第谷的精密天文学

哥白尼的日心说对中世纪思想的冲击是巨大的，但是在实际运用方面，当时迫切需要精确的星表，而这需要精确和系统的观测资料。第谷·布拉赫对那个时代的需要看得很清楚，并全力以赴地去满足这个需要。

第谷（Tycho Brahe，1546－1601）于1546年12月14日出生于一个丹麦的贵族家庭，还是一个孩子时就进了哥本哈根大学。一次在预报时间里发生的日食引起他对天文学的兴趣，于是他不顾正常学业，找来托勒密的著作读起来。以后他在多所大学求学，求教于第一流的数学和天文学教师。

1563年木星与土星在恒星天空背景下发生“合”（conjunction），16岁的第谷对这一简单天文学现象十分感兴趣。他发现公元13世纪根据托勒密行星模型计算出的《阿尔方索星表》对于“合”日期的预测误差达到一个月，即使基于哥白尼模型的《普鲁士星表》也有两天的误差。这使他确信必须在精确观测的坚实基础上，对天文学进行一次改革，而这样的精确性只能来自经过改进的仪器和经过改进的观测技术的结合。

1572年11月，大自然送给了人类一个惊奇：一个像星一样的物体，亮得足以在白天被看见，出现在仙后座。天上出现一颗新星？这是前所未闻的。权威的亚里士多德宇宙学早有教导：天空不会有新生事物。

第谷对这颗“新星”作了详细观察，他使用的天文学仪器在精度上虽然不是最好的，但是他对于这个物体是“固定的”或接近固定的这一点很有信心。他的观测表明它在月亮上面很远的地方，所以是天体。第谷认识到了问题的关键：这个“天体”和亚里士多德的彗星理论相矛盾。彗星来了还会走，属于四元素区域内的变化，所以从亚里士多德时代开始就认为彗星是地球质的物体，而不是天体；对它们的研究不属于天文学，而是属于“形而上学”。天文学家在观测彗星时很少测量它的高度，但是第谷现在证明了这种变化可以发生在天上。因此他自己许下诺言，如果有一天彗星出现，他将仔细测量它的高度，看它是否真是地球质的。

1577年大自然满足了第谷的愿望：一颗明亮的彗星真的出现了，第谷的观察也表明它是天体。更精确的是，它位于行星际空间。然而如果是这样，它就正在毫不费力地穿过被认为携带着行星绕着中心地球运动的那些看不见的天球层。这使得第谷彻底明白了：这些球体实际上根本不存在。但是，如果这个天球是不存在的，行星是在轨道上独立运行着的天体，这对于解释它们的运动原因将是很困难的。结果为了给出一个答案，天文学家不得不从运动学转向动力学，从几何学转向物理学。

图6.6　描绘第谷工作的场景图

第谷对新星和大彗星的观测，使用的是商业上可得到的仪器；但是直到大彗星出现之际，第谷一直在致力于仪器和观测技术的基本改革。为此目的，他将需要王室级别上的资金资助。1575年第谷拜访了黑森伯爵威廉四世——也是一位非常热心的天文观测者。可能是在伯爵的推荐下，次年第谷被丹麦国王授权掌管了在丹麦海峡的汶岛（Hven）。在那里，第谷有了空间、时间和财政来源，建立了基督教欧洲第一个重要的天文台。当第一个天文台天堡（Uraniborg）显得太小时，第谷又在附近建造了第二个星堡（Stjerneborg）。第谷年复一年地建造、测试、调整、再测试他的仪器，直到能够使测量精度高于1′。

在1588年丹麦国王去世之后，第谷失宠。他不改挥金如土的习性，而各项津贴和俸禄被逐渐取消。到1597年他不得不举家迁离汶岛。1599年鲁道夫二世赐予他一笔资金，将他安排在布拉格附近的一个城堡里。第谷在这里建起了一座天文台，并为将来的研究工作物色助手。这时一位年轻的德国天文学家开普勒加入第谷的工作。但是在新天文台的工作还没有真正开始，第谷突然病倒，于1601年10月24日去世。

第谷的天文学工作主要在实测方面，他研究了精密天文学的大多数问题，包括研制建造高精度的天文仪器，获得精确而系统的观测资料，以很高的精度测定了许多重要的天文常数。

图6.7　第谷体系

但第谷本人也许更愿意被看作是一位宇宙学家。他对新星和彗星的观测结果表明，以亚里士多德哲学为基础的托勒密地心说是不能坚持了，但第谷也不接受哥白尼的日心说。如果保留哥白尼提出的几何学方案，同时宣称地球是绝对静止的，那将兼备两大宇宙体系之长。于是他提出了一个后来被叫做第谷体系的太阳系模型。水星、金星、火星、木星和土星围绕太阳旋转，太阳和月亮围绕地球旋转。地球仍是宇宙的固定不动的中心。最外层是不同的恒星天层。而前文已经提到，在5世纪卡佩拉描述的体系中，金星和水星已经被安排成是太阳的卫星。

第谷不接受哥白尼学说的理由是，沉重而呆滞的地球在运动的说法与物理学的原理相违背，同时也不符合《圣经》的教义。再者，自古以来人们就知道，如果地球绕太阳转动，那么恒星的位置必将产生周年视差。但是从来没有人观察到过这种移动，第谷本人也无法测到它。而第谷有充足的理由可以为自己的观测精度感到满意。关于第谷未能发现周年视差的原因有两种解释：或者哥白尼是错的，地球上的观测者事实上是静止的；或者是恒星太远了，以至于它们呈现的位移太小，依靠第谷的仪器还观测不到。第谷估计，在后一种情况下，恒星应当比最外层行星远700倍或更多。这将导致行星和恒星之间有一个巨大的空间断层——恒星能够在那么远的地方还显得那么大，它必须拥有非常大的体积。对于第谷，这样的一个宇宙是根本难以想象的。

对天文学后来的发展最有意义的是第谷对行星的观测。他积累了大量的行星观测资料，但是他的早逝没能根据这些观测结果建立一个数值行星理论。他在病榻上把这项工作托付给开普勒。据说他嘱咐开普勒要按照第谷体系，而不是按照哥白尼体系构建新理论。