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讓世人驚呆了的「日心說」在提出的開始,根本就不受重視?!——《全球科技大歷史》

azothbooks_96
・2019/12/03 ・2882字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 527 ・七年級
  • 作者:吳軍

文藝復興之後,出現了科學史上第一個震驚世界的成果—日心說。

不被重視的「重磅消息」

以托勒密地心說為基礎的儒略曆經過了 1300 多年的誤差累計,已經和地球圍繞太陽運動的實際情況差了 10 天左右,用它指導農時經常會誤事。因此,制定新的曆法迫在眉睫。1543 年,波蘭教士哥白尼發表的《天體運行論》提出了日心說。雖然早在西元前 300 多年,古希臘哲學家阿利斯塔克(Aristarchus,約前 315∼前 230 年)就已經提到日心說的猜想,但是建立起完整的日心說數學模型的是哥白尼。

《天體運行論》中哥白尼的宇宙觀。圖/wikimedia

身為神職人員,哥白尼非常清楚他的學說對當時已經認定地球是宇宙中心的天主教來說無疑是一顆重磅炸彈,因此,他直到去世前才將自己的著作發表。不過,哥白尼的擔心在一開始時似乎顯得多餘,因為在接下來的半個世紀裡,日心說其實很少受到知識階層的關注,教會和學術界(當時微弱得可憐)既沒有贊同這種新學說,也沒有刻意反對它,而只是將它作為描述天體運動的一個數學模型。有時候最可悲的事情並非到處是反對的聲音,而是一種可怕的寂靜。日心說剛被提出來的時候,就面臨著這樣一種尷尬的處境。

為什麼我們今天認為的具有革命性的日心說在當時並不受重視呢?這主要有兩個原因。

首先,日心說和當時人們的常識相違背,因此,人們只是把它當作不同於地心說的數學模型,而非描繪星球運動規律的學說。其次,哥白尼的日心說模型雖然比托勒密的地心說模型簡單,但是沒有托勒密的模型準確,因此,大家也不覺得它有什麼用。

1582 年,教皇格里高利十三世(又譯作額我略十三世)頒布了新的曆法(格里曆),完全是出於經驗把曆法調整得更準確,與哥白尼的新理論並無關係。既然不重要,自然就沒有多少人關注它,支持日心說的人也就更少了。

日心說與地心說的生死對決

不過,半個多世紀之後,哥白尼所擔心的驚濤駭浪終於到來,因為一位義大利神父迫使教會不得不在日心說和地心說之間做出二擇一的選擇,他就是焦爾達諾.布魯諾(Giordano Bruno, 1548-1600)。在中國,布魯諾因為多次出現在中學課本裡而家喻戶曉,他在過去一直被宣傳為因支持日心說而被教會處以火刑,並且成了堅持真理的化身。

焦爾達諾·布魯諾。圖/wikimedia

事實上,雖然上述都是事實,並且在布魯諾之後的很長時間裡,教會也是反對日心說的,但是這幾件事加在一起並不足以說明「因為教會反動,反對日心說,於是處死了堅持日心說的布魯諾」。真相是,布魯諾因為泛神論觸犯了教會,同時到處揭露教會的醜聞,最終被作為異端處死。而布魯諾宣揚泛神論的工具則是哥白尼的日心說,這樣,日心說也就連帶被禁止了。

應該說,布魯諾是一個很好的講演者,否則教會不會那麼懼怕他。但是,科學理論的確立靠的不是口才,而是事實,因此,布魯諾對日心說的確立事實上沒有產生多大作用。第一個拿事實說話支持日心說的科學家是伽利略。

科學研究在教會權威面前不得不低頭的時代

1609 年,伽利略自己製作了天文望遠鏡,發現了一系列可以支持日心說的新的天文現象,包括木星的衛星體系、金星的滿盈現象等,這些現象只能用日心說才解釋得通,地心說則根本解釋不通。這樣一來,日心說才開始被科學家接受,而被科學家接受是被世人接受的第一步。

