靜止不動的觀點。在日心地動的模型中,所有行星包括地球,都繞著太陽運行,很多行星運行的現象,都因此得到簡單又自然的解釋。例如行星逆行的現象,不再需要一大堆本論,只要瞭解到地球和其他行星繞太陽公轉時,相對位置的改變。連天體在一天和一年的變化,以及歲差等現象,都可以用地球的自轉、公轉和自轉軸的進動等運動來瞭解。

9. 哥伯尼解釋「日心說」時，認為地球上有時會看到行星「繞圈子」和快慢不均的現象時，指出這是由於地球和其他行星都在繞太過轉動的結果。例如從地球上看火星的運行軌跡，由於地球和火星宿在繞太陽運動，地球每公轉一周是365日，而火星是687日，兩者的速度不同，所以從地球看起來，火星在天上運行的軌跡就不大規則了。哥伯尼根據這點，便否定了托勒密的「地心說」，發展其偉大的「日心說」。哥伯尼解釋「日心說」時，認為地球上有時會看到行星「繞圈子」和快慢不均的現象時，指出這是由於地球和其他行星都在繞太過轉動的結果。例如從地球上看火星的運行軌跡，由於地球和火星宿在繞太陽運動，地球每公轉一周是365日，而火星是687日，兩者的速度不同，所以從地球看起來，火星在天上運行的軌跡就不大規則了。哥伯尼根據這點，便否定了托勒密的「地心說」，發展其偉大的「日心說」。

10. 哥白尼提出的「日心體系」要點： • 1.地球不是宇宙的中心，而只是月球軌道的中心。 • 2.宇宙的中心在太陽附近，包括地球在內的行星都環繞著太陽轉動。 • 3.日地距離和眾星所在的天穹層高度相比是微不足道。

11. 4.每天看到的天穹周期性地轉動，是由於地球繞其自轉軸每天旋轉一周所造成的。（地球自轉效應） • 5.每年看到的太陽在天球的周期性地運動，並不是太陽本身在動，而是地球繞著太陽公轉所造成的。（地球公轉效應） • 6.目視到的行星順行和逆行的現象，是地球和行星共同繞著太陽運動的結果。 • 他分析了托勒密體系中的行星運動，發現每個行星都有一日一周、一年一周、歲差等三種共同的周期運動。

12. 伽利略(Galileo ) • 1609年,他用望遠鏡觀測天空以後,他公開支持哥白尼的日心論。伽利略發現是木星的衛星,當他用望遠鏡看木星,有四個光點伴隨木星移動,他立刻意識到這是木星的衛星。這一發現震動了整個歐洲,它是地心論的一大反證,因為它證明地球並不是所有天體運行的中心。同時,木星可以帶著衛星繞太陽公轉的話,地球也可以帶著月亮繞太陽公轉。

13. 伽利略(Galileo )的貢獻 • 伽利略所提出的那些觀念仍然可以不加任何修正地有效。在引力理論的發展中，牛頓給出的萬有引力具體表達式已經不再嚴格正確了。但是伽利略在比薩斜塔上發現的真理卻成了廣義相對論的最基本出發點。

14. 開普勒(Johannes Kepler ) • 第谷的資料中,火星的數據特別豐富,不管開普勒用什麼圓形軌道,誤差都有八分之多,比第谷觀察的誤差要大得多。在絕望之餘,開普勒終於領悟到圓形軌道是一種迷信,於是他開始嘗試不同的幾何曲線,終於發現橢圓軌道與火星的位置完全一致。這樣,他便總結出行星運動的第一定律:「行星在橢圓上運動,太陽位於其中一個焦點上」。

15. 接著,開普勒開始研究行星速度變化的問題。他發現行星的速度與離開太陽的距離的變化有關,最後他找出行星運動的第二定律:「行星與太陽的連線,在相等的時間內劃過相等的面積」。接著,開普勒開始研究行星速度變化的問題。他發現行星的速度與離開太陽的距離的變化有關,最後他找出行星運動的第二定律:「行星與太陽的連線,在相等的時間內劃過相等的面積」。 • 經過長期繁複的計算和無數次的失敗,終於發現行星軌道之間的關係,並寫下行星運動的第三定律:「行星公轉周期的平方,跟軌道半徑長軸的立方成正比」。 • 行星運動三定律的發現為經典天文學奠定了基石，並導致了數十年後萬有引力定律的發現。

16. 牛頓(Issac Newton ) 關於萬有引力的研究,在1679年牛頓已從開普勒第三定律,得到引力跟距離的平方成反比的結果。同時,物理學家胡克(Hooke)等人也得同樣的結論。從這個關係,牛頓又重新思考蘋果和月亮的問題,月亮與地球的距離是地球半徑的60倍,那麼地球對月亮的重力加速度只有地球地面的1/3600。另外,利用惠更斯(Huygens)在1673年所發現的向心加速度公式,也可以算出月亮的向心加速度。兩者果然吻合,證明月亮的確是受到地球的萬有引力而進行圓周運動。於是,牛頓把伽利略的落體定律從地上推廣到天上,地上存在的定律,在天上也同樣適用的。

17. 從他的萬有引力定律,再加上伽利略、惠更新和他的力學出發,就能推導出開普勒三定律,奠定了天體力學的基礎 。 • 根據他的理論,牛頓也發現行星在自轉時,必成兩極扁平而赤道隆起的扁球體。另外,地球赤道鼓出的部份會受太陽和月亮的吸引,而使自轉軸會在空間作緩慢的圓錐運動,這可以解釋地球進動和歲差的現象。此外,牛頓力學也解釋潮汐的成因,是由於月球和太陽的引力的共同作用,使大潮總是發生在新月和滿月前後。

18. 這一切也奠定了日後萬有引力的發展。 The End