哥白尼天文学——太阳

哥白尼天文学——太阳

哥白尼的论证允许地球在一个大大扩张了的宇宙中作轨道运动，但这还只是理论上的，除非能证明这个轨道运动与观测到的太阳和其他行星的运动相协调。哥白尼的第一卷第10和11章正是要讨论这些运动。我们最好先从对第11章的扩展解释开始，在这一章，哥白尼描述了地球的轨道运动并考虑了它对太阳视位置的影响。如图28所示，暂时假定宇宙、太阳、地球轨道三者的中心重合。图中黄道面是从北天极附近位置看到的情况；恒星天球静止；地球沿轨道有规律地向东运行，每年一周；同时绕地轴向东自转，23小时56分一周。若地球轨道远小于恒星天球，地球的绕轴自转就正好解释了日、月、行星还有恒星的周日旋转，因为从地球轨道上的任何位置看，那些天体都以恒星天球为背景，并且当地球转动时它们必定也随之运动。

图中地球的两个位置相隔30天。在每个位置上看，太阳落在恒星天球背景上，且太阳的视位置都在黄道上，黄道现在被定义为地球的运动平面（一个包含了太阳的平面）与恒星天球的交线。当图中地球从位置E1向东运动到位置E2时，可看到太阳沿黄道从位置S1向东移到了位置S2。因此哥白尼理论跟托勒密理论一样预言了太阳沿黄道的东向周年运动。我们马上就要看到，它同样还预言了太阳在天空高度的季节变化。

图29表示从天球上秋分点略偏北的位置看到的地球轨道。地球画在相继的四个位置上：春分点、夏至点、秋分点、冬至点。在这四个位置上和整个运动过程中，地轴与一条假想的线保持平行，这条线穿过太阳，与黄道面的垂线成23.5°角。图上两个小箭头分别指示中北纬度的一个地面观察者在6月22日和12月22日（即两个至日）当地正午时刻所处的位置。从太阳到地球的直线（图中未画出）表示正午太阳光的方向，在夏至日，正午的太阳明显比冬至日更接近观察者的头顶上方。类似的构图决定了春分秋分和中间季节太阳的高度。

因此太阳高度的季节性变化可以由图29完全判断出来。不过，在实践中回到托勒密的解释反而更简单。既然太阳每个季节在恒星中间的视位置在哥白尼体系和托勒密体系中都一样，它跟哪颗恒星一同升起和落下在这两个体系中也必定相同。季节与太阳在黄道上的视位置之间的相互关系不会因为体系的改变而受到影响。从太阳和恒星的视运动方面看，这两个体系是相同的，而托勒密的更简单。

上图还揭示出哥白尼体系的另两个有趣的特征。既然是地球的旋转造成了恒星的周日圆周运动，地轴就应该指向天球上这些圆周的中心。但是如图所示，从一个年底到下一个年底，地轴并不完全指向天球上相同的位置。依照哥白尼理论，一年之中地轴的延长线在恒星天球上画出两个小圆，一个围绕北天极，另一个围绕南天极。对于地球上的观测者，恒星周日运动的圆心也应该沿着一个围绕天极的小圆每年旋转一周。或者换用与观测联系更紧密的说法，每颗恒星一年内应当在恒星天球上（相对于观测到的天极）略微改变位置。

这种视运动肉眼看不见，1838年之前甚至连用望远镜都看不见，它被称为视差运动。因为从地球轨道上的对径点到一颗恒星的两条连线不完全平行（图30），从地球上看该恒星的视位置应该因季节不同而不同。但若到恒星的距离比地球轨道直径大得多，则视差角，即图30中的p就会非常非常小，恒星视位置的变化也察觉不到。视差运动不明显只是因为恒星相对于地球轨道的尺度而言太遥远了。这种情况跟前面讨论的为什么地动看起来并不改变地平面与恒星天球的交线，完全相同。事实上我们讨论的是同一个问题。不过问题的现在这种提法更为重要，因为在地平线附近很难精确测定恒星位置，而这是决定地平面是否平分恒星天球所必需的。与上面讨论的至点的升起和落下不同的是，寻找视差运动不必受地平线的限制。因此视差提供了比利用地平线位置敏感得多的观测检验方法来检验恒星天球相对于地球轨道的最小尺度，而前面哥白尼对这个尺度的估计实际上应该是来自对视差的讨论。

第二件事情可由图29说明，它只与哥白尼有关而与天空毫无关系。我们把图中的轨道运动当作一个单一的运动：地心在环绕太阳的圆周上运动，而地轴总是与穿过太阳的固定直线保持平行。哥白尼则把这同一物理运动视为两个同时发生的数学运动的组合。所以他才会赋予地球总共三个圆周运动。他这样描述的理由给出了他受到亚里士多德的传统思想模式束缚的又一重要例证。对他来说，地球是一颗行星，它由一个天球携带着围绕中心太阳运动，这个天球就像原先携带太阳围绕中心地球运动的天球一样。如果地球是牢固地嵌在天球上，地轴就不能与穿过太阳的同一直线始终保持平行；相反，地球会被天球的旋转所带动，并占据图31（a）所示的几个位置。当地球绕太阳转过180°时，地轴仍与垂直方向成23.5°角，但方向与开始时相反。为了抵消携带地球的天球旋转造成的地轴方向变化，哥白尼要求第三种圆周运动，它仅适用于地轴，如图31（b）所示。这是一个圆锥运动，使地轴的北端向西每年运动一周，这样正好抵消轨道运动对地轴的影响。