1611 年,伽利略訪問羅馬,受到了英雄般的歡迎。由於有梅迪奇家族在財力和政治上的支持,伽利略的研究工作進展得非常順利。同年,他準確地計算出木星衛星(四顆)的運行週期。出於對梅迪奇家族的感激,伽利略將這四顆衛星以梅迪奇家族成員的名字命名。

伽利略自己製作天文望遠鏡,發現了一系列支持日心說的天文現象。圖/wikimedia

正當伽利略在天文學和物理學上不斷做出成就時,當時的政治環境已經對他的研究非常不利了。

從文藝復興開始直到 16 世紀末,羅馬的教皇都是一些懂得藝術、行事溫和的人,其中有四位本身就來自梅迪奇家族。1605 年,來自梅迪奇家族的利奧十一世教皇去世了,這標誌著這個影響了歐洲幾百年的家族對政治的影響力開始式微。

17 世紀初,羅馬教廷的權威由於受到來自北方新教(宗教改革後的路德派和喀爾文派)的挑戰,開始變得保守,並開始打擊迫害持異端思想的人。在這個背景下,1616 年,教會裁定日心說和《聖經》相悖,伽利略也因此受到指控。

不過,教會並沒有禁止將日心說作為數學工具教授。1623 年,伽利略的朋友烏爾巴諾八世(Pope Urban VIII, 1568-1644)當選為教皇,新教皇對這位大科學家十分敬重,反對 1616 年對他的指控,至此,事情似乎要出現轉機。烏爾巴諾八世希望伽利略寫篇文章,從正反兩個方面對日心說進行論述,這樣既宣傳了科學家的思想,也維護了教會的權威。伽利略答應了,但是等他把論文寫完,卻惹了大禍。

《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》。圖/wikimedia

伽利略在他的這篇大作《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》中,讓一個叫辛普利西奧(Simplicio,即頭腦簡單到白痴的意思)的人為地心說辯護,所說的話也是漏洞百出,伽利略甚至把烏爾巴諾八世的話放到了辛普利西奧的嘴裡。這樣一來,他徹底得罪了教會。

當時,梅迪奇家族的家長費爾南多二世(Ferdinando II de’ Medici, 1610-1670)是伽利略的保護人,雖然他多方周旋試圖保護伽利略,但是仍無濟於事。伽利略在生命最後的十年回到佛羅倫斯的家中,著書立說,於 1642 年走完了他傳奇的一生。

簡單易懂的橢圓軌道模型,讓日心說更被接受

幾乎與伽利略同時代,北歐的科學家第谷.布拉赫(Tycho Brahe, 1546-1601)和他的學生克卜勒(Johannes Kepler, 1571-1630)也開始研究天體運行的模型。最終,克卜勒在他的老師第谷幾十年觀察數據的基礎上,提出了著名的克卜勒三定律,將日心說的模型從哥白尼的很多圓相互嵌套改成了橢圓軌道模型,這樣他就用一根曲線將行星圍繞恆星運動的軌跡描述清楚了。克卜勒的模型如此簡單易懂,而且完美地吻合了布拉赫的觀測數據,這才讓大家普遍接受了日心說。

橢圓軌道模型。圖/GIPHY

當然,克卜勒在天文學家中並不是特別聰明的,可以說他的一生是一個錯誤接著一個錯誤,但是他的運氣特別好,最終找到了正確的模型。從這件事可以看出,信息(天文觀測數據)對科學的重要性,一方面是因為科學的假設都需要信息來驗證,另一方面提出新的模型也離不開掌握前人所沒有的信息。無論是托勒密提出大小圓嵌套的地心說模型,還是克卜勒提出橢圓的日心說模型,都得益於數據。

不過,以克卜勒的理論水準,並無法解釋行星圍繞太陽運動的原因,更無法解釋為什麼行星圍繞太陽運行的軌跡是橢圓的。這些問題要等偉大的科學家牛頓去解決。

——本文摘自《全球科技大歷史》,2019 年 9 月,漫遊者文化出版。

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azothbooks_96
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推開地獄之門?冰島開挖全球首座「火山岩漿井」,開啟地球科學新篇章!

