先驱第谷的伟大工作

第一节　先驱第谷的伟大工作

一、观察家第谷

第谷画像

第谷·布拉赫（TYchoBrahe），1546年12月14日生于斯坎尼亚省基乌德斯特普（今属瑞典）的一个贵族家庭，其父是律师。他自幼喜欢观察星辰，1559年进入丹麦哥本哈根大学学习法律，1562年进入莱比锡大学继续学习。1563年8月他作了第一个天文记录——木星合土星。1565年以后，第谷到欧洲许多地方游学。1572年11月11日，他发现在仙后座里出现了一颗新星。经过长期观测，他认为这是一颗十分遥远的星（现已测知是银河系的一颗超新星）。1576年在丹麦国王腓特烈二世的资助下，他在汶岛上建立了一所宏大的天文台，他称之为天文堡。在那儿他坚持了20多年的天文观测，直到1597年离开汶岛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。在生命最后的日子里，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。这个体系在欧洲没有流行，但在17世纪初传入中国后曾一度被接受。第谷是卓越的天文仪器制造家，曾制造过许多大型、精密的天文仪器。赤道式装置在欧洲的流行是与他的工作分不开的。他多年精心观测得到的资料，为开普勒发现行星运动三定律准备了基础。他本人编制过一份精密的星表，研究过大气折射，发现了黄赤交角的变化和月亮运动中的二均差，还重新测定岁差常数，得数为每年51"。

二、第谷的天文观测

第谷是最后一位也是最伟大的一位用肉眼观测的天文学家。虽然少年时他学习的是法律和哲学，但在1560年观察了日食后，他转向研究天文学和数学，后来到德国接受进一步的培养和教育。第谷于1563年观察木星和土星接近时，注意到这两颗星接近的时间与根据阿尔丰沙行星星表预计的时间相差一个月。于是他开始购买仪器，使用这些仪器进行观察来制作新星表。

汶岛天文台图

1572年，一颗新星体突然在11月11日闪亮，使第谷出了名。实际上这并不是出现了新的星球，而是一颗现存的星球突然爆发而使其亮度大增，它在亮度突然激增以前用肉眼可能观看不见，在使用望远镜以前，这种爆发的星星确实像新星。第谷在1572年观察到了这颗星（现在有时称为“第谷星”），在一本篇幅为52页的书中写到了此星以及它对星占学的重要意义。该书的简短标题为《关于新星球》。第谷星先是越来越亮，直到远比金星更亮，甚至在白天也看得见，然后它慢慢地暗淡下去，最后在视野中完全消失，历时一年多。最初第谷对出版此书曾犹豫过，因为他以为写书会降低高贵人的身份，可幸的是他后来克服了这种势利的想法。第谷写的书起了如下的作用：一，它给一切亮度突然爆发的星球创造了“新星（Nova）”的名字；二，它使这位年轻人以天文学家而闻名；三，因为第谷利用了与他相距遥远的其他天文学家（如英国天文学家）的观察结果，通过视差测量说明了新星球之远是无法测出其距离的（当然它比月亮要远得多），这令亚里士多德认为天空完美不变的观点受到了有力的打击。

丹麦国王腓特烈二世决定当这位年轻有为的国民的保护人，因为他像一颗明亮的新星那样光彩夺目。为了阻止他移居到当时天文学研究的中心——德国，国王主办了由这位年轻人主讲的天文讲座，更为重要的是，他在丹麦和瑞典之间的汶岛上，为第谷出资修建了天文台。这是历史上第一座真正的天文台，于1580年竣工，据估计耗资相当于今天的150万美元。第谷对天文台不惜工本，用他所能制出的最佳仪器来装备它，他甚至建造了一个直径为五英尺的天球仪。从此第谷誉满天下，欧洲各国学者都来拜访他。

第谷·布拉赫的超新星

1577年，一颗巨大彗星在天空中出现，第谷对它进行了仔细的观察。这是第一次对彗星进行的不带偏见的研究，也是第一次提出了彗星的研究问题，丝毫没有认为它预示着大灾难的惊慌失措。视差研究说明该彗星距地球也比月亮远——这是对天空完美无缺论更为沉重的打击。亚里士多德曾看到彗星来去运动不定，与其他天体的永恒性和规律性不符，所以他坚持认为彗星是大气引起的现象。这一点他错了。伽利略在这方面同意亚里士多德的观点，所以，在这个问题上落后于第谷。

1577年第谷观测到的彗星

第谷研究了彗星的视动，勉强得出结论认为彗星轨道不可能是圆的，而必然是伸长了的。这是个大胆设想，因为如果是这样，彗星必然要穿越各行星天球层，但除非这些天球层不存在，否则彗星几乎是不可能穿越的。这种可能性大大违反了第谷本人的倾向，因为他是一位保守的天文学家，他不愿放弃托勒密及希腊前辈关于地球是宇宙中心的见解。他是最后一位坚持此观点并且抵制哥白尼日心说的大天文学家。他反对日心说的最强论据就是恒星有视差，他以此把他和伽利略的论点融合，并把伽利略和哥白尼学说完全割裂开来。1583年第谷出版了论彗星的书，提出一切行星除地球外皆围绕太阳运转。后来，他坚持认为太阳及其一系列伴随的行星皆绕地球运转。第谷提出这样的“第谷理论”，部分原因是为了强调他的正统观念，以反对他在丹麦朝廷的许多敌人。第谷的理论被认为是在不顾一切反抗权威的年代里半心半意进行妥协，后来几乎被人们完全遗忘了，他完全失败了。

