回首页 

载《新发现》杂志2006年第8期
科学外史(2)


你为什么相信地球在转动?
——哥白尼学说尚未得到验证就已经胜利

江晓原

 

  你从小被告知,我们居住的地球每天在自传一周,同时每年绕太阳公转一周。尽管你每天亲眼所见的是太阳东升西落,而不是地球的运动,但你是不是对地球运动深信不疑?你为什么会对此深信不疑?事实上,你并未参与对地球运动的验证过程——千千万万对地球运动深信不疑的人都没有参与这个过程。
  也许,这里有一个信任的传递。由于已经有一些天文学家完成了对地球运动的验证,而这些天文学家被人们认为值得信任,所以大家就接受他们得出的结论。然后由老师从我们小时候起就将这些结论灌输给我们,所以我们深信不疑。
  然而在历史上,哥白尼学说还未得到验证,就已经被一些天文学家接受了。

  哥白尼《天体运行论》(De Revolutionibus)发表于1543年,而古希腊阿利斯塔克早已提出过日心地动的学说,但始终存在着两条重大反对理由——哥白尼本人也未能驳倒这两条反对理由。
  第一条,我们观测不到恒星的周年视差。地球如确实在绕日公转,则从其椭圆轨道的这一端运行至另一端,在此两端观测远处恒星,方位应有所改变,这样才能证实地球是在绕日公转。哥白尼只能强调恒星非常遥远,因而周年视差非常微小,无法观测到。这确实是事实。但要驳倒这条反对理由,只有将恒星周年视差观测出来,而这要到19世纪才由贝塞尔(F. W. Bessel)办到——1838年他公布了对恒星天鹅座61观测到的周年视差。
  不过在此之前,布拉德雷(J. Bradley)发现了恒星的周年光行差。即在同一瞬间,运动中的观测者所观测到的远处天体的方位,与静止的观测者所观测到的该天体方位之差。地球自身的多种运动都会造成各自的光行差,绕日公转所造成的光行差称为周年光行差,表现为一个半长径为20.5″的椭圆。作为地球绕日公转的证据,光行差和恒星周年视差同样有力,但那也是1728年之事了。
  第二条理由被用来反对地球自转,认为如果地球自转,则垂直上抛物体的落地点应该偏西,而事实上并不如此。这也要等到17世纪伽利略阐明运动相对性原理,以及有了速度的矢量合成之后才能被驳倒。
  因此,至少在17世纪,哥白尼学说并未在理论上获得胜利。当时欧洲天文学界的大部分人士对这一学说持怀疑态度,也是情理之中的事。
  罗马教廷到1757年取消了对哥白尼学说的禁令。这可能与光行差的证据有关。

  多年来许多普及读物给人们造成这样的印象:托勒密体系极其繁琐,而哥白尼日心体系则非常简洁。许多读物上转载了哥白尼表示日心体系的那张图。那张图确实非常简洁,但那只是示意图,并不能用它来计算任何具体天象。类似的图托勒密体系也有,而且看上去比哥白尼体系更简洁。而实际情况是,哥白尼要描述天体的具体位置时,仍不得不使用本轮和偏心圆——地球需要用3个,月球4个,水星7个,金星、火星、木星、土星各5个,共计34个之多。这虽比托勒密体系的79个圆少了一些,但也没有数量级上的差别。更何况“自然规律是简洁的”原本就是一个先验的观念。
  1610年伽利略发表他用望远镜观测天象所获得的6条新发现,其中金星位相(即如月亮那样有圆缺)对当时的各家宇宙体系提出了严峻挑战。当时欧洲的宇宙体系主要有如下4家:
  1、 1543年问世的哥白尼日心体系, 
  2、 1588年问世的第谷(Tycho)地心体系, 
  3、 尚未退出历史舞台的托勒密地心体系, 
  4、 仍维持着罗马教会“标准天文学”地位的亚里士多德“水晶球”地心心体系。
  金星位相对上列后两种体系构成了致命打击,因为在这两种体系中根本无法解释这一事实。但是哥白尼和第谷的体系则都能够圆满解释金星位相。所以在“对新天象的解释能力”上,第谷体系仍能与哥白尼学说平分秋色。
  至于推算天象的精确程度,则哥白尼学说远不如第谷体系。哥白尼的原始星历表身后由莱茵霍尔德(E. Reinhold)加以修订增补之后出版,即《普鲁士星表》(Tabulae Prutenicae,1551),虽较前人之表有所改进,但精度还达不到角分的数量级——事实上,哥白尼对“密”的要求是很低的,他曾对弟子赖蒂库斯(Rheticus)表示,理论值与实测值之间的误差只要不大于10′,他即满意。第谷生前即以擅长观测享有盛誉,达到前望远镜时代观测精度的巅峰。例如,他推算火星位置,黄经误差小于2′;他的太阳运动表误差不超过20″,而此前各星历表(包括哥白尼的在内)的误差皆有15′~20′之多。第谷体系比哥白尼学说更精确,这正是当时不少欧洲学者赞成第谷体系的原因。

  哥白尼革命的对象,是他自己的精神乳母——托勒密。但是革命的理由,如前所述,却并不是科学上的。托马斯·库恩(T. Kuhn)在他的力作《哥白尼革命》中指出,哥白尼革命的思想资源,是哲学上的“新柏拉图主义”。
  按理说,天文学家们只有在发现恒星周年光行差或恒星周年视差之后,才会完全接受哥白尼的日心体系。然而历史事实却并非如此。
  在此之前,哥白尼学说实际上已经被越来越多的学者所接受。因此哥白尼革命的胜利,表明科学革命实际上是借助于科学以外的思想资源来获得成功的。
  开普勒就是一个非常有说服力的例子。他在伽利略作出望远镜新发现之前,就已经勇敢地接受了哥白尼学说(有他1597年10月13日致伽利略的信件为证)。他的“宇宙和谐”信念,也是明显与新柏拉图主义一脉相承的,但在当时,反对哥白尼学说的理由还一条也未被驳倒,支持哥白尼学说的发现还一项也未被作出!

 

 

20060909加入