著者：黃姤 編者：余生

「宇宙」——名字的由來

現(xiàn)在我們一談?wù)摰健?/span>宇宙」這個(gè)詞，相信很多人都會(huì)明白這個(gè)詞當(dāng)中所包含的意義，但是同樣有很多人不知道「宇宙」這個(gè)詞為什么會(huì)被確定用來描述廣曠空間那種虛無縹緲的境界，我國的古人很早就已經(jīng)把這個(gè)詞的含意解釋得清清楚楚了，這讓很多天文學(xué)家都感到驚愕，因?yàn)楣湃怂枋龅摹?span style="box-sizing: border-box;margin: 0px;padding: 0px;border: 0px;outline-style: initial;outline-width: 0px;vertical-align: baseline;background: transparent;overflow-wrap: break-word;">宇宙」不僅定義里說明了空間、還明確地說明了時(shí)間。

「宇」定義的是上、下、左、右四個(gè)方向，也就是四面八方所有的空間。

「宙」定義的是從遙遠(yuǎn)過去到現(xiàn)在，也就是過去與現(xiàn)在積累的所有時(shí)間。

因此從定義上來看「宇宙」這個(gè)詞是包括了時(shí)間和空間，我國古代的先民不僅把時(shí)間、空間分開定義和獨(dú)立思考，而且還能把時(shí)間、空間完美地溶合在一起形成「宇宙」，這就足以體現(xiàn)了他們的智慧是多么的偉大。

「四度空間」

當(dāng)我用「四度空間」這個(gè)詞用作小標(biāo)題的時(shí)候可能有人會(huì)有疑問，因?yàn)榭破疹愐话愠霈F(xiàn)的詞都是四維空間，當(dāng)然他們都是正確的，因?yàn)楫?dāng)我用四維空間這個(gè)詞來科普就很難把當(dāng)中的意思用最簡潔的語言表達(dá)出來，這里我就付上一個(gè)小小的調(diào)查——你們知道什么是四維空間嗎？四維空間指的是哪四維？

四維空間是什么？四維空間是哪四維？單選

知道！

不知道！

還有 3 天 6 小時(shí)結(jié)束

一般我們看東西都會(huì)看到物體的長度、寬度、高度，這里我就用三度來表示，這就是所謂的「三度空間」，用科學(xué)的語言來表達(dá)就是「三維物體」，「三維物體」這個(gè)詞就等同于三維空間，這里你要注意了，正如前面所說的四面八方所有的空間，就是現(xiàn)在我們看地球里一世物體的概念所存在的三維空間，過去與現(xiàn)在積累的所有時(shí)間就是另外一個(gè)度，我這里用時(shí)間度來表示，長度、寬度、高度、時(shí)間度合起來就是「四度空間」，這個(gè)詞就等同于四維空間，這個(gè)詞就是科學(xué)家用來解釋「宇宙」含義的定義，這是僅次于我國古代的先民思想的宇宙觀。

「宇宙」是變幻莫測的，你可以把「宇宙」看作是一個(gè)無限大的空間，也可以把它看作是一個(gè)無限小的空間，因?yàn)?strong style="border: 0px;outline: 0px;vertical-align: baseline;background: transparent;;">四維空間這個(gè)詞的概念一旦采用維度的角度來解釋空間的概念就很難令人信服了，因?yàn)橛钪婵梢詿o限膨脹，同時(shí)也可以無限收縮，從宏觀的層面上來看「宇宙」可以膨脹得很大·「哈勃定律」就是案例，但是從微觀的層面上來看「宇宙」可以坍縮得很小·「黑洞」就是案例，因此宇宙的空間既可以是無限延展的、同時(shí)也可以是無限坍縮的。

或許！宇宙、地球、你與我都是宏觀與微觀空間中虛無縹緲的存在。

「地心說」觀點(diǎn)中的宇宙體系

古代的人和現(xiàn)在的我們一樣站在地球上絲毫感覺不到地球的轉(zhuǎn)動(dòng)，但是古、現(xiàn)代的人卻有著一個(gè)共同點(diǎn)，那就是太陽從東邊升起、西邊落下，于是古人就得出了一個(gè)看似非常有說法力的結(jié)論——地球是靜止不動(dòng)的，天上所有的星星都是圍繞著地球旋轉(zhuǎn)的。