安比西林_96
・2021/10/20 ・2720字 ・閱讀時間約 5 分鐘

水井、石油井和天然氣井大家都知道,但你有聽過「岩漿井」嗎?最近,冰島著手開挖全球第一座「火山岩漿井」。這似乎是一個瘋狂的主意,滾燙的岩漿可高達攝氏上千度,還可能伴隨著可怕的火山災害。不過這個前所未有的大膽計劃,不僅具備新興可再生能源的巨大潛能,更有望開啓地球科學的新篇章!

冰與火之地——冰島,100% 依靠可再生能源的國家

落在北極圈邊緣的冰島(Iceland),擁有壯闊冰川與絢麗極光,同時也是地球上火山活動最頻繁的地區之一,可謂名副其實的「冰與火的國度」。這座大約 1500 萬年前才因火山活動形成的年輕島嶼,因位在大西洋中洋脊[註1]之上,受到歐亞大陸板塊與北美洲板塊往各自方向的拉扯,而有著 32 個活躍的火山系統,且平均每 4 年就會發生噴發。

圖/wikimedia

除了令人屏息的天然極地美景,冰島更是全球綠能國家中的模範生。得天獨厚的地理條件,讓冰島超過 99% 的電力都是依靠可再生能源,其中 73% 的電力源自水力發電,另 26.8% 則來自地熱能。在可再生能源,尤其是地熱能的開發應用技術上領先世界的冰島,在地發電厰不單是觀光旅游的賣點之一,更吸引了不少國外的投資入駐,以降低企業的碳足跡。

延伸閲讀:利用地球的熱情發電吧:深層地熱發電

通往「地獄」之門,也是推開科學新研究的大門

地熱能開發技術純熟的冰島,在 2009 年的一次鑽探中,卻遇到了意想不到的變故:原本想開挖深達 4500 公尺下的熱水,沒想到卻在 2100 公尺處挖到了一個岩漿庫[註2]!這此的開挖位於冰島北部的 Krafla 火山口附近,一個較小火山口 Víti (冰島語中正是「地獄」之意)邊上。

大量的蒸汽與玻璃從鑽孔中噴湧而出,在鑽探套管報廢之前,還觀測到破紀錄的 900°C 高溫。原先的計劃被迫喊停,但科學家卻從中看到進行地科研究的大好機會。

2009 年時,原先要鑽探地熱井的冰島團隊,卻意外挖到了一口岩漿井。圖/science.org

這起事故,促成了克拉夫拉岩漿試驗臺( Krafla Magma Testbed,簡稱 KMT)研究計劃的誕生。時隔多年籌備,這個備受矚目與期待的計劃,在國際大陸科學鑽探計劃(International Continental Scientific Drilling Program)與多個科研機構的支持資助下,終於於今年展開。這一次,科學家們帶著更堅實的鑽探工具,與明確的鑽研目標,要來敲開通往「地獄」的大門。

「我們曾去過火星,也到過金星,但我們從未觀測過地表下的岩漿。」意大利國家地理物理與火山學的研究主任 Paolo Papale 如是説道。

過去火山學家一直缺乏直接觀測地底岩漿的機會,只能仰賴地震儀、GPS 感測系統和雷達衛星,來推測岩漿的運動。儘管他們可以調查噴發到地表的熔岩,但這些已固化的樣本,早已失去大部分原本所含有的氣體。這些氣體是驅動火山噴發,影響岩漿原始溫度、壓力與成分的關鍵。

