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吴国盛:迷人的哥白尼

更新时间:2021-04-27 13:45:04
作者: 吴国盛  

  

   哥白尼被公认为现代科学的肇始者。他的日心说成为现代的科学常识。一九九六年《中国公众科学素养调查报告》显示,有80.3%的中国人知道是“地球绕太阳转”而不是“太阳绕地球转”,而二〇一四年美国国家科学基金会调查得出的结论是,只有74%的美国人知道这一点。中国人了解哥白尼日心说的平均水平貌似冠绝全世界。但是,正如黑格尔所说,熟知不是真知。我们中国人对哥白尼及其历史成就其实知之甚少。

   谁是哥白尼?他为何要用日心说替代地心说?通常的回答是:哥白尼写了一部著作《天体运行论》,在该著作中提出了日心说;用日心说代替地心说是因为日心说更符合天文观测事实。实际上,这些回答都似是而非。

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   哥白尼并不是一个职业天文学家,自大学毕业后一直在弗龙堡大教堂里担任教士。他在业余时间从事自己喜爱的天文学研究,并且在最后的岁月写出了他伟大的著作。这部传世著作用拉丁文写作,原书名为 De revolutionibus orbium coelestium。在中国,该书一直被译成《天体运行论》,但这个译名并不正确。问题出在对 orbium 一词的理解上。对哥白尼而言,这个词并不是我们今天的“天体”,而是带动天体运行的透明“天球”。自古希腊至哥白尼,西方天文学家对天球都坚信不疑。今天我们不承认有天球的存在,便想当然地把“天球”改译成“天体”。

   这个误译并不是中国人首创。一八七九年出版的门泽尔(Carl Ludolf Menzzer)德译本便把书名译成 über die Kreisbewegungen der Weltk?rper(《论天体的圆周运动》),这里的 Weltk?rper 意思就是“天体”。二十世纪出现的两个英译本都没有再犯这个错误。瓦里斯(Charles Glenn Wallis)一九三九年的译名是 On the Revolutions of the Celestial Spheres,该译本后来纳入《西方世界的伟大著作》(Great Books of the Western World)第十六卷,改称 On the Revolutions of Heavenly Spheres。罗森(Edward Rosen)一九七八年为《哥白尼全集》提供的英译本定名定为 On the Revolutions of the Heavenly Spheres,同年出版的德译本也把译名修改为 Vom Umschwung der himmlischen Kugelschalen(《论天球的旋转》)。

   天球是希腊数理天文学的基本假定,希腊理性宇宙论的第一个标志是引入“天球”概念。群星相对于大地的周而复始的每日旋转,向人类指示了天体运动的周期性、稳定性,也指示了大地的中心位置。让群星镶嵌在天球之上,随着天球统一地转动,反映了对天空的一种确定性和恒久性的理解。米利都学派的阿那克西曼德最早提出了天球的概念,毕达哥拉斯学派则明确提出了cosmos概念,为科学的天文学奠定了基础。Cosmos 这个词的原义是“秩序”,与Chaos(混沌)相对立。毕达哥拉斯学派最早用这个词指称“宇宙”,也就是说,他们最早把“宇宙”看成一个“和谐”、有“比例”的整体。

   Cosmos的观念体现在天球套地球的两球模型中。把天体想象成镶嵌在层层相套的天球上,是一个伟大的创造,虽然从今天的角度看,这是一个错误,因为“天球”并不存在。按照现代科学的认识,天界其实和地界一样,处在持续的变化之中。但是,天球概念最早体现了科学的思维方式:科学的目标,本来就在于透过多样、复杂、变化的现象,看到背后单一、简单、不变的本质。天球概念是对这种“不变性”的最早体现。

   柏拉图、亚里士多德、欧几里得和托勒密都认同天球概念,并以此作为构建宇宙论的基础。在《至大论》第一卷第三章里,托勒密专门论述了“天球运动”问题。他用恒星运动的周而复始反驳了恒星做直线运动的看法,也反驳了众星在日出前被点亮、在日落后被熄灭的古老说法,强调天体以地球为中心做圆周运动。