亞里士多德是一位非常有名氣的古希臘哲學(xué)家，同時(shí)他也是第一位提出「地心說理論」的人，在他的理論模式中，宇宙運(yùn)行一切的機(jī)制都是由上帝經(jīng)營和主宰的，理論還明確指出了宇宙是一個(gè)大小有限的球體，并且這個(gè)球體一共劃分為兩層，即天層與地層，而地球恰恰就位于球體的中心，也就是天層與地層之間，因此掛在天上的太陽、月亮、星星都是圍繞著地球運(yùn)行的，最好的觀測證明就是太陽、月亮、星星總是向著地面的方向落下。

圖解：亞里士多德認(rèn)為宇宙一共劃分為兩層，即天層與地層，而地球恰恰就位于球體的中心

• 亞里士多德「地心說1.0版本」

這個(gè)版本是由亞里士多德提出的，它描述地球以外的情況是：從外向內(nèi)依次排列著9個(gè)等距的天層，分別是：月球天、水星天、金星天、太陽天、火星天、木星天、土星天、恒星天、原動(dòng)力天，除此這9個(gè)天層以外的空間都是空無一物的，「地心說理論」除了原動(dòng)力天、恒星天以外，其余7個(gè)天層都是處于靜止的狀態(tài)，在宇宙的中心位置地球是一直屹立在這里，并且一動(dòng)也不動(dòng)。

圖解：亞里士多德「地心說1.0版本」

• 托勒密「地心說1.0進(jìn)階版」

托勒密繼承了亞里士多德1.0版本「地心說理論」的思想，并且把前人累積的知識(shí)和自己長期觀測得到的數(shù)據(jù)結(jié)合了起來，把亞里士多德的9層天模型擴(kuò)展到11層，另外還把原動(dòng)力天修改為晶瑩天，原來排列在第9位的原動(dòng)力天的外圍又增添了1層最高天和1層凈火天。

圖解：托勒密「地心說1.0進(jìn)階版」

托勒密之所以會(huì)提出「地心說1.0進(jìn)階版」完全是因?yàn)樗嘈乓韵聝牲c(diǎn):

第一點(diǎn)：

每顆行星都在一個(gè)稱為“本輪”的圓圈軌道上作自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且每一個(gè)“本輪”都擁有一個(gè)中心點(diǎn)，行星就是圍繞著這個(gè)中心點(diǎn)公轉(zhuǎn)的。

第二點(diǎn)：

每個(gè)“本輪”都在一個(gè)稱為“均輪”的圓圈軌道上作公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且這個(gè)“均輪”也擁有一個(gè)中心點(diǎn)，“本輪”就是圍繞著這個(gè)中心點(diǎn)公轉(zhuǎn)的，地球則是圍繞著這個(gè)中心點(diǎn)自轉(zhuǎn)的。

根據(jù)上面解釋的地心說模型中的“本輪”、“均輪”這兩個(gè)都是托勒密通過他的觀測結(jié)果假設(shè)出來的圓圈軌道，并且他還假設(shè)了“本輪”、“均輪”的圓周期以及行星在圓圈軌道上的運(yùn)行速度，有了這兩個(gè)假設(shè)，地心說模型和托勒密觀測得到的數(shù)據(jù)就可以非常吻合了，這讓托勒密和很多人支持他的人都相信「地心說」是正確的，但是他的這一套理論經(jīng)不起時(shí)間的考驗(yàn)，因?yàn)殡S著科學(xué)的進(jìn)步出現(xiàn)了各種精準(zhǔn)度非常高的觀測儀器，測量出來的行星運(yùn)動(dòng)速度和位置也非常準(zhǔn)確，因此通過對比觀測儀器測量到行星運(yùn)動(dòng)速度和位置與托勒密「地心說」模型的數(shù)據(jù)相比就可以得知二者的差別了。

