早期天文学家是如何观测天体运动的？ 汪有，喂我写本书你们看嘛？科学史方面的。。 楼主主要从第谷、开普勒问起，主要想了解的又是“在没有精密仪器之前”的这段历史。本答案将讲述从第谷到赫歇尔的一段天文学观测仪器的演变历史，在这两百年间，天文学家手中的武器从肉眼观星仪器进化为多种型号的望远镜，奠定了现代天文学的基础。此外，本文还会对同期西方天文思想在中国的传播进行简单涉猎。 回答开始 裸眼观星的极限——布拉赫·第谷 在一整个西方世界进行精密天文观测，大概要从布拉赫·第谷算起。与其它后世的所有天文学家迥异，第谷的时代，望远镜还没有走上历史舞台，所以第谷观星，靠的是裸眼。 第谷·布拉赫生于贵族之家，12 岁入读哥本哈根大学。他首次进行连续的观星研究，是在 1572 年冬。那一年是中国的隆庆六年，明帝国穆宗皇帝已在当年春驾崩，万历皇帝刚刚即位。入冬，钦天监观测到华盖星附近有客星出现，史载“隆庆六年冬十月丙辰，彗星见于东北方”。此刻，远隔千山万水的丹麦，与明帝国史官同时见证这一客星的，正是年轻的第谷，在隆庆彗星刚刚出现在华盖星也正是西方星表的仙后座区域时，第谷一眼就看到了它。通过连续观测，他认为这不是彗星，而是一颗超新星，并创造单词 Nova 予以阐述。 凭借发现超新星赢得的声名，在 1576 年第谷受到丹麦国王腓特烈二世的邀请，在哥本哈根附近的汶岛建立西方科学史上的首个大型天文观测基地。国王慷慨地拨下巨款，建立起宏大的天文台、仪器所及印刷厂。在汶岛，第谷与他前后近百位学生与工匠进行了二十几年的观测。 天文台里装配的，是第谷精心设计打造的肉眼观星仪器，巨大的铜环在仪器所被铸造，刻度被一一标明。其中最有名的仪器是第谷的墙仪：四分之一个圆弧被钉在墙上，用以测量星体的高度。 第谷的观测绘图，注意第谷身后的墙象限仪。插图引自维基百科，布拉赫·第谷词条 1600 年，布鲁诺被执行火刑的同年，第谷开始培养约翰尼斯·开普勒成为自己的接班人。 开普勒生于神圣罗马帝国，算是今天的德国人，比第谷年轻二十五岁，在大学时代便接触到了哥白尼的日心理论。 他们的师生情谊并没有维持太久，布拉赫·第谷病逝于第二年布拉格的深秋。 布拉赫·第谷如今被视为最后一位以肉眼观星的大师，被称作“星学之王”，他的观测数据后来被学生开普勒编写入《鲁道夫星表》，精度超过哥白尼的二十倍，达到了肉眼的极限。而他留下那些精致的天文仪器再没有被珍视过，那些仪器积满尘土，最后在三十年战争中的一场大火中毁于一旦。 科学观测双星——伽利略、开普勒 让第谷的观星仪器成为历史的，是当时在帕多瓦大学工作的伽利略。当时在遥远的荷兰，已经有磨镜师制造出粗糙的望远镜原型。伽利略并没有看到过荷兰望远镜的原型，仅仅听过原理，便自己制出了颇具精度的天文望远镜。发现了月球的环形山、木星的四颗卫星以及金星的盈亏，为哥白尼的日心说奠定铁证。 伽利略展示使用望远镜。插图摘自维基百科伽利略词条。 开普勒无疑也懂得望远镜的可贵，他一直将望远镜称作“天空的权杖”，还亲身参与到望远镜的改进当中来，写了一本《屈光学》，其中对伽利略的望远镜进行了细致的探讨。不过，和他的老师第谷不同，开普勒不怎么观星。 这倒不是因为他懒，开普勒从老师那里继承了近四十年来的珍贵观测数据，也继承了神圣罗马帝国皇家数学家的席位，这些珍贵的数据已经足以帮助开普勒完成他的研究。开普勒通过研究火星轨道，发现根据以传统圆形轨道对火星运转的方位预估，无论怎样调整，都会与老师的观测数据产生至少 8 个弧分的偏差。他相信如果数据无误，只可能是模型有了问题。最终，开普勒扬弃了沿用两千年的圆形轨道系统，确定了行星的轨道是椭圆形。理论终于和数据开始严丝合缝地吻合起来，日心说的最后障碍已被清除。 然而，伽利略的望远镜，还存在着非常严重的缺陷。 伽利略的望远镜还是折射望远镜，由于不同颜色的光折射率也不同，一旦放大倍数增大，镜片边缘处就会出现明显的色差光圈。