牛顿时代的中国与欧洲天文观测与知识
牛顿时代的中国与欧洲天文观测与知识
摘要
回顾了牛顿的一生，并对其所处时代做了一定的阐述，由此可看出，任何一种文明的产生都具有其实力的必然性。以此为线索，粗略介绍了17世纪至18世纪初，欧洲与中国在天文学方面的观测与知识，包括这时期伟大的天文学家以及他们所使用的先进的科学的观测仪器与方法，并对当时中国天文学状况做了一定分析。最后，通过品读那一时期的伟大的天文学家，对比当时欧洲与中国天文学领域的不同，反思当下中国发展，谈论了自己的一些看吧。
一.牛顿其人及其所处时代
牛顿，全名艾萨克·牛顿（Isaac Newton），英格兰国籍，世界历史上最伟大最具影响力的科学家之一，是物理学家、数学家、哲学家。主要成就有万有引力定律和牛顿运动定律的提出，微积分的创立等。
1.1.牛顿生平简介
1643年1月4日（旧历1642年12月25日）出生于林肯郡乌尔索普。
1655年12岁 入格兰瑟姆中学学习。
1661年19岁 6月15日入剑桥大学三一学院学习。
中国古代科学家1665年24岁 发现二项式定理。
1665年～1666年24岁 因鼠疫流行回到家乡，对光学、力学、数学有多方面的研究突破。
1668年26岁 制成反射式望远镜。
1669年27岁 著《论用无限项方程所作的分析》，任卢卡斯讲座教授。
1671年29岁 著《级数和流数方法论著》。
1672年29岁 1月当选为皇家学会会员，宣读《关于光和颜的理论》的论文。
1684年42岁 会见哈雷，证明引力平方反比定律。
1686年～1687年44岁 著《自然哲学的数学原理》。
1689年47岁 母亲去世
1700年57岁 发明六分仪。
1727年3月20日84岁 逝世1.2.牛顿生活时代简介
1.2.牛顿生活时代简介
1.2.1政治方面
牛顿生活时代为十七世纪中期到十八世纪前期，此时是殖民主义迅速发展的一个阶段。在1640年，英国率先发起资产阶级革命，历时十多年终于建立了全世界范围内第一个君主立宪制的资本主义国家，确定了相对较为完善的资本主义制度。随后，英国开始发起大规模的殖民侵略，相继打败荷兰，葡萄牙，法国成为最大的殖民国家。尤其在海上，英国树立了其霸主地位，开始在世界范围倾销货物，大肆聚敛财富，为18世纪的工业革命爆发奠定了殷实的基础。
1.2.2文化艺术方面
17世纪的欧洲文化艺术在文化发展史上也是非常重要的一个阶段，上承文艺复兴，下启欧
洲19世纪文化大繁荣。其中， 巴洛克艺术影响了后来的罗可可艺术，影响了19世纪的浪漫主义、印象主义以至20世纪的野兽派和表现派 ；学院派古典主义影响了后来的新古典主义和立体派美术等；现实主义艺术倾向，对后来的18世纪市民艺术、19世纪的现实主义也都有着明显的影响。
1.2.3自然科学方面
17世纪的欧洲，漫长的中世纪已经结束，文艺复兴带来了人们的觉醒，束缚人们思想自由发展的烦琐哲学和神学的教条权威逐步被摧毁了。封建社会开始解体，代之而起的是资本主义社会，生产力大大解放。资本主义工场手工业的繁荣和向机器生产的过渡，促使技术科学和数学急速发展。
在天文学，首先是丹麦天文学家第谷与开普勒进行大量的天文观测，总结出了行星运行三大定律，随后牛顿提出万有引力定律。在数学方面，意大利科学家伽利略主张自然科学研究必须进行系统的观察与实验，充分利用数学工具去探索大自然的奥秘，在当代一些数学家共同努力下提出了小树虚数对数极大发展了代数学，尤其是变量数学以解析几何的简历为起点，接着是微积分学的勃兴。几何学方面，尤以笛卡尔为代表，引入了革命性的思想，
对后世数学作出了巨大贡献。
1.2.4宗教与哲学
