科学必定源于神话，并在对神话的批评中成长起来。

——卡尔·波普尔

我不觉得有责任相信，赋予我们感觉、理性和智慧的上帝故意让我们弃之不用。

——伽利莱·伽利略

生活在地球上虽然可能成本高昂，但它却包含了每年一度的绕日免费旅行。

——匿名

物理学不是宗教。如果是的话，我们挣钱就会容易得多。

——莱昂·莱德曼

我们的宇宙点缀着超过1000亿个星系。每个星系又包含大约1000亿颗恒星。目前还不清楚到底有多少行星在环绕这些恒星运行，但可以肯定的是，它们中至少有一个演化出生命。特别是，有一种生命形式已经具备了推测这个巨大宇宙起源的能力和胆量。

人类凝视太空已有几千代人的历史，但我们很荣幸，成为第一代可以声称对宇宙的创生和演化给予体面的、合理的和一致的描述的人里的一分子。大爆炸模型对我们在夜空中看到的一切事物的起源提供了一种优美的解释，这使它成为人类智慧和精神财富中最伟大的成就之一。它是永不满足的好奇心的结果，是神话般想象力的结果，是敏锐的观察力和无情的逻辑推理的结果。

更奇妙的是，大爆炸模型可以被我们每一个人所理解。我第一次了解大爆炸概念还是一个十几岁的少年，我被它的简单性和完美性震慑住了，对它那种很大程度上建立在未超出我在中学物理课上所学知识的范畴的原理之上这一点感到叹为观止。正如查尔斯·达尔文的自然选择理论，大多数心智健全的人都能理解并领悟其基本原理一样，大爆炸模型也可以用非专业人士能理解的语言来说明，而不必担心弱化了理论中的关键概念。

但在了解大爆炸模型的最早期状况之前，我们有必要学习一些基础知识做铺垫。宇宙的大爆炸模型是在上个百年里发展出来的。这是唯一可能的，因为20世纪的突破是建立在前几个世纪积累的天文学知识基础之上的。同样，有关天空的这些理论和观测又是在两千多年里无数前人刻苦钻研所创设的科学框架内取得的。往更远了说，这种科学方法，作为获取物质世界客观真理的途径，可能在神话和民间传说的作用开始减弱的那一刻就已经开始萌芽了。总而言之，大爆炸模型的根基和我们对科学宇宙论的追求可以回溯到古代神话世界观衰落之时。

从巨人造物主到希腊哲学家

根据公元前600年的中国创世神话，巨人盘古由一个蛋中脱壳而出，并着手创造世界。他用凿子刻出峡谷和山脉。接着，他设置了太阳、月亮和天上的星星。任务完成后他便去世了。巨人造物主的死亡也是创世过程的重要组成部分，因为他身体的碎片帮助完成了这个世界。盘古的头盖骨形成了天空的穹顶，他的肉体变成了土壤，骨头化为岩石矿脉，血化作江河和海洋。他的最后一口气变成了风和云，而他的汗水则变成了雨。他的头发落到地面，产生了植物生命，头发里的跳蚤即为人类的先祖。由于我们的出生需要以我们的造物主的死亡为代价，因此我们都会受到悲伤的诅咒。

相反，在冰岛的（散文体）史诗神话《埃达》里，宇宙的创生不是始于一个蛋，而是诞生于巨大的缺口。这个虚空将南方的火热之地（MuspeII）与北方的严寒之地（NifIheim）分开，直到有一天，火热之地的炎炎酷热将严寒之地的冰雪融化，水雾侵入巨大的缺口，点燃了巨人伊米尔（Imir）的生命。这样，世界的创生才开始。

西非多哥的克拉钦（Krachi）人则讲述了另一个版本的巨人故事。这个巨人叫蓝色巨神乌尔巴里（WuIbari），他就是我们再熟悉不过的天空。他曾一度躺在地球上方，但一个用长木棒捣粮食的女人不停地戳他，他只好将自己升空到这个讨厌鬼够不着的地方。然而，乌尔巴里还是在人间够得着的地方活动，他曾用其腹部作毛巾，从他的蓝色身体上取一部分体液来增添他们的汤的滋味。但渐渐地，乌尔巴里升得越来越高，直到蓝天变得遥不可及，且一直保持至今。

