哥白尼日心说的诞生

第二节　哥白尼日心说的诞生

前面我们已经说到，亚历山大时期的天文学家托勒密在其《天文学大全》一书中提出了一个庞大的地心体系，认为地球是宇宙的中心，太阳和其他一切天体都在绕着地球转。地球是不动的。

在中世纪中期，经院哲学把亚里士多德的思想与托勒密的地心体系结合进行改造，使之成为基督教教义的一个支柱。然而，随着天文观测技术的发展，该地心体系已是破绽百出。

文艺复兴时期已有许多进步思想家和天文学家对它表示怀疑。但是，真正打破这个体系的是16世纪伟大的波兰天文学家哥白尼。

哥白尼

1473年2月19日，哥白尼出生于波兰维斯瓦河畔的托伦城。10岁丧父，由在教会任主教的舅父瓦琴洛德抚养成人。从小受到良好的学校教育，喜欢观测天象，常常独自仰望繁星密布的夜空。

18岁时，哥白尼进入克拉科夫大学，在校受到人文主义者、数学教授布鲁楚斯基新思想的熏陶，抱定终生献身天文学研究的志向。三年后转回故乡，然后被舅父派往意大利学教会法则。

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。在这期间，他结识了文艺复兴时期的巨人达·芬奇，并且拜文艺复兴运动的领导人之一、天文学家诺法腊为师。诺法腊对哥白尼的影响非常大，正在是老师的影响下，哥白尼对地心说产生了怀疑。他的日心说思想也是在这时萌芽的。

1497年3月9日，他在波洛尼亚做了他遗留下的第一个天文观测记录：月球遮掩金牛座α（毕宿五）的时刻。

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，在弗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年他舅舅死后，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。他自制了各种仪器，孜孜不倦地从事天文观测和研究达30多年。这地方后来被称为“哥白尼塔”，自17世纪以来被人们作为天文学的圣地保存下来。

正是在这里几十年的观测数据，使哥白尼建立了日心地动说，还地球运动的本来面目。所以后人称哥白尼是“推动地球”的巨人。

《天体运行论》

哥白尼在刚开始研究托勒密地心说的时候，只是想在原来体系的基础上稍稍做一些改进。后来，经过对前人和自己的天文资料的深入分析，他发现托勒密的理论虽然可以给出同观测资料相符合的数据，但是却把天空图像搞得乱七八糟，毫无统一性和规律性。

哥白尼风趣地说：“他们就像这样一种艺术家：要画一张人像，从不同的模特儿身上临摹了手、脚、头和其他部位，然后不成比例地凑合在一起，尽管每个部位都画得极好，结果却很不协调，画出来的不是一个人，而是个怪物。”

哥白尼认为，宇宙的规律应该是简明和谐的，天体运行的轨道可以用简单的几何图形或数学关系表示出来，而托勒密的地心体系太复杂了，它不符合这种要求。

其实托勒密也持有简明和谐的信念，主张把行星的复杂运动简化为圆周运动，不过由于他采用地心体系，不得不用本轮和均轮来解释和计算天体运动。

即使如此，托勒密的理论亦经常和实际观测不符：既然地球是不动的中心，日月星辰都绕着地球运行，为什么只有太阳和月亮运动的方向速度位置有规律而别的行星看起来却忽快忽慢，忽东忽西，离地球忽远忽近呢？

为了调和这种矛盾，他只好在本轮上再加均轮，像叠罗汉似的不断增加这个体系的复杂程度。到哥白尼时代，这种本轮加均轮的圆圈数目已增加到80多个，且还有继续增加的趋势，这就和简明和谐的原则发生矛盾。在哥白尼看来，大自然的创造者是不会创造那么多圆圈的。

因此，哥白尼认识到，想改进托勒密地心体系的路子是走不通的，必须开辟新路，另创新学说。

为了寻找新的思想和观点，哥白尼查阅了古希腊和古罗马的许多文献，他欣喜地发现，在西塞罗（前106－前43年）等人的著作中逼真地描述过地球的运动。这一思想像明灯一样，照亮了哥白尼探索前进的道路。他激动地说：“既然前人叫以随意地想象圆周运动来解释星空现象，那为什么我就不能设想地球有某种运动呢？”

哥白尼日夜思索着地球运动的问题。他想起了一位诗人的“我们离港向前航行，陆地和城市后退了”的名句，从中悟出了运动相对性的道理。他明确地认为，假定地球在运动，地球上的人就会感到地球外物体向相反方向运动。

哥白尼通过分析行星运行的资料，发现每个行星都有三种共同的周期运动，即周日、周年和相当于“岁差”的周期运动，如果将这三种周期运动都归为地球的运动，即自转、公转和地轴回旋运动，就可以一下子去掉许多圆。为了地球静止，就得在每个天体上加上这三种圆。也就是说，古人为了建立一种地心体系，而把地球自身的运动加给了每个天体，使其宇宙体系不必要地复杂化了。

