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天鐘派的艱辛起源:伽利略的木星天鐘法
查字典地理網(wǎng) 來源|2020-12-24 發(fā)表|教學分類:地理科普

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1. 天鐘派的艱辛起源:伽利略的木星天鐘法

十六世紀初,伽利略發(fā)現(xiàn)了木星的最大的四顆衛(wèi)星,也就是今天的“伽利略衛(wèi)星”。多年以來,伽利略一直研究木星衛(wèi)星運轉(zhuǎn)的規(guī)律,發(fā)現(xiàn)四顆衛(wèi)星圍繞木星轉(zhuǎn)動時,會經(jīng)常定期發(fā)生衛(wèi)星食,有時衛(wèi)星會從木星前面經(jīng)過,有時候則會跑到木星后面。于是,伽利略想到:這不就可以拿來作為天鐘么!

這樣,只需找個標準地區(qū),算出在當?shù)赜^測到未來木星衛(wèi)星食的每一次發(fā)生時間,那么在航海中的船員只需看看同樣的衛(wèi)星食在自己這里幾點發(fā)生,算出時間差,就可以計算出經(jīng)度了。太棒了!

但是,這個方法出現(xiàn)兩大難點:

第一,木星太小了,我們看不清。

伽利略用望遠鏡觀測到木星衛(wèi)星時,非常激動地跑到羅馬,給大家看“你看我發(fā)現(xiàn)了衛(wèi)星群”,但是,很多人即使親眼看了都不信。其中固然有教會對伽利略新思想的打壓,但很大一部分原因是,伽利略的望遠鏡成像非常糟糕。跟我們現(xiàn)在在科普書里看到的絢麗插圖不一樣,衛(wèi)星群在里面僅僅是暗淡的光點,而且他用的是折射望遠鏡,由于不同顏色光折射率不一樣,有時候鏡片邊緣會出現(xiàn)光圈,總之這東西看上去很不可信。要等大半個世紀后牛頓發(fā)明反射望遠鏡才會好不少。

能看到下面這種效果的望遠鏡,就算是不錯的了:

天鐘派的艱辛起源:伽利略的木星天鐘法

第二,木星太遠了,我們對不準。

木星衛(wèi)星群必須放大很大倍數(shù)才能出現(xiàn)在望遠鏡里,要求鏡筒嚴格對準才行。但是,在海員航海過程中,船只一直顛簸,稍微偏一點就對不上木星了?;緵]法完成正常觀測。

這個招數(shù)在船上肯定是用不了了,那在不顛簸的陸地上,由專業(yè)的天文學家進行觀測,是不是就可以測量好當?shù)亟?jīng)度吶?

答案是:在陸地上就好多了,但是面臨另一大問題,木星衛(wèi)星食的時間表不好算。

伽利略對木星衛(wèi)星軌道運算基本憑經(jīng)驗,那時候剛有開普勒的行星三定律,還沒出生的牛頓還沒有發(fā)現(xiàn)萬有引力定律,也沒和萊布尼茨發(fā)明用來計算天體軌道最基本的工具微積分。所以,要計算未來衛(wèi)星運轉(zhuǎn)位置,基本靠蒙。

看過《三體》的同學都知道,三體問題是混沌無解的,只能通過微積分不斷逼近。伽利略面臨的衛(wèi)星食問題,是包括太陽、木星和四大衛(wèi)星的六體問題。太不好算,真正后來對木星衛(wèi)星群的六體問題給出一個不錯的解的是拉格朗日,他靠著這篇論文獲得了法國科學院的征文大獎。

看不清、對不準、算不明,伽利略的木星天鐘法最終失敗。

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