还是在西非，在约鲁巴人看来，奥勒伦（OIorun）才是天空的主人。他向下看了一眼了无生机的沼泽后，便要求另一位神带着蜗牛壳降临到荒蛮的地球上。蜗牛壳里有一只鸽子、一只母鸡和一丁点土壤。土壤被撒在地球的沼泽上，随后母鸡和鸽子便开始用爪子挠地，并用嘴啄地，直到沼泽变成坚实的大地。为了检验它们的工作，奥勒伦又派变色龙下凡，变色龙从天上降临到大地后，身上的颜色也由蓝色变成褐色，表明母鸡和鸽子已成功地完成了它们的任务。

在世界各地，每一种文化都有它们自己的关于宇宙的起源和它是如何形成的神话。这些创世神话差异极大，但每个神话都反映了它所起源的环境和社会。在冰岛，正是火山和那里特有的气象条件形成了伊米尔诞生的背景，但在西非约鲁巴人那里，则是大家熟悉的鸡和鸽子带来了坚实的土地。不过，所有这些独特的创世神话都有一些共同的特点。无论是巨大的、蓝色的、伤痕累累的乌尔巴里，还是中国垂死的巨人，这些神话不可避免地都要求助于至少一个超自然的存在，来扮演宇宙创生的解释中所起到的至关重要的作用。此外，每一种神话在其诞生的社会中代表了绝对真理。“myth（神话）”一词源自希腊词“mythos”，其本义可以是“故事”，但在“最后指令”的意义上也可以是“命令”。事实上，任何胆敢质疑这些解释的人都将置自己于异端邪说的境地。

这种情况直到公元前6世纪才有了大的改变。当时在知识阶层中突然形成了一种宽容的氛围。哲学家第一次可以自由放弃公认的对宇宙起源的神话解释，并发展他们自己的理论。例如，米利都的阿那克西曼德认为，太阳是一个环绕地球转动的，其内燃烧着熊熊大火的环形的洞。同样，他还认为，月球和星星无非就是天空中的洞，露出了其中隐藏的火。而科洛封的色诺芬则认为，土渗出可燃气体，这些气体在晚上积累到一个临界点并被点燃，从而产生太阳。当气态的球燃烧殆尽后，夜幕便再次降临，燃烧留下的点点火花便构成我们所称的星星。他解释说，月球以同样的方式运行，只不过它的气体聚集和燃烧有一个28天的周期。

色诺芬和阿那克西曼德的解释是否接近事实并不重要，因为真正的要点是他们发展了一些不诉诸超自然的器物或神灵来解释自然界的理论。这种认为太阳是我们透过天空中的洞看见的天火，或是一个燃烧着的气态火球的理论，性质上不同于那种将太阳解释成战神赫利俄斯驾驶的驶过天际的火热的战车的希腊神话。这不是说新一波哲学家必然要否定神的存在，而只是说他们不愿相信自然现象都是上帝干预的结果。

这些哲学家是第一批宇宙学家，因为他们对物理宇宙及其起源的科学研究感兴趣。“宇宙学”这个词源自古希腊单词“kosmeo”，意思是“有序”或“有组织”，反映了宇宙是可以理解的，是值得分析研究的这一信念。宇宙有模式，古希腊人的雄心就是想辨别出这些模式，予以详尽的考察，了解其背后的机制。

称色诺芬和阿那克西曼德是现代意义上的科学家这肯定过于夸张，认为他们的想法是完全成熟的科学理论不啻对他们的奉承。但不管怎样，他们确实对科学思维的诞生做出了某种贡献，他们的精神与现代科学有很多共同之处。举例来说，如同现代科学中的思想一样，古希腊宇宙学家的观点可以受到批评和比较，被提炼或放弃。古希腊人爱好辩论，所以哲学家的圈子里会审查各种理论，质疑其背后的原因，并最终择出哪一种理论是最有说服力的。与此相对照，在其他许多文化中，个人不敢质疑本民族的神话。每一种神话在其社会中都是一种信仰。

