托勒密模型与日心模型
拖动滑块,可以把坐标原点从太阳逐步移到地球。行星的位置数据全程相同;地心图上的回环,是每个坐标都扣除地球位置之后得到的路径。
地心说(托勒密模型)是什么?
地心说是以地球为宇宙中心、太阳、月亮和行星都绕着地球运行的模型,托勒密在《天文学大成》里把它整理成能实际预测行星位置的几何系统。它算得出行星在天空的方向,问题不在于完全不能用,而是行星的路线上多出许多回环,需要本轮、偏心圆与均衡点等修正。
本轮和均轮是什么?
均轮是以地球为中心的大圆,本轮是圆心沿着均轮运行的小圆,行星则在本轮上绕行。把同一组行星位置的原点从太阳搬到地球,每个坐标扣掉地球的位置后,外行星的路线会自动长出一连串小回环,那就是本轮;它其实来自地球自己的公转。
日心说为什么取代了地心说?
因为以太阳为中心后,行星路线变得简单,逆行不必另外画圈就能解释,外行星的一年周期和水星、金星总在太阳附近,也能用地球公转统一说明。不过以肉眼位置的预测精度来看,日心模型一开始并没有立刻比调校良好的托勒密模型准;后来伽利略观测到金星的完整相位、木星有自己的卫星,1838 年又量到恒星视差,才给了地球绕太阳的直接证据。
站在地球上画行星路线,轨道会多出一个个回环
同一组行星位置,以太阳为中心时是轨道,以地球为中心时却会长出回环。差别从原点放在哪里开始。
先看原点放在哪里
以太阳为中心记录位置,行星各自在轨道上前进。把原点改到地球,计算时要从每颗行星的位置扣掉地球的位置,画出来的路线也跟着改变。
滑动原点时,太阳系没有切换成另一个版本。行星彼此相隔多远、地球实际看见哪个方向都一样,改变的是地图选择谁作为固定中心。
小圆来自地球自己的公转
外行星的地心路线会出现连续小圆。一部分来自行星绕太阳前进,另一部分来自地球的公转;把地球位移反向扣除,本轮便会出现在图上。
地心坐标仍能计算天空方向。日心模型的优势是路线更简单,距离越远、周期越长等规律也能放进同一套物理解释。
日心模型少画了很多圈,也让周期有了共同原因
地心坐标仍能算出行星在天空的方向,问题不在于它完全不能用。以太阳为中心后,行星路线变得简单,距离太阳越远、公转周期越长等规律也能放进同一套物理说明。
把滑块慢慢移回太阳,地心图上的回环会收成较单纯的轨道。这正是日心描述好用的地方:观测没有改变,需要另外解释的形状却少了很多。
同一个几何,两个原点
位置向量必须指定起点。若地球的位置是 E、行星的位置是 P,日心坐标使用 P,地心坐标则使用 P−E。所有天体同时减去 E,不会改变天体彼此的距离或从地球看到的夹角,因此两张图给出的星空位置相同。
滑块停在中间时,原点位于太阳和地球之间,数学上仍是有效的坐标系。实务上偏好日心坐标,是因为行星在这套坐标里沿简单的封闭轨道运行,计算和比较都比较方便。
地心图上那个回环,在夜空里就是行星倒退走的那几周。逆行那一课 把同一批位置投到背景恒星上,还列出每颗行星接下来几次逆行的日期。
均轮与本轮的向量分解
在这个几何分解里,本轮的大小和周期不是任意参数。外行星的本轮来自地球轨道,内行星的本轮来自行星轨道,都可以直接由轨道数据核对:
每颗外行星的本轮周期都是一年,半径比则是 1/a。放在日心坐标里看,原因很直接:这个本轮项就是地球完成一圈公转所造成的。
托勒密实际使用的模型
上图是用来说明坐标转换的理想化均轮—本轮模型。《天文学大成》的计算系统还包含其他几何装置,不能直接与这张图画上等号。
不过,以均衡点定义的等速运动,并不是绕着均轮圆心做均匀圆周运动。包括哥白尼在内的批评者在意的正是这点:模型虽能预测位置,却偏离了当时所追求的均匀圆周原则。
日心架构如何取代地心架构
后来的望远镜观测提供了更强的判别。伽利略看到金星具有包含盈凸相在内的完整相位,表示金星能运行到太阳后方;木星卫星则显示并非所有天体都绕地球。直到 1838 年,天文学家才首次可靠量得恒星视差,取得地球绕太阳的直接证据。
金星相位这条证据,最大距角那一课 有实际数字:过去十六年每次大距,金星的照亮比例都落在 49% 到 51% 之间。
滑块展示的是坐标选择的效果:改变原点不会改变天体彼此的实际关系,但会让轨迹变得简单或复杂。天文计算通常选择能让问题最容易处理的坐标系。
均轮与本轮的向量分解
行星 a(AU) 本轮/均轮 本轮周期 水星 (内行星) 0.387 0.387 0.24 年
金星 (内行星) 0.723 0.723 0.62 年
火星 1.524 0.656 1 年
木星 5.203 0.192 1 年
土星 9.537 0.105 1 年
天王星 19.189 0.052 1 年
海王星 30.07 0.033 1 年
常见问题 把原点移到地球,为什么会出现本轮?
把 P−E 分成两个向量,就会得到均轮和本轮。对外行星而言,均轮走到 P,本轮使用 −E;换句话说,本轮对应地球轨道,只是方向相反。对内行星,两个向量的角色交换:均轮沿着从地球看太阳的方向走,本轮则对应行星自己的轨道。
托勒密模型只是以地球为中心的一个圆吗?
托勒密并未假设行星绕着以地球为圆心的单一圆周运动。均轮圆心偏离地球,本轮中心的角速度则以另一侧的均衡点为基准。这套安排能表现行星在轨道不同区段速度有快有慢;当偏心率不大时,它对克卜勒第二定律有相当好的近似效果。
日心模型一开始就比地心模型预测得准吗?
以肉眼位置的预测精度来看,调校良好的托勒密模型和哥白尼早期模型差距不大;哥白尼为了维持圆周运动,同样使用了本轮。日心架构的优点在于能用地球公转统一说明外行星的一年周期,也能自然交代水星、金星总在太阳附近。
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轨道元素取自 NASA/JPL「Keplerian Elements for Approximate Positions of the Major Planets」(Standish & Williams, 1992),适用 1800–2050 年。位置为几何位置,未计入光行时与光行差——这是黄道面的教学图,不是望远镜视野的模拟。
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