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哥白尼的日心说 关于哥白尼的日心说

  哥白尼(Nicolaus Copernicus,1473~1543) 是伟大的波兰天文学家,日心说的创立者,近代天文学的奠基人。

  1473年2月19日生于波兰维斯瓦河畔的托伦城。10岁丧父,由舅父瓦琴洛德扶养。18岁时进克拉科夫大学,在校受到人文主义者、数学教授布鲁楚斯基的熏陶,抱定献身天文学研究的志愿。三年后转回故乡。当时已任埃尔梅兰城大主教的瓦琴洛德,派他去意大利学教会法规。1497~1500年间他在波洛尼亚大学读书,除教会法规外,还同时研究多种学科,尤其是数学和天文学。对他最有影响的老师是文艺复兴运动的领导人之一、天文学教授诺法腊。

  哥白尼在意大利的时候,因他舅父的推荐,于1497年被选为弗龙堡大教堂僧正。1501年他从意大利回国,正式宣誓加入神父团体,但随即又请假再次去意大利。先在帕多瓦大学,同时研究法律与医学。1503年,在费拉拉大学获得教会法博士学位。1506年,哥白尼从意大利回到波兰。1512年他舅父死后,他就定居在弗龙堡。作为僧正的哥白尼,职务是轻松的。他把大部分精力都用在天文学的研究上。

  哥白尼从护卫大教堂的城墙上选一座箭楼做宿舍,并选择顶上一层有门通向城上的平台作为天文台。这地方后来被称为“哥白尼塔”,自十七世纪以来被人们作为天文学的圣地保存下来。

  在欧洲中古世纪,天文学的宇宙模型是托勒密的地心体系。这种体系认为地球静止地居于宇宙中心,太阳、月球、行星和恒星都绕地球转动,故又称“地球中心说”、“地心说”或“地静说”。这一学说最初为欧多克斯和亚里士多德所倡导。后来,古希腊学者阿波隆尼提出本轮均轮偏心模型。约在公元140年,亚历山大城的天文学家托勒密在《天文学大成》中总结并发展了前人的学说,建立了宇宙地心体系。这一体系的要点是:①地球位于宇宙中心静止不动。②每个行星都在一个称为“本轮”的小圆形轨道上匀速转动,本轮中心在称为“均轮”的大圆轨道上绕地球匀速转动,但地球不是在均轮圆心,而是同圆心有一段距离。他用这两种运动的复合来解释行星视运动中的“顺行”、“逆行”、“合”、“留”等现象。③水星和金星的本轮中心位于地球与太阳的连线上,本轮中心在均轮上一年转一周;火星、木星、土星到它们各自的本轮中心的直线总是与地球—太阳连线平行,这三颗行星每年绕其本轮中心转一周。④恒星都位于被称为“恒星天”的固体壳层上。日、月、行星除上述运动外,还与“恒星天”一起,每天绕地球转一周,于是各种天体每天都要东升西落一次。

  托勒密适当地选择了各个均轮与本轮的半径的比率、行星在本轮和均轮上的运动速度以及本轮平面与均轮平面的交角,使得按照这一体系推算的行星位置与观测相合。在当时观察精度不高的情况下,地心体系大致能解释行星的视运动,并据此编出了行星的星历表。按照这个理论预报日食、月食准确度达到一两个小时之内。既然本轮—均轮学说与人们当时对天体观测的各种数据相符合,又能预报一定的天象变化,这样的地心说,就不是一种猜想的理论,而是一种唯象的理论,尽管这个理论还未揭露现象的真实结构。【所谓科学,就是能够解释当前所观察到现象的理论,它未必是唯一的,也可能是不符合客观事实的,它只对感觉负责,只要感觉是来自观察,而不是凭空猜测,这样的一种理论仍然可算是科学。在辩证唯物主义中,这叫相对真理。】可是,随着观测精度的提高,按照这一体系推算出的行星位置与观测的偏差越来越大。他的后继者不得不进行修补,在本轮上再添加小本轮,以求与观测结果相合。【科学就是这样,首先对既有理论进行修补以符合客观事实,直到无法再自圆其说,才考虑提出新的代替理论,科学史就是这种过程的一部历史,科学精神就是这样一种精神。科学与科学精神是有区别的。】

