1.2 天文学的新进展揭开了科学革命的序幕

1.2.1 哥白尼的日心说

在自然科学的发展史中，以哥白尼（Nikolaus Copernicus，1473—1543）为代表的一场关于宇宙观的革命，对近代科学的兴起，起了开路先锋的伟大作用。人们往往把这场革命称为哥白尼革命。

哥白尼主张的日心说，推翻了自古希腊占统治地位的地心说，地心说认为地球是不动的宇宙中心，这种宇宙观实际上是古人从局限的观察和朴素的思维中得到的一种对宇宙的看法。这一看法，不仅在西方，而且在东方，都起着主导的作用。古人对宇宙的看法有一共同的特点，就是认为宇宙是不变的。这是因为古人对天象的认识，无非都是靠肉眼直接观察所得的印象，结果难免会很粗浅。对宇宙生成的看法更缺乏长期观测积累的证据，因此难以对当时天体的实际运行情况作出具体解释，后来就逐步形成了宇宙不变的观点。

持宇宙不变观点的人，把星空旋转之类的变化，看成是某种星空的自然运动，而天的本质则是永不改变的。人站在地球上看天象，很自然地就会认为日月星辰都是围绕着大地旋转。地心说因此产生，成为主宰天文学界千余年的天体理想模型。较为完整的地心说宇宙模型，是托勒密（C.Ptolemaeus，100?—170?）在公元 2 世纪提出的。这个模型继承了古希腊的所谓圆球美满观念，把宇宙设计成为大球套小球，小球边上甚至还要穿插小小球的复杂圆球体系：这个圆球的球心就是地球的球心，而恒星、太阳和月亮分布在大小不同的球面上围绕地球作圆运动；诸行星（水星、金星、火星、木星和土星）既要在各自的小球上围绕地球作圆运动，又要围绕各自的小小球的球心作圆运动，这样才能解释为什么表观上看到的它们既有顺行运动又有逆行运动的现象。托勒密地心说在长达一千多年的时期内，被人们广泛接受，其原因主要是因为目视天文观测的精度很低，按地心说预报的行星位置，又与实际位置相差不多，再有就是这一学说与《圣经》的内容相符，因而得到教会的大力保护。

在中世纪的长期黑暗之后，由于生产的发展和商品经济的兴盛导致海洋航行的发达，天文学在欧洲以意想不到的速度发展了起来。为此，人们迫切需要天文仪器，需要精密的恒星、行星的星表，当然也需要发明测定经纬度的方法。这就为天文学的发展提供了动力。而冶金、机械制造等生产部门的发展，印刷术的传播，则为天文学的发展提供了物质条件。随着天文观测精度的提高，地心说用圆上加圆的轨道试图拟合行星运动的做法，显得既繁琐又欠精确，因此日益遭受到尊重事实的学者的反对。

进入 14—15 世纪，随着生产的发展，在欧洲封建社会内部资本主义生产关系逐渐形成。与资产阶级的经济、政治利益相适应，欧洲文化也出现了新的运动。它的主要内容就是反对中世纪的神学世界观，摆脱教会对人们的思想束缚，冲破各种神学的和经院哲学的传统教条。这个以文艺复兴命名的运动开创了欧洲文化和思想发展的一个重要时期。

由于亚里士多德-托勒密的地心说理论成为中世纪神学世界观的重要精神支柱，而天文学的发展却越来越多地揭示了这个理论的荒谬，于是天文学就成为冲破神学束缚的一个突破口。文艺复兴的思想解放运动为打破地心说理论提供了思想动力和精神基础，而这个理论体系的打破又给予宗教神学以沉重的打击，使文艺复兴运动更具有实际内容。天文学也因此首先进入近代科学的大门。

应该说，早在文艺复兴时期就已有许多进步思想家和天文学家对破绽百出的地心体系表示怀疑。但是，真正打破这个体系的第一人是 16 世纪伟大的波兰天文学家哥白尼。他分析了托勒密的地心体系，经过几十年的研究，建立了一个崭新的宇宙体系，这就是日心体系。他认识到地球也是一颗行星，和别的行星一样，都以同心圆围绕太阳运行。行星排列的次序是水星在最小的圆周上，依次往外是金星、地球、火星、木星，最后是土星，土星在最大的圆周上。而月球并不是行星，它围绕地球旋转，同时也被地球带着围绕太阳运行，众恒星则固定在遥远的空间里，并没有绕大地昼夜旋转。星空的旋转是地球自转的视觉效应；而在地球上看到的其他行星的顺行和逆行，则是所有行星绕日公转的结果。

