日食表明错误的物理学可以产生正确的结果

每隔几年，在太阳黯淡的几分钟里，科学就会闪耀光芒。

日全食对目击者来说，就像是一种宗教体验。对理解日全食的人来说，它象征着科学在理解天空方面战胜了神话。

在古希腊，先驱哲学家们意识到，日食说明了奇妙的现象不需要虚幻的解释。日食不是魔术或幻觉；当一个天体挡住了另一个天体时，日食自然发生。公元前四世纪，亚里士多德认为月食提供了强有力的证据，证明地球本身是一个球体（而不是像一些原始哲学家所认为的那样是平的）。当月食变暗时，前进的阴影边缘是一条曲线，显示了地球表面在月球和太阳之间的曲率。

经常被提及的传说是，第一位著名的希腊自然哲学家米利都的泰勒斯甚至预言了公元前 585 年在土耳其发生的日食。但关于这一预言的唯一记载来自一个多世纪后的历史学家希罗多德。他声称在一场激烈的战斗中“白天突然变成了黑夜”，正如泰勒斯所预测的那样，那一年的某个时候就会发生这种情况。

公元前 585 年曾发生过一次日食，但泰勒斯不太可能预测到。他可能知道月食发生时月亮会遮住太阳。但当时没有数学方法可以让他说出日食发生的时间——除非是幸运的巧合，因为日食可能在月食之后的某个周期发生。然而，即使这样似乎也不太可能，新的分析上个月在网上发布的发现。

天文学家写道：“一些学者断然否认了这一预测，而另一些学者则努力寻找一个可以实现这一预测的数字周期。”米格尔·克雷杰塔他指出，许多这样的周期已经被排除。他对另外两个周期的评估得出结论：“这些猜想都不能被视为对泰勒斯有问题的预测的严肃解释：除了需要长期和精确的日食记录外——这两个被研究过的周期都忽略了许多符合可见性标准的日食，因此，所提出的模式似乎消失了。”

古巴比伦人确实根据月食间隔的规律制定了预测月食的方法。著名的希腊安提基希拉机械装置从公元前二世纪开始，人们似乎已经利用这样的周期数据来预测一些日食。

古希腊天文学家，例如喜帕恰斯（公元前 190-120 年左右）研究了日食以及导致日食发生的地球、月球和太阳的几何关系。然而，只有通过对宇宙进行精细的数学描述（借鉴了 Hipparchus 的工作），才能充分理解这些关系并做出合理准确的预测。克劳狄斯·托勒密公元二世纪，他推导出解释天体运动的数学公式，假设地球静止地位于宇宙的中心。

他的系统规定了日食的基本条件：必须是新月时——即月亮和太阳位于地球的同一侧——并且它们的轨道位置还必须穿过黄道，即太阳在天空中的视轨道平面。（月球以微小的角度绕地球公转，每月两次穿过黄道平面。）只有精确计算太阳和月亮在其轨道上的运动，才有可能预测日食发生的日期。

预测日食发生时间与预测日食发生的准确位置并不完全相同。为了准确预测日食，需要考虑微妙的引力相互作用。精确显示全食路径的地图（例如美国大日食2017 年的日食观测）只有在艾萨克·牛顿 17 世纪的万有引力定律（以及进一步发展利用该定律的数学工具）的帮助下才有可能实现。尽管如此，托勒密还是开发了一个系统，从原则上展示了如何预测日食何时发生。但奇怪的是，这一成功是基于一个严重错误的宇宙结构蓝图。

作为哥白尼16 世纪有说服力的论证表明，地球绕太阳公转，而不是太阳绕地球公转。托勒密的几何学也许是正确的，但他的物理学却是倒退的。虽然他证明了数学对于描述自然和预测物理现象至关重要，但他无意中表明数学即使不正确也可以成功。

但责怪他是不对的。在古代，数学和科学是分开的事业（科学当时是“自然哲学”）。天文学被认为是数学，而不是哲学。天文学家的目标是“拯救现象”——用与观察相对应的数学正确地描述自然，而不是寻找这些观察的根本物理原因。托勒密的数学论文，天文学大成，讲的是数学，而不是物理。

哥白尼的伟大成就之一就是将数学与他的系统的物理现实相结合。他认为太阳位于宇宙的中心，地球是一颗行星，就像以前认为绕地球旋转的其他行星一样。哥白尼为以太阳为中心的行星系统制定了数学公式。这个系统比托勒密的系统更简单。而且它同样适合预测日食。

但事实证明，即使是哥白尼也未必完全正确。他坚持认为行星轨道是圆形（经过次级圆，即本轮修正）。事实上，行星轨道是椭圆形。科学界经常出现这样的情况：数学上成功的理论有时只是近似正确，因为它们是基于对基础物理学的错误理解。即使是牛顿的引力定律，结果也只是一个很好的数学解释；他所相信的绝对空间和不变的时间流动并不是我们生活的宇宙的准确表述。爱因斯坦意识到了这一点，并发展出引力是质量存在引起的时空曲率的观点。

当然，要证明爱因斯坦是对的，就需要亚瑟·爱丁顿和他的同事在 1919 年的一次日食期间仔细测量太阳附近的星光弯曲情况。幸好他们知道何时何地去观测它。

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