16世纪到17世纪的欧洲，基督教进行了一次宗教改革，分割成了新教与旧教两派。这一改革对于整个欧洲来说无疑具有极其伟大的意义，在宗教改革之前，教会不仅控制了普通民众的思想，还高高凌驾于世俗王权之上。宗教改革打破了罗马天主教会的转转局面，衍生了许多不同的新教教派，并和不同民族的国家相结合，使各个王国迅速发展壮大。例如，英国的圣公会的建立使英国的民族国家和君主专制得到强化，为后来的英国资产阶级革命奠定了社会基础。欧洲的各个国家也因为各自的宗教信仰而加强了民众的民族意识和国家的精神凝聚力。虽然宗教改革派进行改革的初衷只是反对罗马天主教会，但是这场改革无形中给欧洲带来了自由、宽容的新气息，从最初对不同信仰的包容到后来对不同政见的包容，这场宗教改革促进了欧洲政治、经济等方面的进步。
在哲学方面，由于自然科学的极大发展，相当大程度影响了哲学体系。首先，哲学广泛吸取了试验自然科学的成果，丰富了自己的内容，克服了古代哲学的朴素性。但还不可能完全正确解决物质和意识的关系等问题，带有神学上的不彻底性。其次哲学家门把当时自然
科学中流行的分析方法提升为哲学方法论，是这个时期的哲学具有形而上学的性质。再次，力学的发展，使这个时期的唯物主义哲学具有机械性的特点。自然科学对哲学发展的另一个重大影响，是极大的促进了哲学认识论的研究
二.牛顿对世界贡献
　牛顿，英国皇家学会会员，是一位英国物理学家、数学家、天文学家、自然哲学家和炼金术士。他在1687年发表的论文《自然哲学的数学原理》里，对万有引力和三大运动定律进行了描述。这些描述奠定了此后三个世纪里物理世界的科学观点，并成为了现代工程学的基础。他通过论证开普勒行星运动定律与他的引力理论间的一致性，展示了地面物体与天体的运动都遵循着相同的自然定律；从而消除了对太阳中心说的最后一丝疑虑，并推动了科学革命。在力学上，牛顿阐明了动量和角动量守恒之原理。在光学上，他发明了反射式望远镜，并基于对三棱镜将白光发散成可见光谱的观察，发展出了颜理论。他还系统地表述了冷却定律，并研究了音速。在数学上，牛顿发明了微积分。他也证明了广义二项式定理，提出了“牛顿法”以趋近函数的零点，并为幂级数的研究作出了贡献。在2005年，英国皇家学会进行了一场“谁是科学史上最有影响力的人”的民意调查，牛顿被认为比爱因斯坦更具影响力。
牛顿在科学方法论上的贡献正如他在物理学特别是力学中的贡献一样，不只是创立了某一种或两种新方法，而是形成了一套研究事物的方法论体系，提出了几条方法论原理。在牛顿《原理》一书中集中体现了以下几种科学方法：①实验——理论——应用的方法。牛顿是从事实验和归纳实际材料的巨匠，也是将其理论应用于天体、流体、引力等实际问题的能手。  　②分析——综合方法。分析是从整体到部分（如微分、原子观点），综合是从部分到整体（如积分，也包括天与地的综合、三条运动定律的建立等）。③归纳——演绎方法。牛顿从观察和实验出发。“用归纳法去从中作出普通的结论”，即得到概念和规律，然后用演绎法推演出种种结论，再通过实验加以检验、解释和预测，这些预言的大部分都在后来得到证实。④物理——数学方法。牛顿将物理学范围中的概念和定律都“尽量用数学演出”。爱因斯坦说：“牛顿才第一个成功地到了一个用公式清楚表述的基础，从这个基础出发他用数学的思维，逻辑地、定量地演绎出范围很广的现象并且同经验相符合”，“只有微分定律的形式才能完全满足近代物理学家对因果性的要求，微分定律的明晰概念是牛顿最伟大的理智成就之一”。
三.牛顿时代欧洲天文观测与知识
牛顿时代，即十七世纪中至十八世纪初，欧洲的天文学得到了空前的发展，这其中涌现出了大量天文学家，并创立了一些列先进的科学的严谨的天文观测方法与仪器，他们为天文学的发展作出了不朽的贡献。
3.1.著名天文学家
