天文學史：兩個宇宙觀的故事
各位同學大家好！歡迎來到科學界其中一個最扣人心弦的故事：天文學史。這不單是關於舊有的理論；這更像一個偵探故事，講述我們如何逐步弄清楚自己在宇宙中的位置。我們將會回到過去，看看我們對宇宙的看法，是如何從一個以地球為中心的系統，演變到今天我們所認識的以太陽為中心的系統。這絕對是科學如何運作的一個絕佳例子：觀察、質疑，然後尋找證據。我們現在就開始吧！
1. 舊有觀點：地心說（地球在中心）
幾千年來，人們一直相信地心說。這是一個很簡單的觀點：
- 地球是靜止不動的，並位於宇宙的中心。
- 太陽、月亮、行星和恆星都以完美的圓形軌道圍繞地球轉動。
這個理論，由古希臘天文學家托勒密詳細闡述並聞名於世，從我們的角度來看是很有道理的。如果你抬頭望向天空，的確看起來萬物都在圍繞著我們轉動！但這個模型有一個它不容易解釋的大問題。
問題所在：逆行現象
有時，像火星這樣的行星，在天空中似乎會做出一個小小的「迴圈」運動。它們向前移動，然後似乎停下來，倒退一段時間，然後再向前移動。這種向後移動的現象被稱為逆行現象。
比喻時間到！想像你正駕著車在高速公路上快速行駛，並超越了隔壁車道上一輛較慢的車。當你經過它時，那一瞬間，相對於遠處的樹木，那輛較慢的車看起來像是向後移動。逆行現象基本上就是同樣的道理，只不過主角換成了行星！
托勒密巧妙（但複雜）的解決方案：本輪
為了要解釋逆行現象，托勒密的地心說模型變得非常複雜。他提出行星會沿著一些稱為本輪的小圓圈移動，而這些本輪本身又沿著一個更大的圓圈繞著地球移動。你可以想像成行星在它的主要軌道上，同時進行著小小的迴圈運動。
它確實起作用了……某程度上是。但它既混亂又不夠優雅。這就像是為了修理機器，卻只是隨便加上膠帶和膠水，而不是重新設計它一樣。
地心說的重點
地心說將靜止不動的地球置於中心。它是被接受了超過1500年的理論，但它需要像本輪這樣複雜的附加條件，才能解釋像逆行現象這些奇怪的觀測。
2. 新觀點：日心說（太陽在中心）
在16世紀，一位名叫哥白尼的波蘭天文學家提出了一個劃時代的新觀點：日心說。
- 太陽是太陽系的中心。
- 地球和其他行星都圍繞著太陽公轉。
逆行現象的簡潔解釋
日心說的巧妙之處在於它能簡潔而自然地解釋逆行現象，完全不需要複雜的本輪！
再次使用我們的汽車比喻：行星就像是在不同車道（軌道）上，以不同速度行駛的汽車。地球所在的「車道」比火星快。當地球超越「較慢的」火星時，火星在背景恆星的映襯下，會在短時間內看起來像是向後移動。是不是很簡單？！
儘管日心說如此優雅，但它並沒有立即被接受。它與當時的「常識」相悖，而且當時還沒有直接的證據……至少當時還沒有。
日心說的重點
日心說將太陽置於中心。它最大的優勢在於，能為逆行現象提供一個簡潔自然的解釋，而無需像本輪那樣複雜的修補。
3. 證據：伽利略的發現
日心說方向正確的「證據」，來自一位名叫伽利略·伽利萊的意大利科學家。他並非望遠鏡的發明者，但他卻是首批將望遠鏡指向天空的人之一，而他所看到的，徹底改變了一切。他就像一位尋找線索的偵探。
發現一：木星的衛星
伽利略觀察到有四顆小小的「星星」圍繞著木星轉動。他意識到它們是環繞木星運行的衛星。
其意義：這是一個重大的發現！它證明了並非宇宙中的所有事物都圍繞地球運行。這直接挑戰了地心說的核心理念。
發現二：金星的盈虧（相位）
伽利略觀察到金星會像我們的月亮一樣，經歷完整的盈虧週期（新月、半月、凸月、滿月）。
其意義：這種現象只有在金星繞著太陽公轉時才可能發生。在舊的地心說模型中，金星被困在地球和太陽之間，所以我們永遠不可能看到「滿」的金星。看到一個「滿」的金星，是推翻托勒密模型並支持哥白尼學說的決定性證據。
發現三：天體並非完美無瑕
伽利略觀察到月球並非一個完美、光滑的球體；它有山脈和隕石坑。他還看到太陽表面有黑色的斑點（太陽黑子）。
其意義：這表明天體並非完美無瑕的「天堂球體」。它們像地球一樣，是實質的、不完美的地方。這打破了舊有關於天堂完美無缺的哲學觀念。
快速回顧：伽利略的證據
- 木星的衛星：並非所有事物都繞地球運行。
- 金星的盈虧：金星必定繞太陽公轉。
- 太陽黑子和隕石坑：天體並非完美無缺。
伽利略的重點
伽利略的望遠鏡觀測，為日心說提供了第一個有力的觀測證據，並揭示了地心說的重大缺陷。
4. 運行規則：開普勒行星運動定律
那麼，行星確實圍繞著太陽公轉。但它們是如何運行的呢？它們是以完美的圓形軌道運行嗎？速度是恆定的嗎？這就是德國天文學家開普勒登場的地方了。他利用數十年的精確觀測數據，弄清楚了支配行星軌道的數學規則。
別擔心，這些數學原理很容易理解的！開普勒給了我們三條定律。
開普勒第一定律：軌道定律
定律內容：所有行星都沿著橢圓軌道運行，而太陽位於其中一個焦點上。
簡單來說：行星的軌道並非完美的圓形。它是一個稍微被壓扁的圓形，稱為橢圓。太陽並不在正中心，而是在橢圓內一個稱為焦點的特殊位置。這意味著行星有時會離太陽較近，有時則較遠。
開普勒第二定律：面積定律
定律內容：連接行星與太陽的連線，在相等的時間間隔內掃過相等的面積。
簡單來說：這聽起來很複雜，但它只意味著一件事：行星在接近太陽時移動較快，而在遠離太陽時移動較慢。當行星靠近太陽時，它必須加速，才能「掃過」與在遠離太陽時緩慢移動所掃過的相同面積。
開普勒第三定律：週期定律
定律內容：行星軌道週期的平方與其到太陽的平均距離（即半長軸）的立方成正比。
簡單來說：這條定律是比較不同行星的。它意味著離太陽越遠的行星，完成一次軌道運行所需的時間就越長。例如，它解釋了為什麼火星上的一年（離太陽較遠）比地球上的一年長，而木星上的一年就更長了！
記憶輔助：開普勒定律的3個關鍵詞
1. 形狀：橢圓
2. 速度：面積相等（近時較快）
3. 時間：週期（越遠年份越長）
開普勒的重點
開普勒的三大定律，為行星如何運動，提供了精確的數學描述。它們用橢圓取代了舊有完美的圓形軌道觀念，並顯示了行星在軌道運行期間速度會發生變化。他的工作為牛頓後來解釋它們為何以這種方式移動（萬有引力！）奠定了基礎。