   作为希腊数理天文学的正宗传人,哥白尼完全继承了“天球运动”的概念。他在《天球运行论》第一卷开卷第一章就明确宣称宇宙是球形的,第四章则指出天球运动的基本模式是匀速圆周运动。需要特别指出的是,哥白尼赋予地球的不是只有我们今天熟悉的周日转动和周年转动,还有第三重运动。按照哥白尼的设想,地球的周年运动实际上是地球固定在一个假想的天球上、以太阳为中心的圆周运动。由于地球的自转轴与黄道面并不垂直,随着“地天球”的周年转动,地球的自转轴就不能与黄道面保持一个固定不变的角度。为此,哥白尼特意加入了让地轴锥形旋转的第三重运动,以抵消“地天球”周年转动带来的地轴方向的变化。这个第三重运动的存在提示我们,在哥白尼眼里,就连地球绕太阳的运动也是以天球运动的方式进行的。

   “天体”还是“天球”,这一字之差,关系到评价科学理论时应有的历史态度,也关系到我们在反省现代科学时所能够达到的理论深度。把“天球”改译成“天体”至少是有意无意以今日之眼光对哥白尼进行拔高,反映了那个时代中国的科学史研究水平和科学传播理念。

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   哥白尼为什么要用“日心说”来代替已经在西方世界延续了一千多年的托勒密地心学说呢?按照我们中国人实事求是即为科学精神的理解,当然是因为日心说更加符合天文观测,而地心说更不符合。这个说法并不真实。二十世纪五十年代之前,西方科学哲学也认为,所谓科学无非是具有内在逻辑结构同时又符合观测事实的理论。如果科学理论不符合观测事实,它就被证伪了,符合就被证实了。这种科学哲学被称为逻辑实证主义或逻辑经验主义。

   一九六二年,美国科学史家和科学哲学家托马斯·库恩出版了《科学革命的结构》一书,打破了逻辑主义科学哲学一统天下的局面,开启了历史主义科学哲学。库恩强调,理解科学不能停留在科学理论的逻辑架构层面,而应该深入科学的实际历史发展过程中;不应该局限于就科学论科学,而应该考虑科学之外的哲学、宗教和文化背景;理解科学的基本单元不是理论,而是范式,单纯的科学逻辑无法解释科学发展的实际历史,需要引入科学共同体的社会学维度。库恩这部影响巨大的科学哲学著作其实有一部先导性历史著作,那就是一九五七年出版的《哥白尼革命——西方思想发展中的行星天文学》。

   在《哥白尼革命》一书中,库恩指出,哥白尼不满托勒密的地心说,并不是因为他掌握了什么托勒密体系无法解释的新的天文观测证据——这样的证据还需要等待七十多年,直到望远镜发明并对准天空之后——哥白尼不是一位天文观测家,手头除了大家共有的从历史上传承下来的那些天文观测资料外,自己并不拥有更精确、更系统的天文资料。再说,在迁就、整合观测资料方面,托勒密体系本来就具有强大的能力,因为希腊数理天文学根本上就是以“拯救现象”为目标的。在托勒密体系中,任何旧有的和新发现的行星不规则运动,都可以通过本轮—均轮、偏心圆、偏心匀速点以及它们的复杂组合来进行模拟。如果旧的托勒密体系模拟不好,可以设计新的托勒密体系。就托勒密地心体系本身而言,并不存在原则上无法模拟和解释的天文现象。

   库恩认为,导致哥白尼抛弃地心说而提出日心说的,是复杂多样的历史原因和时代文化背景。首先,自古代以来就存在以亚里士多德为代表的希腊物理传统(宇宙论传统)和以托勒密为代表的希腊化数学传统(天文学传统)的对立和差异。亚里士多德采纳的是他那个时代流行的同心球模型,而托勒密引入的本轮—均轮模型与之有明显的冲突。数学传统的目标是拯救现象,也就是模拟和预测天象,并不关心天界的实际物理构造,并不一定要求与既有的物理学理论完全适应。哥白尼明知日心说与亚里士多德的物理世界图景有尖锐的冲突,但他仍然可以援引物理—数学这一古老的双轨制来为自己辩护壮胆。他在《天球运行论》致教皇的献词里特别提到“数学是为数学家而写的”,强调的就是,自己属于自古以来的数学/天文学传统,可以自由地构想宇宙体系而不受到责难。