第谷在他整个研究时期，一直坚持进行出色的精确观察，获得了用肉眼所能达到的最佳观察效果。由于大气折射，观察到的天体位置会有所变化，他和其他一些天文学家一样也考虑到了这点。他还校正了仪器的误差。至今尚未有人能在没有望远镜的条件下进行更为精确的观察。托勒密观察的准确度达到10角分，而第谷观察的准确度达到2角分，这大概是用肉眼观察在理论上所能达到的极限。第谷对几乎每项重要的天文观察测量数据都进行了较好的纠正。他以前所未有的准确度观察了行星的运动，特别是火星的运动。他制作的太阳运动历比前人所作的要精确得多。他计算出的1年时间误差不到1秒钟。然而就连第谷都不能完全摆脱他所在时代的局限。他估计土星（当时所知道的最远的行星）与地球的距离为7200多万千米，这对当时天文学家来说可算是超乎想象的数字了，而这只是实际距离的1/18。

第谷在工作的场景图

天文学上达到了新的准确度，历法不可避免地要进行改革。1582年，在教皇格雷果里十三世的倡议下，历法改革终于获得通过。新历去掉了10天，这是从罗马帝国时代以来积累起来的10天，因为旧的儒略历的1年比实际1年约长几分钟。为了避免以后进一步积累的误差，每400年的周期内只有97个闰年而不是100个闰年。如1700年、1800年和1900年，尽管是整百年能被4整除，但皆不是闰年，只有能被400整除的年（如1600年和2000年）才是闰年。这种“格里历”迅速被天主教国家所采用，而基督教和希腊东正教国家宁可采用错误的儒略历，而不愿采用格雷果里教皇的正确年历，后来才逐渐采用格里历。今天，除去一些宗教仪式要求用其他历法的地方外，世界各国都已普遍采用此历法，即我们熟知的阳历。

第谷的天文观测仪器之一

第谷于1597年，应德国国王鲁道夫二世之邀，离开丹麦前往德国，在布拉格新区定居。在这里他发现了自己的助手开普勒的才能。第谷将他辛勤收集的观察资料交给了开普勒，并让他着手制作行星运行表。他于1601年卧病，不久即逝世。病逝时，他呻吟道：“唉，我多希望我这一生没有虚度啊。”开普勒保存了他的资料，并继续从事后来被证明具有重要意义的工作。开普勒做到了使第谷没有虚度一生。开普勒还按照他向老师允诺的那样，忠实地维护第谷的宇宙图景，然而就连开普勒也未能把它维持下去。

至于第谷的仪器，这些精致的设备装备了丹麦天文台，此后再没有人使用过。在他去世10年后，伽利略的望远镜使第谷的所有仪器都成为过时。这些仪器积满了尘土，最后在欧洲“三十年战争”的最初几年中烧毁了。

三、精确的科研态度

第谷在汶岛的天文台是当时世界上最完备的，拥有四个观象台，一个图书馆，一个实验室和包括一个印刷厂在内的附属设施。第谷自己设计制造了观象台的全部仪器，其中较大的一台是精度较高的象限仪，被称为第谷象限仪。第谷对观测精度要求十分严格，不断改进仪器和测量方法，因此他所进行的天体方位的测量，其精度是比较高的，是哥白尼的20倍。第谷想精确测量出从地球上长时期可看到的星体的位置，并由此绘出一幅星体位置真实准确的天体图来。他测量了777颗恒星的位置，其误差不多于4角分。第谷还测量了行星的运动，发现了许多新的现象，如月球运动的二均差，黄赤交角的变化等。他对1577年出现的彗星也很感兴趣，他曾对相距甚远的两地观测到的慧星数据进行比较，发现没有差别，而月亮的观测数据则时有差别，他由此便断定慧星比月亮远很多。在这以前，慧星被认为可能在近处，也许就在地球的高层大气之上。当时望远镜还没有被发明，观测所使用的仪器都很简单，第谷能观测如此之多的星体、达到如此高的精度，可以想象他是一位多么了不起的观察家。第谷可谓近代天文学的创立者之一。

第谷的天文观测仪器之一

第谷在布拉格工作时，慧眼独具地发现了开普勒。1601年，重病的第谷把开普勒请到床边，作了临终的嘱托，第谷说：“我一生之中，都是以观察星辰为工作，我要得到一份准确的星表……现在我希望你能继续我的工作，我把存稿都交给你，你把我观察的结果出版出来，题名为《鲁道夫星表》。”开普勒有幸继承了老师辛劳一生留下的全部观测资料和设备，这对开普勒后来取得巨大成就，起了重要的作用。第谷的亲属对开普勒占有上述资料一直耿耿于怀，然而，历史告诉我们，这批资料让开普勒继承，是十分明智之举。开普勒精心整理资料后，千方百计地筹集印刷资金，直到1627年才正式出版了《鲁道夫星表》，在此后100多年的时间里，航海学家们都乐于使用《鲁道夫星表》，因为它是当时最精确的一份天文表。

四、第谷的天文学成就

（一）“星学之王”

第谷对天文学的重大贡献在于，他通过长期观测积累了有关行星运行的大量数据资料，成为那个时代罕见的天文观测家，获得了“星学之王”的美称。1582年，在教皇格雷果里十三世主持下，完成了对基督世界延用了1000多年的儒略历的改历工作，颁行了格里历。

（二）发现新星

1572年11月11日夜间，第谷发现仙后座中有一颗前所未见的“新星”。第谷在一篇论文中首次发明了“新星（Nova）”一词，并指出，星座永恒不变的说法是错误的。后人为了纪念他，把这颗新星叫做第谷星。

（三）观测彗星及其他

第谷对彗星所作的观测，是他取得的又一个成就。此外，第谷还发现了许多新的现象，如黄赤交角的变化，月球运行的二均差等。他还测定了岁差。