  然而,历史上并不是只有地心说这一理论。【从古至今,所有的能够解释现象的理论都是一种假说。解释同一现象的理论并非只能有一种,而可能有多种,在新的例外的感觉出现之前,这些理论都可以看作是科学理论。】在古典时代,毕达哥拉斯学派认为地球是球形的,并作了地球运动的第一个推测。亚历山大的天文学家阿利斯塔克(Aristarchus of samos,公元前310~230)继续发展了这个主张,他不但认为地球是圆形的,而且巧妙地运用希腊人的数学工具——几何学,测量了地球、月亮、太阳及其相互距离的相对大小。这个测量记载于他的著作《论日月的体积和距离》一书中。阿利斯塔克在计算的基础上提出日心说,阿基米德在《沙数计算》一书中引述他的观点时写道:“行星与地球沿以太阳为中心的圆周绕太阳运动,而恒星所在的天球的中心与太阳中心相符合。”那么为什么在地球上看不到恒星的视位置发生变化?阿利斯塔克解释道,因为恒星离地球的距离比太阳离地球的距离无可比拟地遥远。可见他对于天体的分布及其位置关系已有了比较正确的认识。但是,这个理论在当时的条件下过于激进了,没有被人们接受。因为:①它与人们的直觉经验直接冲突;②它与希腊人的主要哲学观点——亚里士多德的天地迥然不同论相冲突,如果接受了它就等于把天上的“不朽之物”与地上的“朽物”视为等同,并把天上独有的完美的圆周运动看作是地球也具有的;【这正是形而上学的精神所在,认定一个先验的前提,这个前提不容挑战,其原因就是形而上学的本质就是经验之外的哲学。】③它与当时希腊的力学观念相冲突,如果地球是运动的,为什么地上物体或云彩不向后漂移呢?④它还不能解释行星的复杂运动,也还没有足够的实验证据,基本上仍然是一个猜想的理论。【猜想是科学永恒的主题,离开了猜想,科学也就难以前进一步。下面会反复证明这个观点。】这说明一个理论尽管它实质上是正确的,但如果它对许多现象不能提出合理的解释,它就很难被人们接受。【哥白尼的日心说也逃脱不了这个规律,其学说推出后长久的一段时间内,仍然有大量不能解释的现象,这不能简单地归结为宗教禁锢的原因。】

  从欧多克斯、亚里士多德、阿波隆尼、希帕克到托勒密,经过这样一段发展的时期,地心说体系建立了。这个体系是历史的产物,是总结几千年观察与测算的成果。用一个统一的宇宙模型说明天体的复杂运动,在历史上有它的积极意义。【地心体系有历史的合理性,它的建立本身也是基于科学的精神,尽管当今科学已经否定了这种理论,但在科学精神的意义上说,它仍然是科学体系整体不可缺少的环节。事实上,科学史证明,科学的发展过程就是象日心说取代地心说一样反复出现的过程。指责地心说愚昧、迷信、宗教独裁的工具等等,把它从科学整体中割掉,是不恰当的,那实际上也阉割了科学的精神。不能理解地心说的精神,也就不能理解科学的精神。】

  直至哥白尼的时代,亚里士多德—托勒密的地球中心说早已被基督教会改造成为基督教义的支柱。然而,由于观测技术的进步,在托勒密的地心体系里必须用八十个左右的均轮和本轮才能获得同观测比较相合的结果,而且这类小轮的数目还有继续增加的趋势。一个理论的体系当它解释现象时变得愈来愈复杂、愈来愈繁琐,要求愈来愈多的附加条件,在新的事实面前愈来愈牵强附会,于是怀疑的时刻就会到来。哥白尼的天文学老师诺法腊就批评托勒密体系太繁复、不合数学和谐的原理,这给哥白尼后来的学说以极大的影响。这些就是哥白尼学说产生的历史条件。【地心体系的弊端在模型越来越复杂,超出了人们的忍受极限,其复杂程度足以打击人们的唯美追求,所以抛弃它就成为大家的共识。事实上,把本轮、均轮无限地添加进去,未必不能解释天体观测现象,但那样实在太繁琐了,一点也不美,没有丝毫的精神享受。】

  哥白尼在意大利时研究过大量的古希腊哲学和天文学著作。他赞成毕达哥拉斯学派的治学精神,主张以简单的几何图形或数学关系来表达宇宙的规律。【科学的精神就是追求简单、和谐,古今一致。】他了解到古希腊人阿利斯塔克等曾有过地球绕太阳转动的学说,受到很大启发。【文艺复兴时期的大量成就都是从故纸堆中捡回来,这种现象值得当代国人深思,怎么我们就喜欢抛弃自己古代的东西?】哥白尼分析了托勒密体系中的行星运动,发现每个行星都有三种共同的周期运动,即:一日一周、一年一周和相当于岁差【地轴的长期运动称为岁差,而其周期运动则称为章动。】的周期运动。他认为,如果把这三种运动都归到被托勒密视为静止不动的地球上,就可消除他的体系里不必要的复杂性。【以某种假说为方向,然后罗列证据以证明之,这是科学手段的不二法门,伽利略、牛顿的科学实践也符合这个原则。】因此,哥白尼建立起一个新的宇宙体系,即太阳居于宇宙的中心静止不动,而包括地球在内的行星都绕太阳转动的日心体系。 离太阳最近的是水星,其次是金星、地球、火星、木星和土星。只有月球绕地球转动。恒星则在离太阳很远的一个天球上静止不动。哥白尼把统率整个宇宙的支配力量赋予太阳,而各个天体则都有其自然的运动。他系统而明晰地批判了地球中心说,并且从物理学的角度对日心地动说可能遭到的责难提出了答复。