圖解：左/日心說 右/地心說 天體運(yùn)行模型對比圖

托勒密的地心說宇宙體系雖然不能夠被世人所接納，但是他的的確確是用數(shù)學(xué)的語言勾畫出了宇宙結(jié)構(gòu)體系運(yùn)行的場景，同時(shí)也完善地解釋了前人以及他自己觀測到的行星運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)，他的研究成果在當(dāng)時(shí)也得到了航海方面的實(shí)用，并且一用就是上千年，在這1000年的時(shí)間段里人們已把「地心說」當(dāng)作是他們的信仰了。

「日心說」觀點(diǎn)中的宇宙體系

當(dāng)前人都相信了「地心說」，想要改變他們的思想是難的，因?yàn)楫?dāng)時(shí)沒有足夠的證據(jù)證明「日心說」可以取締「地心說」，生活在地球上的他們完全感覺不到地球在公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，他們唯一能夠作為參考的只有太陽和夜晚的月亮以及包圍著地球的其他星體的出現(xiàn)和消失，憑借這種規(guī)律來判斷他們自己所在的位置來思考宇宙，第一個(gè)思考全新宇宙觀的人是16世紀(jì)的哥白尼。哥白尼通過思想實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)托勒密「地心說」的“均輪”、“本輪”模型根本不能解答一些天體因?yàn)檫\(yùn)行而出現(xiàn)的問題，于是哥白尼應(yīng)用自己通過思想實(shí)驗(yàn)勾畫出來的宇宙模型取代托勒密的測量結(jié)果，他的目的就是為了解決取天體因?yàn)檫\(yùn)行而出現(xiàn)的問題。

在接下來的20多年里，哥白尼廢寢忘餐不分晝夜地測量行星的位置，測量結(jié)果顯示這20年里行星的位置與托勒密的天體運(yùn)行模式是非常接近的，也就是說在短時(shí)間內(nèi)測量出的行星的位置是與托勒密的天體運(yùn)行模式相符合的，兩者并沒有差異。但是哥白尼始終相信自己的天體運(yùn)行模式是有別于托勒密的天體運(yùn)行模式的，于是哥白尼作出了一個(gè)更大膽的思想實(shí)驗(yàn)——如果站在地球以外的天體上觀看行星的運(yùn)行模式是不是與站在地球上觀看行星的運(yùn)行模式一樣呢？

哥白尼從上面的假設(shè)出發(fā)，并且放棄了20年的觀測數(shù)據(jù)，重新對天體運(yùn)行軌道進(jìn)行假定的運(yùn)行模式，哥白尼僅僅只用了1年的時(shí)間就發(fā)現(xiàn)了行星在不同的距離和不同的時(shí)間段，它們的位置都會(huì)與托勒密的天體運(yùn)行模式位置出現(xiàn)差異，因此哥白尼斷定地球并不是宇宙的中心，其它行星并不是以地球?yàn)橹行亩@行，有了這個(gè)為突破口，于是哥白尼把月球、水星、金星、太陽、火星、木星、土星都當(dāng)作是宇宙的中心，通過對比它們的周年變化，最終只有太陽的周年變化不會(huì)有差異，這就說明了太陽就是宇宙的中心的，地球也不例外它也是圍繞著太陽作周期運(yùn)行的，哥白尼的研究成果「日心說」就此誕生，托勒密的「地心說」從此退出天文學(xué)的舞臺(tái)。

圖解：太陽系真實(shí)運(yùn)行體系

伽利略·讓天體近在眼前

來自于意大利的伽利略·伽利萊有著近代實(shí)驗(yàn)科學(xué)先驅(qū)者稱號(hào)的他同時(shí)也是哲學(xué)家、物理學(xué)家和天文學(xué)家，聰明的伽利略把荷蘭的玩具改良成了望遠(yuǎn)鏡，并把它應(yīng)用在天文觀測上，當(dāng)他把望遠(yuǎn)鏡對向天空的那一刻就注定會(huì)有了不起的發(fā)現(xiàn)——