大约自公元前540年开始，萨摩斯的毕达哥拉斯帮助加强了这种新理性主义运动的基础。作为其哲学的一部分，数学在他那里得到了长足的发展。他展示了数字和公式如何能够帮助用来构建科学的理论。他的第一个突破是通过数字的调和来解释音乐的和谐。古希腊早期音乐中最重要的乐器是四弦琴，但毕达哥拉斯利用单根弦制成的单弦琴进行实验，发展了他的理论。让弦保持固定的张力，但弦长可以改变。弹拨特定长度的弦产生一个特定的音符，毕达哥拉斯认识到，如果将同一弦长减半，则产生的音调高八度，且与原长的弦所发出的音相和谐。事实上，按简单的分数或比值来改变弦的长度，将产生一个与第一个音符和谐的音（例如：比例3:2发出的音现在称为五度乐音），但按照不合适的比例来改变弦长（例如15:37）就将导致不和谐。

自从毕达哥拉斯证明了数学可以用来帮助解释和描述音乐之后，随后几代科学家便都试着用数字来探索一切事情——从炮弹的轨迹到混沌的天气。威廉·伦琴，就是在1895年发现了X射线的那一位，便是毕达哥拉斯数学科学学派的坚定信徒。他曾指出：“物理学家在准备工作时需要三样东西：数学、数学还是数学。”

毕达哥拉斯的口头禅是“一切皆数”。在这种信念的推动下，他试图找出支配天体的数学法则。他认为，天空中太阳、月亮和行星的运动产生出特定的音符，具体音高由它们的轨道长度来确定。因此，毕达哥拉斯得出结论，这些轨道和音符必然具有特定的数值比例，因为宇宙是和谐的。这成为当时流行的理论。我们可以从现代的角度来重新审视它，看看它在当今严格的科学方法面前是不是还能站得住脚。从积极的一面看，毕达哥拉斯声称宇宙中充满了音乐这一点没有诉诸任何超自然的力量。而且，这个理论相当简单，也相当优美，这两种特质在当今科学里受到高度重视。在一般情况下，一个建立在单个简洁、优美的方程基础上的理论要比一个建立在多个复杂、丑陋的方程（其品质需要诸多繁复虚饰的注解来说明）基础上的理论更受青睐。正如物理学家伯恩特·马蒂亚斯所言：“如果你在《物理评论》上看到一个公式占了超过四分之一页，算了吧，是错的。大自然不会那么复杂。”然而，简洁和优美还不是科学理论最重要的特征。最重要的是理论结果必须与实际相吻合，必须能被检验，而这正是天体音乐理论不完备的地方。根据毕达哥拉斯的解释，我们时时刻刻都沐浴在他假想的天籁之中，但我们之所以感知不到它，是因为我们自出生后就一直听到它，已经变得充耳不闻了。但不管他怎么解释，说到底，任何理论，如果它预言有一种音乐你可能永远听不到，或有一种东西你无法检测到，那么它只能是一种蹩脚的科学理论。

每一种真正的科学理论都必须对宇宙间的事物做出可观察或可测量的预言。如果实验或观测结果与理论预言的结果相匹配，那么我们就有充分的理由接受这一理论，并将其并入更大的科学框架内。反之，如果理论预言不准确，而且与实验或观测结果相冲突，那么这一理论就必定会被拒绝，或至少是需要更改，不论从美学还是简单性上看这一理论有多好。这是最高级别的挑战，是最残酷的挑战，但每一种科学理论都必须是可检验的，并与实际事实相容。对此19世纪的博物学家托马斯·赫胥黎这样论述道：“科学的大悲剧——一个美丽的假说被一个丑陋的事实所戕害。”

幸运的是，毕达哥拉斯的后继者们在他的想法基础上建立并改进了他的方法论。科学逐渐成为一门日益复杂和强大的学科，它能够取得惊人的成就，例如对太阳、月球和地球的实际直径，以及它们之间的距离进行测量。这些测量活动是天文学史上的里程碑，它们代表了人类在了解整个宇宙的道路上迈出的试探性的第一步。因此，这些测量活动值得在此稍加详细地说明。