这个既简单而又基本的发现，使人们对于宇宙的看法从主观的见解改造为客观的认识，把原始而又神秘的宇宙观提高为简洁又合理的科学观念。它的提出不是随意的猜想和主观的推论，而是建立在理性上的科学认识。哥白尼提出新的思想，本来应该很顺利地得到世人的欢迎。然而，事情不像想像的那样简单。中世纪黑暗时代的阴影还远未消失，几千年的旧势力仍然占有统治地位，新思想的提出必然要遇到阻力。这是一场斗争，只有对陈旧的思想进行批判才能取得公众的承认，所以这也是一场思想上的革命。通过这场革命，人们摆脱了对神学和古代经典的权威的迷信，以事实作为知识的来源，靠实践判断理论的真伪。因此，哥白尼论述日心体系的代表作《天体运行论》，就成了“自然科学的独立宣言”。

从中世纪以来，教会的反动统治形成了一道无形的枷锁，凡是不符合教会思想而另有主张的人，都会遭到迫害。到了 16 世纪，这一斗争变本加厉，意大利思想家布鲁诺（Giordano Bruno，约 1548—1600）就是一位信奉和宣扬哥白尼体系而英勇献身的科学殉道士。他坚持通过经验和理性来获得科学真理，提出“怀疑原则”来反对教会权威和神学教条。他抛弃了太阳是宇宙中心的观点，认为宇宙是无限的，在太阳系之外还有无数的世界。这些观点比哥白尼学说更为有力地冲击了教会的教义，因而成了反动势力的眼中钉，被处火刑，活活烧死。

1.2.2 第谷和开普勒的贡献

开普勒（Johannes Kepler，1571—1630）是德国人，生于符腾堡。他幼年时体弱多病，12 岁时入修道院学习。1587 年进入杜宾根大学，在校中遇到秘密宣传哥白尼学说的天文学教授麦斯特林。受其影响，开普勒很快成为哥白尼学说的忠实维护者。1591 年获文学硕士学位后曾想当牧师转学神学。但是，1594 年他得到杜宾根大学的推荐，去奥地利格拉茨的一所中学担任数学教师，于是就中止了神学课程。在格拉茨，他开始研究天文学，他把业余时间用于研究和思考哥白尼的“日心说”，并将它与托勒密的“地心说”理论相比较。他孜孜不倦地研究行星的轨道及其成因，按照柏拉图学派的观点，以球的内接和外切正多面体等几何图形来描述太阳系各行星的轨道半径。他把这一想法，写成《神秘的宇宙》一书。这本书宣传了哥白尼学说，可是却充满神秘色彩。书稿几经曲折，终于在 1596 年底出版。图 1 – 7 是开普勒在《神秘的宇宙》一书中用几何图形构成的宇宙结构模型。

《神秘的宇宙》出版后开普勒寄了一本给他所崇拜的丹麦著名的天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brahe，1546—1601），第谷很欣赏开普勒的数学才华，1597—1560 年间两度邀请开普勒到自己的身边工作。1600 年 2 月 3 日开普勒到达第谷的贝纳特基堡观测台，担任第谷的助手。

第谷在丹麦国王的资助下，1576 年在哥本哈根海峡的一个小岛上修建了一座完善的天文台。第谷增大了观测仪器的尺寸并安装在坚固的基础上，给仪器进行了精密刻度，从而提高了仪器的精密度、稳定性和长期反复观测读数的可靠性。第谷还对大气的折射效应进行了修正，使他的观测的准确性达到前人的几十倍，甚至上百倍。经过二十余年的观测，第谷测量各个行星角位置的误差仅为 2′。不过，第谷并不相信哥白尼的学说，他认为地动思想是不能接受的，因此他的观测所依据的是一个折中的宇宙体系。在这个体系里，除地球和围绕着它的月亮外，其他天体都绕太阳运转，太阳率领着众行星围绕着地球运转，地球是静止不动的。

