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载《新发现》杂志2012年第11期
科学外史(76)

哥白尼学说往事:科学证据是必要的吗?

江晓原
 


科学证据是必要的吗?

  教师在课堂向学生传授科学知识时,通常也会描绘一些相关的历史图景,不过这种图景往往不是真实的,而是根据“教学需要”建构起来的虚假图景。人们相信,这种图景对于学生尽快掌握教师所要传授的知识是有利的。
  在这种图景中,一个科学理论之所以会获得胜利,必定是因为它得到了实验(或观察)的证实——也就是它被证明是“正确的”。例如,爱因斯坦在1915年提出广义相对论,并预言:远处恒星的光线在到达地球被我们看见的路程中,如经过大的引力场,就会偏折。在1919年发生日全食之后,世人普遍相信这个预言已经由爱丁顿爵士在日食观测中证实了(现在我们知道这并非事实),于是广义相对论被证明是正确的。教师在课堂所描绘的图景中,科学学说的胜利普遍遵循上述模式。
  哥白尼学说的提出及其胜利,被认为是近代“科学革命”的第一场大戏,真是“革命如此多娇,引无数学者竞折腰”,许多科学史和科学哲学的大家都对“哥白尼革命”专门下过功夫。可是偏偏在这个哥白尼学说的胜利问题上,教师们如果不想歪曲事实,就只好顾左右而言他了——因为哥白尼学说的胜利之路,明显违背了上述普遍模式。

哥白尼无法回答的诘难

  哥白尼的日心说,是一个和人们的日常感觉直接冲突的学说,因为它断言太阳静止在宇宙的中心,我们每天看见的太阳东升西落,和太阳在黄道上的周年运动,实际上是我们地球自转并围绕着太阳旋转造成的现象。而哥白尼学说打算取代的,是已经被世界广泛接受的托勒密地心说,它主张地球静止在宇宙的中心,这与我们的日常感觉完全相符。
  按照常理来推想,一个与人们的日常感觉明显冲突的学说,要取代一个长期被广泛接受而且与日常感觉完全相符的学说,显然特别需要实际的观测证据来证明它的正确性。可是在哥白尼提出他的日心学说时,关于这一学说的任何实际观测证据都还没有出现。
  事实上,古希腊的阿利斯塔克早就提出过日心地动的学说了——当然他未能作出哥白尼那样的系统论证。日心地动学说之所以长期得不到认可,是因为始终存在着两条重大的反对理由。对于这两条反对理由,哥白尼本人也未能给出有效的反驳。
  第一条,如果地球真的是围绕太阳旋转,那我们为何观测不到恒星的周年视差(annual parallax)?
  地球如确实在绕日进行周期为一年的公转,则相隔半年,从它的椭圆轨道之此端运行至彼端,这两端的距离可达近3亿公里。从三角测量的角度来说,在一根长达3亿公里的基线两端观测远处的恒星,它们的方位无论如何应该有所改变,这就是恒星的周年视差。
  由于自古以来,天文学家从来没有观测到恒星的周年视差,这就成为对日心地动学说的致命反证——无法证明地球是在绕日公转的。在哥白尼学说问世之后,第谷·布拉赫的天文观测被欧洲公认达到了前无古人的精度,他也没有观测到恒星的周年视差。哥白尼在《天体运行论》中,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才行。
  第二条反对理由,被用来反对哥白尼学说中地球的自转,也是从日常感觉出发的:如果地球真的在自转,那我们垂直向上抛掷一个物体,它落回地面的地点,应该偏向上抛位置的西边。或者换一种更简单的实验:从桅杆顶端垂直落下一块石头,石头落地的位置应该在桅杆西边一点。而在日常生活中,我们观测不到任何这样的效应。
  带着这样两条“致命伤”,哥白尼学说怎么可能被承认为正确的科学学说呢?

迟来的科学证据
  哥白尼学说的那两条致命伤口,后来随着科学的发展,终于慢慢愈合了。
  小的那条伤口愈合得早一些,到17世纪伽利略阐明运动的相对性原理,以及有了速度的矢量合成之后,得到了合理解释:由于地球在自转,所以石头从一开始就拥有向东的横向速度,垂直和横向速度的合成就使得石头落回原处。
  大的那条伤口,用了更长得多的时间才得以愈合。随着望远镜的广泛应用,人们可以观测到更为微小的差值,1838年,F.W.贝塞尔终于观测到了恒星天鹅座61的周年视差。哥白尼当年的解释,至此可以成立了。
  不过在此之前,已经出现了另一个支持哥白尼学说的证据。1728年,J.布拉德雷发现了恒星的周年光行差(annual aberration),作为地球绕日公转的证据,这和恒星周年视差具有同等效力。罗马教廷在30年后取消了对哥白尼学说的禁令(1757年)。所以,严格地说,哥白尼学说最早也要到1728年才得到了科学的证明,才可以被承认为一个正确的学说。
  但是为什么在此之前,许多人已经接受这个学说了呢?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),而当时,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。

“先结婚后恋爱”

  哥白尼学说“革命”的对象,是他自己的精神乳母——托勒密宇宙学说。但是革命总要有思想资源,然而哥白尼的学说既没有精确性的提高(和第谷·布拉赫相比,哥白尼在天文观测的水准和精度方面都大大逊色),自己的理论还有着无法解释的、和日常现象的明显冲突。那当时哥白尼依靠什么来发动他的革命呢?
  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”。出现在公元3世纪的新柏拉图主义,是带有神秘主义色彩的哲学派别,他们“只承认一个超验的实在”;他们“从一个可变的、易腐败的日常生活世界,立即跳跃到一个纯粹精神的永恒世界里”;而他们对数学的偏好,则经常被追溯到相信“万物皆数”的毕达哥拉斯学派。当时哥白尼、伽利略、开普勒等人,从人文主义那里得到了两个信念:一、相信在自然界发现简单的算术和几何规则的可能性和重要性;二、将太阳视为宇宙中一切活力和力量的来源。
  “革命”本来就包含着“造反”的因素,即不讲原来大家都承认的那个道理了,要改讲一种新道理,而这种新道理是不可能从原来的道理中演绎出来的——那样的话就不是革命了。科学革命当然不必如政治革命那样动乱流血,但道理是一样的。如果不革命,那么满足于在常规范式下工作的天文学家们,只能等到布拉德雷发现恒星周年光行差,或等到贝塞尔发现恒星周年视差之后,才能够完全接受哥白尼日心体系。然而这并不是历史事实。因为在此之前,哥白尼体系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,明显提示我们——科学革命实际上借助了科学以外的思想资源。
  在这场提前获得的胜利中,科学证据不是必要的。开普勒、伽利略等人基于哲学理念而对哥白尼学说的接纳(例如,开普勒的“宇宙和谐”信念,就与新柏拉图主义一脉相承),类似于“先结婚后恋爱”——先接受这个学说,再“齐心合力将转动的马车拉到目的地”(开普勒鼓动伽利略的原话)。


                                                                                                   加入日期 20121108