在天体的距离或大小可以计算出来之前，古希腊人最先建立起大地是一个球体的概念。随着哲学家慢慢熟悉这样一种现象——远去的帆船逐渐消失在地平线下，只露出桅杆的顶——这种观念得到了古希腊人的认可。因为这种现象只有将海面看成是曲面并在远处消失才能够说得通。如果海面具有曲面性质，那么可推知大地也应如此，这意味着它可能是一个球体。这一观念通过对月食的观测得到了强化。月食的发生源自地球在月球上投下的圆盘形影子，其形状恰如你所预料的一个球形物体的投影一样。同样重要的事实是，每个人都可以看到，月球本身就是圆的，这表明球形是存在的一种自然状态，这一点为球状大地假说增添了更充分的理由。一切都开始变得好理解了，包括希腊史学家和旅行家希罗多德的著作。希罗多德在书中讲述道，在遥远的北方，人们一睡就是半年的时间。如果大地是球形的，那么球面上不同的地区根据其纬度的不同会有不同的白天时长，这自然就产生了极地的冬季和夜晚要历时6个月的现象。

但是，球形的地球产生了一个问题，这个问题即使在今天依然让孩子们困惑不解——是什么力量阻止了南半球的人们不会掉下去？古希腊人解决这个谜团的办法是基于信仰——相信宇宙有一个中心，一切都受到这个中心的吸引。地球的中心理应恰与这个假设的宇宙中心重合，因此地球本身是静态的，其表面上的一切东西都被拉向中心。因此，希腊人都因为这个力才能够站在地面上，正如地球上的其他人一样，即使他们生活在地球的背面。

测量地球大小的壮举最早是由出生于约公元前276年的昔兰尼（今利比亚）的埃拉托色尼完成的。甚至在他还是个小男孩时，埃拉托色尼就显露出过人的聪慧，他的知识遍及任何学科，从诗歌到地理。他甚至被戏称为“五项全能者”，就是说像一个从事五项全能运动项目的运动员一样，才华遍及各领域。埃拉托色尼作为图书馆馆长在亚历山大城住了很多年。图书馆馆长这个职位在古代世界可以说是最有名望的学术职务。当时，大都会亚历山大城取代雅典成为地中海地区的知识文化中心，该城的图书馆是世界上最受尊敬的学术机构。这里可没有成天在书上加盖日期的刻板的图书管理员，也没有人交头接耳窃窃私语，因为这是个充满活力、令人兴奋的地方，到处是鼓舞人心的学者和让人眼花缭乱的学生。

正是在主持这个图书馆期间，埃拉托色尼了解到，在埃及南部的赛伊尼城（今阿斯旺镇）附近有一口具有奇特用途的井。每年的6月21日夏至这天的中午，太阳直射井底。埃拉托色尼认识到，在这个特定的日子里，太阳必定在头顶正上方，而这种事情从来没有在赛伊尼以北几百千米外的亚历山大发生过。今天我们知道，这是因为赛伊尼靠近北回归线，那里是太阳可以在头顶正上方的最北端的纬度区域。

埃拉托色尼意识到，太阳之所以不能同时在赛伊尼和亚历山大两地过头顶，原因在于大地是弯曲的。他想到应该可以利用这个性质来测量地球的周长。他考虑这个问题的方式可能与我们今天的考虑有所不同，他的几何解释和他所用的符号也不尽相同，因此这里给出的是他的方法的现代阐释版本。图1显示了来自太阳的平行光线在6月21日中午直射地球的情形。在正午时刻，在赛伊尼，阳光直射井底；在亚历山大，埃拉托色尼在地上立了根直杆，并测量了阳光与立杆之间的角度。最重要的是，这个角度等同于亚历山大和赛伊尼两地到地球中心的两根径向延长线之间的夹角。他测得的角度为7.2°。

接着，假设有人决定从赛伊尼径直走到亚历山大，然后马不停蹄地继续走下去，直到他环绕地球一圈回到赛伊尼。那么这个人便绕了360°整整一圈。因此，如果赛伊尼与亚历山大之间的角度为7.2°，那么赛伊尼与亚历山大之间的距离即为地球周长的7.2/360即1/50。接下来的计算就简单了。埃拉托色尼测得两个城镇之间的距离是5000斯塔德。 如果这代表地球周长的1/50，那么总的周长必为250000斯塔德。