  哥白尼用了“将近四个九年的时间”与测算、校核、修订他的学说。他曾写过一篇《要释》,简要地介绍他的学说。这篇短文曾在他的友人中间手抄流传。但是,他迟迟不愿将他的主要著作——《天体运行论》公开出版。因为,他很了解,他的书一经刊布,便会引起各方面的攻击。批判可能从两种人那里来:一种人是顽固的哲学家,他们坚持亚里士多德、托勒密的说法,把地球当作宇宙的固定中心;另一种人是教士,他们会说日心说是离经叛道的异端邪说,因为《圣经》上明白指出地是静止不动的。当哥白尼终于听从朋友们的劝告,将他的手稿送去出版时,他想出一个办法,在书的序中写明将他的著作大胆地献给教皇保罗三世。他认为,在这位比较开明的教皇的庇护下,《天体运行论》也许可以问世。

  除了这篇序之外,《天体运行论》还有另外一篇别人写的前言。哥白尼当时已重病在身,辗转委托教士奧塞安德尔去办理排印工作。这位教士为使这书能安全发行,假造了一篇无署名的前言,说书中的理论不一定代表行星在空间的真正运动,不过是为编算星表、预推行星的位置而想出来的一种人为的设计。这篇前言里说了许多称赞哥白尼的话,细心的读者很容易发现这是别人写的。然而,这个“迷眼的沙子”起了很大的作用,在半个多世纪的时间里,骗过了许多人。1542年秋,哥白尼因中风已陷入半身不遂的状况,到1543年初已临近死亡。延至5月24日,当一本印好的《天体运行论》送到他的病榻的时候,已是他弥留的时刻了。

  在《天体运行论》中,哥白尼首先论述了地动说。他从运动的相对性出发,论证了行星的视运动是地球运动和行星运动复合的结果。他说:“无论观测对象运动,还是观测者运动,或者两者同时运动但不一致,都会使观测对象的视位置发生变化(等速平行运动是不能互相觉察的)。要知道,我们是在地球上看天穹的旋转;如果假定是地球在运动,也会显得地外物体作方向相反的运动。”[哥白尼:《天体运行论》,科学出版社1973年版,第15页。]【运动相对性原理是转换视角的关键所在,牛顿的机械唯物论和爱因斯坦的相对论之间的本质区别,就是爱因斯坦坚持运动相对性原理,抛开了绝对的以太,还原科学体系的简洁性,因为在洛仑茲那里,他实际上已经迈到相对论的门坎,但由于坚持牛顿绝对时空观而大量引入不必要的假设条件,就如地心体系中大量引入不必要的本轮均轮如出一辙,所以说科学史就是反复出现的否定过程。】接着,他提出了地球在宇宙中的位置问题,认为地球并不在中心,而是象其他行星一样距太阳有一段距离,在自己的轨道上运行。他写道“我们把太阳的运动归之于地球运动的效果,把太阳看成是静止的,恒星的东升西落并不受影响。然而行星的顺行、逆行、和、留则不是由于行星本身的行动,却只是地球运动的反映。于是,我们认为,太阳是宇宙的中心。”[哥白尼:《天体运行论》,科学出版社1973年版,第26页。]此外,他还谈到月亮的运动,行星在太阳系中的排列等等。

  爱因斯坦高度地评价了哥白尼的功绩及其对人类认识史的深远影响。他写道:哥白尼“对于西方摆脱教权统治和学术统治枷锁的精神解放所作的贡献几乎比谁都要大”,“要令人信服地详细说明太阳中心概念的优越性,必须具有罕见的思考的独立性和直觉,也要通晓天文事实,而这些事实在那个时代是不易得到的。哥白尼的这个伟大的成就,不仅铺平了通向近代天文学的道路;而且也帮助人们在宇宙观上引起了决定性的变革。一旦认识到地球不是世界中心,而只是较小的行星之一,以人类为中心的妄想也就站不住脚了。”[《爱因斯坦文集》第一卷,商务印书馆1976年版,第601页。]

  然而,值得注意的是,哥白尼的太阳中心说并不是无懈可击的。他不能解释:为什么人们感觉不出地球的运动?地球既然自转,地球上的物体下落何以不产生偏斜?哥白尼还不能摆脱亚里士多德哲学的束缚,他接受了圆运动是天体最完善的运动方式的观念,因而在哥白尼的体系里,一切行星都沿圆周运动,而宇宙则是所谓最完善的、有限的球形。所有这些缺点和不完善的地方,随着自然科学的发展,都不断地得到了修正。

  《天体运行论》出版后很少引起人们的注意。一般人不能了解,而许多天文工作者则正如奧塞安德尔所说的那样,只把这本书当作编算行星星表的一种方法。《天体运行论》在出版后七十年间,虽然遭到马丁·路德的斥责,但未引起罗马教廷的注意。后因布鲁诺和伽利略公开宣传日心地动说,危及教会的思想统治,罗马教廷才开始对这些科学家加以迫害,并于公元1616年把《天体运行论》列为禁书。

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