伽利略的望远镜曾经拿到罗马展览，展出期间许多名流都透过透镜看到了木星的四颗卫星，可依然有很多人认为那不过是伽利略事先安装在镜筒里的玩具。这当然不仅仅出自传统思想的禁锢，更在于伽利略的望远镜周边出现的色差光圈非常明显，让观测者很难相信伽利略没在别的地方上动什么手脚。 现代折射望远镜的色差，注意月亮边缘的光圈。 于是，为了消除色差，后代的天文学家分道扬镳，提出了两套解决方案：第一派是长焦距望远镜法，第二派是反射望远镜法。第一派的代表人物是法国科学院奠基人、光学宗师惠更斯。第二派是牛顿。 长焦距望远镜法——惠更斯 色差出现的原理非常简单，是光线在镜片边缘产生折射所致，镜片越厚，折射率越强，光圈也就越明显。于是，最简单粗暴的解决方法就是：找一块平一点的镜片。 但是，如果折射率太低，放大倍数就不够了诶，怎么办？ 加长焦距。 镜筒被大大加长后，已经出现了镜筒长达 45 米的望远镜，需要建造一座塔来支撑。光学大师惠更斯创造性地抛弃了镜筒，设计“天空望远镜”，他直接把巨大的物镜安在高塔之上，然后观测者站在几个街区外，手持目镜对着物镜进行观测。当时路人看着天文学家手持放大镜对着远方的高塔，目光之中充满惊诧。 惠更斯的天空望远镜，没有镜筒，左下角的观测者手持目镜，对准右上角高塔上的物镜进行观测。插图取自《十六、十七世纪科学、技术和哲学史》 反射式望远镜——牛顿 牛顿直接设计出反射望远镜，放弃透镜的设计，而是使用凹面反光镜来聚拢光线，由于任何颜色的光线入射角与反射角都精确相等，一举消除了折射望远镜的成像光圈。1671 年巴罗把牛顿的望远镜模型带到皇家学会，立即引起轰动。这个设计精巧长度仅有十几公分的小玩意，威力已经超过了镜筒几米长的老式工具。令刚刚就任的皇家天文学家、后来的首任格林尼治天文台长弗拉姆斯蒂德爱不释手。 英国皇家科学院迅速行动起来，以同样原理制作出两架更大的反射望远镜，供天文观测所用。他们向已在法国皇家科学院就任的惠更斯专门致函，确保牛顿的发明优先权为外界所知。一年后，牛顿顺理成章地当选皇家科学院院士。 牛顿的反射望远镜复刻版，插图为我购买日本《大人的科学——牛顿望远镜》模型组装后自行拍摄。 惠更斯的天空望远镜日后逐渐淡出历史，牛顿的反射望远镜设计则一直应用到今天，历代天文学家在其基础上多加改良，应用原理一直如初。今天，反射式望远镜不仅安装在各大天文台，更被发射至太空，其中最著名的一个，便是美国国家航空航天局发射的哈勃望远镜。 天文台军备竞赛——英国格林尼治天文台、法国巴黎天文台、北京建国门天象台的建立 1671 年，经过五个春秋的建设，法国皇家科学院的巴黎天文台最终落成。继惠更斯之后加盟法国科学院的卡西尼成为巴黎天文台的执掌者。天文台设计成城堡状，配备高大的窗子方便采光，屋顶平坦开阔。那时牛顿望远镜尚未普及，这种建筑设计也不适合摆放长焦距望远镜，卡西尼在惠更斯高空望远镜的基础上加以改良，在天文台侧面搭建近 40 米的木塔进行观测。巨大的望远镜高度已经超过了故宫天安门，一直持续应用到长焦距望远镜过时。 十七世纪的英国人并不准备在这场天文学界的军备竞赛中落后，隶属于英国皇家科学院的皇家格林尼治天文台于 1675 年在快活王查理二世的资助下启动。皇家天文学家约翰·弗兰斯蒂德（John Flamsteed）成为格林尼治的负责人。 与格林威治今日的显赫有别，在建立伊始，天文台还尚显寒酸，连观测仪器都难以配齐。弗兰斯蒂德殚精竭虑地为天文台奔走不休，靠着手下唯一的一个每日算计工钱却不愿出力的拙劣工人，以一己之力，对天文台不断加以建设完善。 格林尼治天文台的墙象限仪，与第谷的墙仪非常接近。插图取自《十八世纪科学、技术和哲学史》 当时在法国，巴黎天文台并没有设置官方台长职位，卡西尼只是实际上的负责人。每个观测员各自为政，出于法国式的散漫和效率低下，经常偷懒旷工，观测贡献远不能说出色。而英国一方，格林威治天文台情况只会更糟，弗兰斯蒂德孑然一身地居于天文台中，没有观测助手可资利用。