2.椭圆轨道

定 义：最终证实太阳系的日心视角和宇宙终极本质的轨道理论。

发现历史：伽利略·伽利莱和其他人通过望远镜观测发现了直接证据，证明了托勒密的宇宙观是错误的。

关键突破：1609年，约翰尼斯·开普勒提出行星轨道不是圆形的，而是椭圆形的。

重要意义：真正理解地球绕日运动，对于数不清的后续发现至关重要。

 

17世纪早期，两次并行的革命推翻了原有的地心宇宙观，播下了现代天文学的种子。随后，在17世纪末，万有引力理论将新的宇宙观推到了顶峰。

17世纪早期天文学的转变通常被归结于两个因素——意大利物理学家伽利略·伽利莱的早期望远镜观测和德国天文学家约翰尼斯·开普勒的理论突破。虽然这是一种简化描述，但不可否认的是，他们两人在建立新宇宙观方面起到了带头作用。

伽利略观天

大约在1608年，荷兰透镜制造商发现，沿着镜筒轴线方向对齐两个透镜，它们就可以产生放大的图像。伽利略还是帕多瓦大学一位受人尊敬的数学教授和实验家，他决定自己建造一台这样的仪器，并于1609年末第一次将它指向天空。通过望远镜看到的景象，伽利略确信许多关于宇宙的既定理论是错误的。月球并不是一个完美的球体，而是一个由山脉和陨石坑组成的地形起伏的世界。银河从一条光带被解析成无数颗恒星。最重要的是，绕着木星转的四个星星一样的光点只是木星自己的卫星，而金星表现出与月亮类似的相位变化。与当时公认的观点相反，一些宇宙中的天体并没有围着地球转，至少金星看起来就是绕着太阳转的。

伽利略在其1610年的著作《星际信使》（The Starry Messenger）中发表了他的观测报告。虽然他当时没有对其影响发表评论，但却认为他的发现完全证实了将近一个世纪前由哥白尼首次提出的宇宙日心说模型。当时的天主教会视日心说为异端，伽利略所在的意大利就在强大的天主教会的眼皮底下，因此他别无选择，只能保持沉默。

“与当时公认的观点相反，一些宇宙中的天体并没有绕着地球转，至少金星看起来就是绕着太阳转的。”

开普勒描述行星

非常巧合的是，就在伽利略做出重大发现的同一年，约翰尼斯·开普勒也发表了突破性的发现，奠定了日心说的理论基础，彻底粉碎了旧有的多层球壳宇宙观。伟大的丹麦天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brahe）曾经是开普勒的导师和合作者，偶尔也是竞争对手。通过使用第谷汇集的详细观测数据，开普勒意识到，如果行星的轨道不仅是以太阳为中心，而且是某种程度的椭圆，那么火星逆行等问题就能得到彻底解决（椭圆是圆的更一般的形式，它的一个轴比另一个轴要长，并且在长轴中心点两侧各有一个焦点）。

在1609年出版的《新天文学》（New Astronomy）一书中，开普勒认为行星沿着椭圆轨道运行，太阳位于椭圆的一个焦点上，并且行星在轨道上移动的速度取决于它与太阳的距离。开普勒的行星运动定律一下子解决了许多长期存在的天文预测问题。1619年，开普勒又增加了第三条定律，将行星轨道周期的平方与其“半长轴”（行星与太阳的平均距离）的立方联系起来，这样就可以比较相对轨道周期。

开普勒处于欧洲北部更为开明的新教影响范围内，基本不需要面对伽利略所处的那种困境，因此开普勒行星运动定律很快被学术界接受。1623年，伽利略看到了变化带来的机会——意大利迎来了一位较为开明的教皇，鼓励伽利略冒险将他的想法写成《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（Dialogue Concerning the Two Cchief World Systems）一书并公开出版。虽然教会允许将哥白尼的观点作为单纯的数学模型进行有限的讨论，但是任何暗示它代表宇宙现实的建议仍然被视为异端，伽利略的书完全越过了这条界限。1632年，伽利略发现自己被带到了宗教裁判所，被迫放弃日心说的观点，余生被软禁在家里——这种不公正存在于教会漫长的历史中。

虽然哥白尼和开普勒观点的兴起不可避免，但仍然存在一些重要问题——最明显的是为什么行星遵守开普勒运动定律，更深入的问题则是为什么它们一直在运动。1644年左右，法国哲学家笛卡尔（Descartes）提出，行星可能被太空中的涡旋推动，但他未能给出一个完整的解释来说明为什么这些涡旋会产生实际观测到的行星运动关系。

牛顿统一宇宙

最终，这一突破落到了英国科学家和博学家艾萨克·牛顿身上，他在1666年左右意识到，我们如今称为引力的那种力（其基本特点是伽利略一个世纪以前确定的），在地球表面之外也不应该失去其影响。引力使得牛顿花园中的苹果掉到地上，也同样应该作用在绕地球运动的月球上。多年以后，牛顿开始撰写他非凡的杰作，即《自然哲学的数学原理》（Principia Mathematica，最终于1687年发表），在书中，他确立了三条牛顿运动定律和一条“万有引力”定律。牛顿运动定律描述了物体如何保持静止或匀速运动的状态，除非受到力的作用才会改变状态；这种力始终影响物体的加速度取决于物体的质量；以及为什么每个作用力会产生大小相等、方向相反的反作用力。同时，万有引力定律描述了一种与大质量物体的质量成正比、与物体之间距离的平方成反比的力（所以当两个物体之间的距离加倍时，它们之间的引力会缩小至原来的1/4）。

总之，这些定律完美地描述了开普勒轨道，尽管后来的发展表明，牛顿定律并不是引力的最后定论。 牛顿为了得出他的结论而创新的数学技术以及从观测中推导出理论并提出可检验的预测，帮助他建立了一种至今仍在使用的“科学方法”。

在几个星期的时间里拍摄的一系列火星的照片，火星看起来在天空中逆行，从而画出了一个环形。这种逆行运动是由快速移动的地球“超越”其移动速度较慢的“邻居”所引起的。所有在地球轨道以外的行星都会表现出逆行运动，其中火星的逆行运动最为明显。

 

像昴星团（Pleia-des）这样的星团提供了恒星物理变化的早期线索。由于可以安全地假设这个聚在一起的恒星群体是一个真正的星团，星团中的恒星与地球之间的距离都差不多远，天文学家们意识到星团成员的外观差异反映的肯定是恒星之间的真实区别。