17世紀之前，歐洲的主流觀點認為所有天體都繞著地球旋轉(zhuǎn)。在哥白尼和伽利略之后，幾乎所有的天文學家都被說服而改變了主意：月亮繞著地球轉(zhuǎn)，行星繞著太陽轉(zhuǎn)。

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但是最初的問題還是沒解決，地球和太陽，是誰繞著誰轉(zhuǎn)呢？流行的改良版地心說認為，行星繞太陽轉(zhuǎn)的同時，太陽還是繞地球。

當時的天文觀測解決不了這個問題，因為運動本身是相對的。如果只考慮太陽系內(nèi)部的話，不管地球繞太陽，還是太陽繞地球，在運動上都是完全等價的，只要進行一個坐標系變換就可以了。

如果考慮到整個宇宙的話，二者就存在區(qū)別了：假如地球在動，那么地球處在不同位置的時候，看到的星空應該有微小的差異，這就是所謂的“視差”。假如動的是太陽，那就沒有差異。當時的天文學觀測并沒有發(fā)現(xiàn)視差，這似乎是支持太陽在動。支持地球在動的一方認為，這是因為恒星的距離非常遙遠，導致視差太小，觀測不到。這個說法雖然是可能的，但終究沒有證據(jù)。

何況，如果恒星真的那么遠，那意味著有些恒星必定非常之大，當時的估算是某些恒星的半徑比地球和太陽之間的距離還大。今天我們知道這是可能的，但17世紀的天文學家就覺得這太荒謬了。

日地誰在動的這個根本分歧，靠17世紀的觀察解決不了，但除了觀察還有別的辦法，比如說，探究一下底層機制：為什么天體之間會彼此繞著轉(zhuǎn)呢？

古希臘人認為圓周運動是天體的自然規(guī)律，沒有為什么。近代物理學的進展否定了這個觀點，特別是牛頓提出的三定律第一條就指明，在不受外力的情況下，物體應該做勻速直線運動。換句話說，圓周運動的天體，必定是受到了某個力的作用。

是什么力呢？牛頓認為，是物體之間的萬有引力。

有一個著名的故事說，牛頓年輕時因為被蘋果砸了頭，思考它為何落下而不是飛上天，所以發(fā)現(xiàn)了引力。這個故事有很多不準確的地方，比如說，它是牛頓晚年的時候才第一次講的，史家懷疑它可能根本就沒發(fā)生，只是為了爭優(yōu)先權(quán)；再比如說，本來的故事里牛頓只是看到了蘋果落下，也不是被砸了頭，蘋果砸頭雖不如榴蓮但也是相當疼的。不過最關(guān)鍵的是，之前的物理學家早就試圖解釋過蘋果為何落下了。牛頓的突破不在于思考蘋果的下落，而是意識到蘋果和月亮遵守同樣的物理定律。

那為何月亮不會落到地球上呢？牛頓說，想象一門大炮以越來越快的速度發(fā)射炮彈，炮彈落地的距離也會越來越遠。不停地遠下去會發(fā)生什么呢？地球是圓的，繞圓一周的距離是有限的，所以炮彈必然會開始繞地球一圈、兩圈、三圈甚至更多圈才會落下，最后變成繞地球穩(wěn)定的圓周運動。可以理解為，雖然炮彈在往地球的方向掉，但是地表因為是圓的所以也在下沉，二者正好相互抵消了。

這個點子可能不是牛頓第一個想到的。當時的另一個物理學家胡克，也認為天體之間的吸引力是天體運行的動力源，兩人為了優(yōu)先權(quán)爭吵多年。但是，胡克只能計算出圓周運動的情況，他不會算橢圓運動，而當時天文學界已經(jīng)普遍接受了行星的軌道是橢圓的。是牛頓從數(shù)學上證明了，引力確實可以導致我們觀測到的橢圓軌道。

一旦確定了天體運動的動力來源，日心和地心的爭論就自然解決了。力的作用是相互的，太陽和地球?qū)Ρ舜耸┘拥囊Υ笮∠嗤５桥ｎD第二定律指出，受到同樣大小的力時，質(zhì)量越大的，加速度越小。太陽非常巨大，所以應該在中心幾乎不動。相比之下地球很小，所以應該在外圍繞圈。這個論證基本上宣判了改良版地心說的死刑，而等到后來天文學進展發(fā)現(xiàn)了視差的存在，就徹底地給地心說蓋上了棺材板。

觀察是所有科學的起點，但只有觀察，很多問題解決不了，必須深入到底層機制的解釋，才能探明世界的本源。實際上，許多古代知識體系都積累了豐富的觀察，它們和科學的差異，就在于是否能夠正確地探明觀察現(xiàn)象背后的機制。

標簽： 圓周運動 物理學家 天文學家