他如同一个被遗忘在大洋寂寥灯塔上的守望人，在这座伦敦郊野的天文学灯塔上开始了漫长达四十年的观测。他最后一版的观测成果在他过世六年后的 1725 年出版，巨大的星表上列明了三千颗恒星的观测数据，是布拉赫·第谷一个世纪前的《鲁道夫星表》的三倍。 与之巧合的是，当此之时，地球彼端的东方清帝国，也在进行的天文台的更新换代。当时掀起中西方历法之争的康熙历狱已经平息，传教士汤若望作古，明末清初培养起来的一批天文观测人才在这一场政治斗争中凋零殆尽。汤若望的助手，比利时传教士南怀仁如履薄冰，终于逆转入主钦天监。 南怀仁上任后，开始对北京建国门观象台加以改造，历经四年铸造六件铜质天文仪器，用于测定天体的黄经赤纬、地平象限以及天象推演。观象台的改造正赶上英法两国的天文台军备竞赛，它晚于巴黎天文台一年，早于格林威治天文台两年。 然而，南怀仁的仪器改造走上了一条邪路。他参照第谷的设计，又吸取中国古朴的造型艺术。西方天文仪器在第谷之后又经历了七十年间历任光学大师的推动，已经远非南怀仁离开欧洲时的知识储备可以比拟。当英法两国分别在反射式望远镜和长焦距望远镜的路上渐行渐远之时，南怀仁还在研究如何把中国的造型融入早已被淘汰的裸眼观星仪器，他把仪器底座全换成了飞龙装饰，虽然造型美观但对观测毫无裨益，而且也不便搬运。反应迟缓的清帝国从此走到歧路交点，就此与西方文明擦肩而过。 南怀仁的黄道经纬仪，引自百度百科 天文望远镜集大成者——赫歇尔 牛顿的反射望远镜，基本上解决了天文学家的需要，巨大的镜筒许久不再现于历史。英法两国天文台满足于牛顿的设计，并在此上略加修补。天文望远镜发展长期限于停滞。 直到百年之后，十八世纪下半叶，英法两国的天文台在一个业余天文爱好者的作品前哑然失色。 威廉·赫歇尔生于当时尚在英国国王治下的汉诺威，当时出仕于英国巴斯教廷，任宫廷音乐家，身后留下 24 首交响乐、7 首小提琴曲和两部管风琴协奏曲。 他几乎将全部的业余时光投入到天文观测里，全凭自修，造出了那个时代精度最高的天文望远镜，令英法两大官方天文台都为之汗颜。他拥有的最高性能的望远镜放大倍数超过了两千倍，而同期皇家天文学家马斯基林拥有的最好设备放大倍数也不过是 270 倍。 根据山东画报出版社翻译的权威作品《剑桥插图科学史》中，提到了他最著名的一架作品：四十足望远镜（40 foot telescope）。——是什么样的望远镜，竟然需要四十个足来进行固定支撑呢？ 答案是：编辑把关不牢，那明明应该翻译为“四十英尺望远镜”。 赫歇尔的 40 英尺望远镜。插图取自维基百科赫歇尔词条。 这部望远镜长度达到了 12 米，有三层楼之高。铸造过程非常复杂，铸造期间曾经出现过多次事故。使用之时需要由赫歇尔站在高台之上，然后指挥一组工人进行繁复的操作，通过机械传动将镜筒对准他想要的天区。 12 米长的镜筒不利操作，赫歇尔大部分的发现是通过一台小型的七英尺望远镜做出，不过就算是这台小型产品，性能也把格林尼治的产品甩在了后面。靠着高性能的工具，赫歇尔一生中一共进行了四次巡天观测，意欲在弗兰斯蒂德和卡西尼的基础上进一步完善现有星图。 威廉·赫歇尔后来被称作恒星天文学之父，是英法两大科学院的会员，而他的科学之旅，全赖他精密的观测仪器所赐。七英尺望远镜制成三年后，1781 年，在赫歇尔的镜筒指向金牛座天区时，一个星图上未曾标出的细小的光点闯入了赫歇尔的视野。 那一晚，他发现了天王星。 当然，那就是另外一个故事了。 the end p.s. 关于康熙年间的中西方历法之争，参见学术界有哪些知名的争吵？ - 汪有的回答 的《番外篇》部分。 关于赫歇尔发现天王星的故事，参见：除科学史研究之外，历史文献对科研还有哪些用处？ - 汪有的回答 最后上广告！欢迎来关注我的新浪微博：Sina Visitor System @汪有 欢迎点击关注，来我的微博找我玩耍！ 查看知乎原文