自 2009 年與這口岩漿井打交道以來,科學家確認它的脾氣相當溫和,並無噴發的太大風險,加上位處偏僻無人居住之地,因此非常適合進行研究。未來若從 KMT 取得新鮮熱辣的岩漿樣本,將可用來驗證過去科學家對於岩漿的認知是否屬實。

地底下的岩漿,揭開大陸形成的秘密

地球大部分海床,都是由玄武質熔岩[註3]構成,冰島也不例外 。然而組成大陸地殼的花崗岩,卻是由另一種更粘稠、富有二氧化矽的流紋質岩漿而來,而 KMT 岩漿井底下的就是流紋質岩漿。

為什麽構成海床與大陸地殼的熔岩種類有所差異?科學家相信,探究以玄武岩為主要構成的冰島上的流紋質岩漿樣本,將揭秘這個地質科學中很基本,卻未解決的問題。

要長期監測岩漿井的溫度、氣壓、化學成分等參數,實實在在地挑戰人類科技的極限,因為靠近岩漿處的溫度可是超過攝氏一千度。鑽探團隊正測試各種能耐高溫及膨脹的器械,而科學家也在研發各種可抵抗高溫高壓的新型偵測器。

這些研究成果不僅能用於地球科學,有朝一日更可能造福太空探索,如被運用在登陸太陽系中環境最惡劣的金星上。

水手 10 號拍攝的金星,由可見光與紫外光影像疊合而成,可見其表面被一層厚厚的硫酸雲遮蓋。圖/維基百科

一口岩漿井,將成為世界重要的火山學中心

KMT 引領科技的創新,也為冰島的地熱能產業帶來突破的機會。越靠近熾熱的岩漿,利用地熱能發電的效率便會增倍,這麽一來便可減少為了滿足能源需求而開挖的地熱井數量,降低對周圍環境造成的衝擊。光是在 2009 年意外挖掘的這一口岩漿井,就具備可以供應一整個小鎮電力的潛能。

開挖岩漿井時,需要注入大量的水來冷卻與潤滑鑽頭,這個對火山系統進行擾動的過程,也提供科學家一個瞭解火山運動的絕佳觀測機會。進行鑽探後,地震波速度發生的改變,也可透露岩漿流動的範圍。透過探究這些細微的火山運動變化,科學家能更好預測火山的噴發,讓我們能建立更整全的火山預警系統。

「十年後,這裏將可能成為火山學的中心。」冰島地熱研究中心科學主管 Ottó Elíasson 這麽認為。觀察地底下流動的岩漿,就像在瞭解地球的脈動,可以告訴人類更多關於這顆星球的故事,更能帶領我們走向更多科學新的可能性。

註釋

  1. 大西洋中洋脊(Mid – Atlantic Ridge,又稱中大西洋帶),是橫跨大西洋及北冰洋、大部分地區位於海底的山脈。
  2. 岩漿庫(Magma chamber,又稱岩漿房),是地球表面下一至十公里處由熔岩和火山灰氣體形成聚集之處。由於其內的岩漿密度比周圍的母岩來得低,因此會產生使岩漿往上移動的浮力。如果出現可讓岩漿通往地表的管道,便會造成火山噴發。
  3. 玄武岩(basalt),由基性岩漿噴發凝結而成,主要成分是矽鋁酸鈉或矽鋁酸鈣,是一種細粒緻密的黑色火成岩。玄武岩質熔漿被認為源自地球的上部地函。

延伸閱讀

參考資料

  1. Forget oil or water. In Iceland, well diggers seek to tap a volcano’s magma
  2. VisitIceland – Geography of Iceland
  3. VisitIceland – Renewable energy
  4. Magma chamber
  5. Krafla Magma Testbed
  6. Rhyolite
  7. Basalt

安比西林_96
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本職為生態環境領域的可撥煙酒生。 不定時掉落科普文章。 大家一起嗑科科(❍ᴥ❍ʋ)
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