Copernicus.

1473 年,当尼古拉·哥白尼 (Nicolaus Copernicus) 降生在皇家普鲁士 (即波属立陶宛) 的托伦时,欧洲正深陷百年战争和黑死病的阴影。但同时,造纸术的传入和古腾堡印刷机的发明,预示着前方的一场科学革命。

哥白尼 10 岁丧父,被身为瓦尔米亚主教 (Bishop of Warmia) 的舅舅抚养。成年后,他在意大利接受了全面的文艺复兴式教育,并在 24 岁被舅舅安排到弗龙堡大教堂任僧正 (canon of the Cathedral of Frombork)。

神职人员的生活优渥,俸禄稳定。哥白尼先在海尔斯贝格堡 (Heilsberg Castle) 担任其叔叔的秘书,1512 年主教死后,他回到弗龙堡教会,蛰居在教堂的高塔中潜心研究天文学长达 40 年。

早在 16 世纪初,儒略历积累的误差已经让教会焦头烂额 —— 复活节已经滑向盛夏时期!我们推测对历法的纠错是哥白尼转向天文学的重要契机 (他在意大利的大学里修习的是法律与医学),但最终他却给出了一个颠覆宇宙的假设:日心说。

Retrograde is only apparent

托勒密体系认为行星的逆行是它们真的在「倒着走」,即行星在本轮上的运动方向与本轮在均轮上整体的前进方向相反。

而在日心体系中,逆行现象其实是一种视觉错觉:行星并没有真正后退,只是因为地球运行得更快,从地球上看去,行星就像短暂地「倒退」了一样。这种解释不仅更优雅,也完美符合行星绕太阳运行的规律。

如果我们认同这个说法,行星的 synodic period (两次合日/冲日间时间) $S$ 与 sidereal period (运行一周的时间) $P$ 将不再毫无关系。令地球的 sidereal period 为 $E=365d$,简单的追及问题即可推出:
$$
\begin{aligned}
\frac{1}{S_{\text{inferior}}}&=\frac{1}{P_{\text{inferior}}}-\frac{1}{E}\
\frac{1}{S_{\text{superior}}}&=\frac{1}{E}-\frac{1}{P_{\text{superior}}}
\end{aligned}
$$

Planet Ordering

托勒密宇宙体系中行星的排列顺序,若仔细推敲其实缺乏合理依据。这一排序建立在「sidereal period 较长的行星轨道半径更大」的假设之上——虽然这个假设乍看似乎合理。

且不论该假设本身是否成立,单就太阳、金星和水星而言:三者的 sidereal period 都是一年,但为何水星轨道被安排在金星内侧?托勒密对此的解释是,太阳的地位如此重要,其两侧必须保持行星数量对称。这种说法显然牵强附会,不过有趣的是,他确实因此误打误撞猜对了顺序。

日心说宇宙则不同:行星的轨道 (以地日距离 AU 为单位) 是可以用三角关系等被定量计算的!比如,内行星的轨道半径 $r=AU\sin \theta$,其中 $\theta$ 是 maximum elongation。外行星则稍微复杂些,但其轨道同样也能被锚定。

  • 由内而外:太阳,水星,金星,地球,火星,木星,土星,天王星,海王星

天体运行论六卷

天体运行论六卷 De Revolutionibus orbium coelestium libri sex 是哥白尼毕生的研究成果。总结下来,他提出了;

  • 宇宙的中心在太阳的附近
  • 宇宙的顺序由内而外是:太阳,水星,金星,地球,火星,木星,土星,与遥远的恒星
  • 天体在本轮上运动,本轮圆心在均轮上运动 (哥白尼你还是丢不掉!)
  • 地球有三种类型的运动:绕轴自转,年行公转,与自转轴旋转 (引起了岁差)
  • 行星逆行是地球与行星间相对运动导致的观测效应 (apparent effect)
  • 地日距离与太阳和遥远恒星间距离相比可忽略。

哥白尼最初并未打算公开他的研究成果;这或许与他身为神职人员,不愿公开挑战教会权威有关。如今我们能够看到这些成果,全赖他的挚友 Tiedemann Giese 和唯一的学生 Georg Joachim Rheticus 的极力劝说。