17世纪的欧洲在历史舞台上，揭开了近代史的序幕。这一时期，天文学、物理学、数学等科学都取得了很大发展。在创立天文学方面，有四位杰出的科学家：波兰的哥白尼、德国的开普勒、意大利的伽利略和英国的牛顿。哥白尼的《天体运行论》标志着自然科学从神学中分离出来。“科学的发展从此便大踏步前进”（马克思语）。开普勒是继哥白尼后第一个采纳太阳中心说的重要科学家，他证明、发展和修正了哥白尼的设想，发现了行星运动的三条定律，总称“开普勒定律”。而伽利略则是第一个把望远镜用于观察天空的人，他从望远镜的观察的结果证实了哥白尼的设想。牛顿的万有引力定律更是将天文学推向一个全新的领域。
除上述等人，另外还有一大批天文学家在此时作了大量工作，对天文学的发展添上浓重的一笔。例如赫维留对太阳黑子作辛勤观测，因而定出相当准确的太阳自转周期。他提出的
光斑一词一直沿用至今。1647年发表第一幅比较详细的月面图 ；1701年出版了他编制的赫维留星表。荷兰天文学家惠更斯发现了土星的光环和第一颗卫星。他的关于向心力的工作对牛顿万有引力的发现起了重要的作用；他创造的天文摆钟、复合目镜等对天文仪器的进展有重要意义 ；他还阐明了布鲁诺提出的恒星都是宇宙里的太阳的正确主张。原籍意大利的法国天文学家卡西尼虽然不接受哥白尼学说，但是仍然致力于行星的卫星观测。他发现了土星的四个卫星和土星光环中的暗缝，刊布了第一份木星卫星历表，为在海上测定经度的工作提供了重要条件。罗默这位丹麦天文学家在巴黎天文台工作期间，通过对木卫掩食的研究发现光速的有限性，并首次测得光速值。在这个基础上，后来布拉得雷才能发现光行差为日心说提供了有力的证明。
这些科学家都摈除了对权威和演绎推理法的依赖，而强调对自然的直接观察与实验。对天文学的发展科学的推进作出了不可磨灭的贡献。
3.2.各种观测仪器与方法
在上述这些伟大的天文学家对浩瀚的宇宙尝试做出一定解释的时候，势必需要借助于各种观测仪器与方法，我们且来看看。
3.2.1第谷的天文台与仪器
第谷•布拉赫（Tycho Brahe），1576年在丹麦王腓特烈二世的资助下，他在汶岛上建立一所宏大的天文台，称之为天文堡。在那儿他坚持了二十多年的天文观测。1599年到布拉格，任鲁道夫二世的御前天文学家。第二年，他邀请开普勒来当助手。1601年10月24日第谷逝世。在最后日子里，他将自己生平积累的观测资料赠给开普勒。 第谷曾提出一种介乎托勒密的地心体系和哥白尼的日心体系之间的宇宙体系。他认为地球在宇宙中心，静止不动,行星绕太阳转,而太阳则率领行星绕地球转。
3.2.2赫维留的仪器
赫维留(Jahannes Hewelius，1611-1687)，波兰天文学家。于1641年在但泽建立了自己的天文台。赫维留星图中恒星的位置全部来自他自己的观测资料，他还出版了包括1564颗肉眼可见的恒星的星表。赫维留的星图和星表的精度达到了肉眼观测的极限，他的星表也是最后一部用肉眼观测的星表。赫维留星图的绘制极为精美，造型极为生动，具有极高的艺术价值。赫维留在其星图之中设立了10个新的星座，其中狐狸座、小狮座、盾牌座、蝎虎座、山猫座、六分仪座、猎犬座一直延用至今，另外3个星座已经消失了。
3.2.3计时器
计时器在14世纪中期就已出现，但不够准确可靠。后来伽利略想到把单摆的均匀性用于改进时钟。1657年惠更斯取得了摆钟专利，并于1659年设计了用于精准计时确定经度的航海钟。1660年，胡克发明了游丝。1675年克雷门特发明了锚状擒纵器。时钟的精密化为天文学家提供了一种准确测定赤经的方法。
3.2.4望远镜
一般认为荷兰眼镜制造商利佩希和詹森发明了望远镜。伽利略在1609年访问威尼斯时听说荷兰人制成了自己的望远镜，回到意大利很快利用光学原理制成自己的望远镜，在1609年到1610年期间，他用自制的望远镜做观测，发现了金星相位等。从此，几乎每位天文学家都想拥有自己的望远镜。1610年球，开普勒设计出了天文望远镜。1618年前后，耶稣会士沙伊纳制成了观测日斑的投影望远镜。1668年，牛顿采用球状镜面制成了没有差的反射望远镜。

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