1601 年 10 月 24 日第谷去世，临终前把自己多年积累的天文观测资料留给了开普勒，嘱托他把这些观测结果整理发表出来。开普勒遵照第谷的遗嘱，克服了种种困难，经过艰苦繁杂的计算和编制，1627 年，《鲁道夫星表》终于出版。这份星表比当时任何一种星表都精确。直到 18 世纪中叶，这份星表仍被看作天文学上的标准星表，天文学家和航海家们都把它当作指南。

开普勒非常珍惜第谷一辈子辛勤观测获得的宝贵资料。从第谷的数据可以看出，开普勒原来设想的简单宇宙模型是不能解释实际观测结果的，因而也是不切实际的，开普勒只好重新思考。他坚信天体运行是有规律的，而且这些规律必定具有普遍性，也就是说，这些规律应该适用于尽可能多的星辰。他开始运用数学方法对第谷的数据资料进行系统的分析和整理。要在浩瀚的数据资料中找到普遍适用的数字公式就好像大海里捞针，需要进行无休止的繁杂的计算。这是一件艰巨而又几乎是毫无希望的事情，可以想象得到，开普勒要有何等的毅力才能把这件工作坚持做到底。

开普勒按照第谷生前的嘱托，集中力量对火星的轨道进行研究。在他之前，人们大都设想行星的轨道是以地球为中心的圆周，或者是围绕地球的偏心圆周。第谷本人笃信地心说，自然难以揭开火星轨道之谜。这时哥白尼的日心说刚提出不久，还很不成熟，正受到宗教界的围攻。开普勒的功绩首先是，他利用第谷的可靠数据证明了日心说的正确性。

开普勒把太阳、地球和火星看成三角形的三个顶点，用观测火星得到的数据，巧妙地计算出地球的实际轨道。然后他参照地球的实际轨道，以太阳为中心试算火星的轨道，证明无法取圆周作为火星的轨道。接着他仿照别人的方案，从偏心圆的角度来确定火星的轨道。

他作了多达七十次艰苦繁杂的计算，终于找到了一个比较符合第谷观测数据的参数，日心经度误差不大于 2 弧分，可以说是相当满意了。但纬度误差最大仍可达到 8 弧分，即 0.133 弧度，大大超过了第谷的观测误差。是第谷在观测中出现了失误吗？开普勒坚信第谷的测量工作是非常严谨的，他不会出这样大的错误。经过反复认真的核算，开普勒得出结论：必须放弃偏心圆的假设。于是他转而考虑以卵形曲线来代表火星的轨道。试来试去，都不成功，当他改取椭圆曲线进行试算时，发现火星的轨道跟椭圆符合得甚好。开普勒终于证明了：火星沿围绕太阳的椭圆轨道运行，太阳位于椭圆的一个焦点上。这就是开普勒第一定律，也叫椭圆定律。

开普勒进一步又发现了面积定律，即开普勒第二定律，内容是：在同样时间里，火星向径（即太阳中心到行星中心的连线）在轨道平面内扫过的面积相等。这就是说，行星离太阳越近，它运动得越快。1609 年，他出版了《新天文学》一书，公布了这两条行星运动定律。开普勒在书中还指出，这两条定律也适用于其他行星绕太阳和月球绕地球的运动。

开普勒的这一发现，打破了两千年来认为天体只能作匀速圆周运动的观念，使日心说与观测结果更加符合。这个发现也说明，精确的测量对于科学的发现是至关重要的。开普勒后来说：“8 弧分也不能忽视，正是这一点，导致了天文学上一场彻底革命。”

开普勒继续利用第谷的观测数据对行星运行的规律进行深入研究。在他的思想里，宇宙应该是和谐的整体。本着这一信念，他用各种办法探讨各行星的公转周期与它们离太阳的平均距离的关系。又经过九年的探索，最后终于找到了二分之三次方定律，即：行星运动周期的平方与其距太阳的平均距离之立方成比例。这就是周期定律，也叫开普勒第三定律。开普勒在 1619 年出版的《宇宙和谐论》一书中公布了这条定律。