经过多年悉心研究，哥白尼得出了地球不是宇宙中心的结论。他在1510年写成的《浅说》初稿中，毫不含糊地指出：太阳是宇宙的中心，地球和行星都围绕着太阳运动，只有月亮才真正围绕地球旋转。以后哥白尼又根据亲自获得的20多项新的观测事实以及大量复杂的数学计算结果，对初稿作了许多修改和补充。1530年，终于圆满地完成了日心说的建立工作。科学史家评论说，日心说是哲学思考、实际观测和数学计算的杰作。

在1543年出版的《天体运动论》中，哥白尼向人们描述他的宇宙图景：太阳位于宇宙的中心，有五颗当时已知的行星和地球围绕太阳旋转。地球也是行星，是球形的，它在绕着自己的轴转，并绕着太阳公转，它与其他行星毫无区别。行星的排列次序如下：水星、金星、地球、火星、木星、土星。月亮是地球的卫星，它绕着地球旋转。恒星则在远离太阳的一个天球面上静止不动。

哥白尼大体上描绘了太阳系结构的真实图景。人们看到的日月星辰东升西落，乃是地球自身转动的结果。火星、木星等行星在天空中有时顺行，有时逆行，并非“动作奇特，行踪诡秘”，而是由于它的绕日运行的轨道和速度不同所造成的综合表现。

哥白尼通过假设地动就把托勒密体系的近80个圆一下子减为34个，这样，哥白尼体系就比托勒密体系要简明合理得多了。

哥白尼的日心体系也有其科学认识上的难题：一是为什么观测不出恒星的视差？二是为什么感觉不到地动？

前一个问题正是亚里士多德早就提出过的，后一个问题是托勒密提出来的，这是古代人对地动说提出的质疑。

如果地球是运动的，从地球上观测恒星，就应该发现它在宇宙背景上的位移差别。天文学上常用这种视差来测定天体的距离。可是没有发现恒星有这种视差位移，所以认定地球是不动的。

哥白尼为了解决这个难题，进行过多年的观测，却没有结果。他认为，这是恒星太远视差太小的缘故。这种解释是对的，但在当时难以令人信服，连哥白尼自己也不满意。

至于感觉不到地动的质疑，托勒密提出，如果地球在宇宙空间旋转，地球上一切东西就会飞散，垂直上抛的物体不能落回原处，天空中的飞鸟和浮云也将被抛在后面，甚至地球本身也将会因旋风般的转动而土崩瓦解，分裂为碎片。

哥白尼解释说，地球上的东西之所以没有因为地球旋转而分散，也没被抛到后面，那是因为地球的运动已分给了那些物体，它们稳定地随地球一起运动，犹如一个整体，所以也就使人感觉不到地动。他用坐船这个日常经验来说明人的感觉不到地动的原因。

他说：“船只静静地驶去，实际上是船动，而船里的人却觉得自己是静止的，船外的东西好像在动。由此可以想象，地球运动时，地球上的人也似乎觉得整个宇宙在转动。”

至于地球运动本身是否会土崩瓦解，哥白尼答辩说，天球如果在运动，分裂的危险更大，因为它的周边更大，因此如果它运转的话，速度一定更大。

哥白尼用“将近四个9年的时间”去测算、校核、修订他的学说。他的日心说短文曾在他的友人中间手抄流传。但他迟迟不愿将他的主要著作《天体运行论》公开出版。因为，作为一个天主教徒，他很了解他的学说的“危险性”。当他终于听从朋友们的劝告，将他的手稿送出去出版时，他想出了一个办法，在书的序中写明将他的著作大胆献给教皇保罗三世。他认为，在这位比较开明的教皇的庇护下，《天体运行论》或许可以问世。

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，辗转委托教士奥塞安德尔吉办理排印工作。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，不过是为了编算星表、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，在半个多世纪里，骗过了许多人。

1543年5月24日，垂危的哥白尼在病榻上见到了《天体运行论》的样书。据说他只摸了摸书的封面，便与世长辞了，终年70岁。

《天体运行论》发表后，遭到了马丁·路德的反对和责难，他把哥白尼叫做“想要把天文学这门学科弄颠倒”的蠢人，但并未引起罗马教廷的注意。70年后的1616年被罗马教廷列为禁书，300年后才解除禁令。

恩格斯在《自然辩证法》中对哥白尼的《天体运行论》给予了高度评价：“自然科学借以宣布其独立并且好像是重演路德焚烧教谕的革命行动，便是哥白尼那本不朽著作的出版，他用这本书（虽然是胆怯地而且可说是只在临终时）来向自然事物方面的教会权威挑战，从此自然科学便开始从神学中解放出来。”现代科学史家一般把《天体运行论》出版的1543年作为近代科学的诞生年。

当然，哥白尼的日心说也有其时代局限性。例如，他认为行星的轨道是圆，宇宙是有限的球等。但这无损于它的伟大。它的这些局限性在后来的开普勒等人那里得到了克服。