• 月球：這個(gè)灰色的球體表面是凹凸不平的。

• 木星：這個(gè)色彩斑斕的球體旁邊有4個(gè)衛(wèi)星圍繞著它旋轉(zhuǎn)，還會(huì)出現(xiàn)盈虧現(xiàn)象。

• 太陽：這個(gè)黃色的球體作為行星運(yùn)行的中心點(diǎn)也會(huì)有自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，然而它并不是整個(gè)球體都是黃色的，有一小區(qū)域是黑色的。

• 金星：這個(gè)橙色球體也會(huì)出現(xiàn)盈虧現(xiàn)象。

• 銀河：由無數(shù)顆閃閃發(fā)光的恒星組成。

圖源網(wǎng)絡(luò)

開普勒·行星運(yùn)行定律

太空中為會(huì)有水星、金星、地球、火星、木星、土星這6顆行星？這6顆行星為什么又總會(huì)出現(xiàn)在固定的位置上？這6顆行星之間相隔的距離為什么總是相等的？當(dāng)人們把這三個(gè)疑問結(jié)合在一起的時(shí)候就很容易讓人聯(lián)想到太空中的天體是不是遵守著一種固定的規(guī)律呢？

現(xiàn)在的我們已經(jīng)知道當(dāng)時(shí)的人們猜想是正確的，而證實(shí)這個(gè)猜想的人正是德國的天體物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家開普勒，開普勒把力學(xué)的概念應(yīng)用在天文學(xué)計(jì)算當(dāng)中，在制作的方面他也很出色他自己制造了一個(gè)望遠(yuǎn)鏡，雖然開普勒的視力并不好，但是他還是觀測到了一些非常重要的數(shù)據(jù)，他把這些觀測數(shù)據(jù)與力學(xué)結(jié)合在一起最終總結(jié)出了三條應(yīng)用至今的經(jīng)典定律——「行星運(yùn)動(dòng)三大定律」又稱為「開普勒三大定律」。這三大定律為「日心說」提供了最有力的證據(jù)，因此世人把開普勒譽(yù)為“天空的立法者”。

• 行星運(yùn)動(dòng)第一定律：

所有行星圍繞太陽運(yùn)動(dòng)的軌道都是橢圓形的，這些橢圓形軌道大小是不等的，而太陽就位于這些橢圓軌道中的一個(gè)焦點(diǎn)上。

• 行星運(yùn)動(dòng)第二定律：

行星在橢圓軌道中運(yùn)行的距離與太陽和行星之間的距離在運(yùn)行時(shí)間相等的情況下，行星運(yùn)行的距離所劃分出來的面積是相等的。

• 行星運(yùn)動(dòng)第三定律：

以太陽為中心行星運(yùn)行的公轉(zhuǎn)周期平方與行星軌道的半長軸三次方的比值是相等的。

余生總結(jié)

隨著行星運(yùn)動(dòng)的三條定律被證實(shí)，開普勒的這三條定律不僅成為了經(jīng)典天文學(xué)的基石并且為牛頓的萬有引力定律作了很好的鋪墊，同時(shí)也把哥白尼的「日心說」天體運(yùn)行模式中所指出的圓形軌道和天體勻速運(yùn)動(dòng)這兩點(diǎn)作出了更正，行星運(yùn)動(dòng)第一、第二定律中明確指出了「日心說」中的錯(cuò)誤，因?yàn)樾行菄@太陽公轉(zhuǎn)的速度不是勻速的，距離太陽近的時(shí)候行星運(yùn)行的速度是較快的，距離太陽遠(yuǎn)的時(shí)候行星運(yùn)行的速度是較慢的，因此開普勒三大定律使得「日心說」更接近于宇宙運(yùn)行的體系，將太陽系變成了一個(gè)統(tǒng)一的物理體系，也展現(xiàn)了自然界真正的客觀屬性，更徹底地終結(jié)了統(tǒng)治人類1000年的托勒密「地心說」。

圖解：太陽系八大行星運(yùn)行體系