   其次,哥白尼生活的年代对古代思想的怀疑和批评渐成风气。唯名论经院哲学家高举上帝全能的旗帜,对亚里士多德物理学所设置的种种“不可能”(不存在真空、没有外力的维持不可能运动等)进行试探性挑战。哥伦布远航抵达美洲,表明托勒密的地理学存在着严重的错误。天主教会沿用了一千多年的儒略历存在严重误差、亟待修正,是当时教会内部的共识。哥白尼能够提出颠覆性的日心说来取代地心说,与这个质疑和批评的时代风尚有关。

   再次,文艺复兴,人文主义者复兴的新柏拉图主义相信自然的数学简单性、崇拜太阳,对哥白尼提出日心说有直接的影响。哥白尼明确表示,托勒密体系是一个怪物,各部分之间不够协调统一,“在确定日月和其他五颗行星的运动时,他们没有使用相同的原理、假设和对视运转和视运动的解释”,“他们引入的许多想法明显违背了均匀运动的第一原则”,“他们也无法由偏心圆得出或推导出最重要的一点,即宇宙的结构及其各个部分的真正对称性”。简单说来,托勒密体系很不美,不符合希腊人的审美理想。

   是的,托勒密体系不美,而日心地动体系很美,这就是哥白尼提出天文学变革的主要动机。

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   哥白尼日心说何时被世人接受?如果说日心说取代地心说是因为更符合天文观测事实,那似乎是哥白尼一提出该学说就得到了人们的公认。然而,日心说并不是观测引导的结果,而是审美引导的结果,这样一来,哥白尼学说的命运就远不是今人所想的那样一帆风顺。

   日心说的确表现出哥白尼所期许的不少美学优势。首先,一旦让地球运动起来,行星表观上主要的不规则运动如留和逆行都只是表面上的,只是相对于运动的地球显得是不规则的,哥白尼还同时很自然地解释了为何逆行总开始于行星最亮的时候。其次,它很自然地解释了金星和水星为何总是跟在太阳附近,而不像火、木、土三星那样可以随意拉开与太阳的距离。最后,也是日心体系最迷人的地方,它按照诸行星绕日公转周期的大小,给出了诸行星与太阳距离从小到大的确定顺序:水星、金星、地球、火星、木星、土星,而此前的托勒密体系里,由于水星、金星与太阳绕黄道运动的平均周期相同,实际上无法确定此三者与地球(居宇宙中心)的远近排序。的确,哥白尼展示了日心体系“令人惊叹的对称性”以及“天球运动和大小之间明显的和谐关联”。

   但是,哥白尼也没有兑现他在《天球运行论》第一卷所开出的所有美学承诺。由于行星运动的轨道实际上是椭圆而不是正圆,为了“拯救”现象,秉承希腊正圆模型的哥白尼就不得不像托勒密那样加入小本轮和偏心圆,结果是,哥白尼也采纳了三十多个轮子,在简单性上和托勒密相差无几。“哥白尼体系既不比托勒密体系更简洁,也不比它更精确”,库恩称,“这是对哥白尼毕生工作的极大讽刺”。

   不仅如此,哥白尼体系还带来了两个几乎是致命的困难。首先,地球绕日周年公转必定会产生恒星的周年视差。在地球公转轨道的两个不同地方看远方的一颗恒星,恒星必定会显示出不同的位置。然而,自古以来,人们从未发现恒星有周年视差。哥白尼对此的解释是,恒星离地球太远,以至于微小的周年视差难以察觉。这个解释从今天的眼光看当然是对的,可是对当时的人来说,证据的缺失是一个严重的缺陷。

   第二个更严重的困难是地球运动引发的物理学上的困难。亚里士多德的物理学解释了石头为何落地、地球为何静止在宇宙中心等常识,地球一旦运动则直接挑战这种物理学。特别是,当这种物理学与基督教的教义结合在一起之后,挑战就负载了宗教含义。这就注定了哥白尼学说坎坷不平的命运。

整个十六和十七世纪,天文学的主要任务仍然是为占星术提供数学基础(点击此处阅读下一页)


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文章来源:《读书》2021年4期
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