开普勒在书中写道：“在黑暗中进行了长期探索之后，借助布拉赫的观测，我先是发现了轨道的真实距离，然后终于豁然开朗，发现了轨道周期之间的真实关系，……这一思想发轫于 1618 年的 3 月 8 日，但当时试验未获成功，又因此以为是假象遂搁置下来。最后，5 月 15 日来临，一次新的冲击开始了。起先我以为自己处于梦幻之中正在为那个渴求已久的原理设想一种可行的方案。思想的风暴一举扫荡了我心中的阴霾，并且在我以布拉赫的观测为基础进行了 17 年的工作与我现今的潜心研究之间获得了圆满的一致。”[1]

开普勒三定律系统地总结了行星运行规律，这是第谷和开普勒合作的成果，是精确的科学观测与严密的数学推算相结合的典范，这些定律的发现对推动天文学和力学的发展起了非常关键的作用。

1.2.3 伽利略捍卫哥白尼学说

伽利略是又一位献身于哥白尼学说的伟人。他出生在意大利比萨一个没落贵族家庭，17 岁时入比萨大学学医。但是伽利略对医学并无兴趣，却把很多时间用于钻研古希腊的哲学著作和欧几里得与阿基米德的数学著作。1589—1592 年，他受聘在比萨大学担任数学教席，脍炙人口的比萨斜塔实验可能就是在这个期间进行的。由于信奉哥白尼学说受到敌视和排挤，后来转到威尼斯公国的帕多瓦大学任教，直到 1610 年。这里罗马教廷的影响较小，自由思想的气氛较浓，使伽利略得以顺利地进行科学研究。

1609 年 5 月，伽利略在听说荷兰人发明望远镜之后，立即用一块平凸透镜和一块平凹透镜制成一个可以用于观察天体的望远镜，并用之于天文观测。1610 年初，他获得了几项重大发现，并在当年出版了《星界信使》一书。

伽利略在《星界信使》中首先宣布，月亮表面也和地球表面一样粗糙不平；他将望远镜指向天空的任何方向，都可以看到无数的星体；他发现，银河也是由千千万万颗暗淡的星星组成的。伽利略还观察到了金星的周相变化，表明它是围绕太阳运转的。特别是木星的 4 颗卫星的发现，对哥白尼学说提供了重要支持。伽利略在书中写道：“我们有了一个极好的论据去消除这样一些人的顾虑，他们可以容忍哥白尼体系中行星围绕太阳的运转，然而却对于月亮围绕地球运转，而月亮和地球又同时围绕太阳在周期为一年的轨道上运转这一点感到非常困惑，以至于他们认为这种宇宙理论必然是极度混乱的。”[2]此外，他还发现太阳表面上有黑子，从黑子在太阳表面上有规律的运动，他判断太阳也在自转，周期大约为 27 天。

《星界信使》的出版，对于哥白尼学说是一极大支持。

1616 年，有人控告伽利略在宣传哥白尼学说。罗马教会法庭警告他，不许再提倡这类学说，否则将受到审判和监禁。然而，伽利略并没有妥协。他经过多年的埋头研究，又撰写了一部宣传哥白尼学说的重要著作，书名《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。

这部书采用的是三个人对话的形式，全部内容由 4 天的对话组成。

第一天以批判亚里士多德学派关于天体的组成和性质完全不同于地球的学说为主，论证了天体和地球在本质上是类似的。对话中列举了新星的出现、彗星的兴衰、太阳黑子的变化等反证，驳斥了“不变”是高贵和完善的标志的传统观点。

第二天的对话驳斥了地球不动的观点，提出了相对性原理、惯性和运动叠加的概念。

第三天的对话论证了地球的周年运动。书中列举了大量的观测材料，揭露了托勒密体系的矛盾，证明了哥白尼体系的谐调和简明。

第四天的对话叙述了潮汐理论。伽利略的潮汐理论把潮汐看成是地球的自转和公转使地球产生颤动，引起海水激荡所产生，因而是错误的。但是这并不影响这部伟大著作对于宣传哥白尼学说所起的巨大作用。

《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（简称《两大世界体系的对话》）于 1632 年出版后，立刻遭到教士们的攻击，被教会列为禁书，1633 年伽利略受到罗马教会法庭的审判，被判处终身软禁。

[1] 宜焕灿选编.天文学名著选译.知识出版社，1989.98

[2] 宣焕灿选编.天文学名著选译，知识出版社，1989.112

发布时间：2008/1/10 11:09:00  阅读次数：10441