但你可能会嘀咕，这25000斯塔德到底是多长？我告诉你，一个斯塔德就是举行体育比赛用的跑道的标准长度。当时奥林匹克体育场的跑道为185米，所以地球的周长由此可估计为46250千米，这仅比40100千米的实际值大了15%。事实上埃拉托色尼得到的值可能更精确。因为埃及人的斯塔德不同于奥林匹亚人的斯塔德，前者只有157米，这样给出的周长是39250千米，误差只有2%。

他的误差是2%还是15%是无关紧要的。重要的是，埃拉托色尼如何科学地估算出地球大小的方法。不够精确仅仅是诸多因素——角度测量不够好，赛伊尼—亚历山大之间距离的测量有误差，至日中午的时间掐得不够准，以及亚历山大不是位于赛伊尼的正北等——的结果。在埃拉托色尼之前，没有人知道地球周长是4000千米，还是40亿千米，所以能够确定下来大致为40000千米不啻一个巨大成就。它证明了，一个人要想测量这个星球，需要的不只是尺子，还要有一颗大脑。换句话说，只要智慧与某些实验装置嫁接起来，那么几乎所有事情都有可能实现。

对埃拉托色尼来说，现在有可能推算出月球和太阳的大小以及它们与地球的距离。这方面的大部分基础性工作已经由早期自然哲学家完成，但在地球的大小被确立之前，他们的计算都是不完整的，现在埃拉托色尼有了这个缺失的值。例如，通过比较月食时地球在月球上投射的阴影的大小（如图2所示），就有可能推断出月亮的直径约为地球的四分之一。一旦埃拉托色尼知道了地球的周长为40000千米，那么其直径大约就是（40000/π）千米，这大概是12700千米。因此，月球的直径为12700/4千米，即大约为3200千米。

接下来埃拉托色尼很容易估计出地月之间的距离。一种方法是伸出你的手臂，竖起手指，闭上一只眼，盯着满月看。如果你试着这么做，你就会发现，你的食指指尖可以遮住月亮。图3显示了你的指甲与你的视线形成一个三角形。月亮与你的视线构成一个相似的三角形，虽然二者大小差很多，但比例相同。你的臂长与指甲高度之间的比大约是100:1，这个比值必然也是地月之间的距离与月球自身的直径之比。这表明地月间距离大致是月球直径的100倍，即320000千米。

接下来是估计太阳的大小和距离。要感谢克拉佐美纳伊（CIazomenae）的阿那克萨哥拉提出的假设，和萨摩斯的阿里斯塔克斯为此提出的绝妙论证，它使得埃拉托色尼能够用来计算太阳的大小以及日地间距离。阿那克萨哥拉是公元前5世纪的一位激进的思想家，他认为人生的目的就是“研究太阳、月亮和天堂”。他认为，太阳是一块白热化的石头而不是神。同样，他相信各个恒星也是热的石头，只是距离太远无法加热地球。相反，月亮被认为是一块冰冷的石头，是不发光的，而且阿那克萨哥拉还认为，月光只不过是对太阳光的反射。

尽管阿那克萨哥拉所居住的雅典的学术氛围越来越宽容，但要宣称太阳和月亮是岩石而不是神仍然存在很大争议，以至于嫉妒的竞争对手指责阿那克萨哥拉为异端，并组织起一场声讨运动，导致他被流放到小亚细亚的兰萨库斯。雅典人有一个爱好，就是用偶像来装饰他们的城市，这就是为什么大主教约翰·威尔金斯会在1638年不无讥讽地指出，一个把神变成石头的人会受到一个把石头变成神的人的迫害。

在公元前3世纪，阿里斯塔克斯对阿那克萨哥拉的想法进行了论证。如果月光是对阳光的反射，他论证道，那么当太阳、月亮和地球形成一个直角三角形时，必然会出现半个月亮，如图4所示。阿里斯塔克斯测量了地球分别到太阳和到月亮的连线之间的夹角，然后用三角学算出了地月之间和日地之间距离的比值。他测得的角度为87°，这意味着日地之间距离大约是地月间距离的20倍，而我们前面的计算已经给出了我们到月球的距离。事实上，正确的角度是89.85°，而且太阳要比月球远400倍，因此阿里斯塔克斯显然还得为精确测量这个角度继续努力。同样，测量的精度不是关键，关键是希腊人想出了一种有效的方法，这才是关键性的突破，更好的测量工具将使得未来的科学家更接近真实的答案。

最后，导出太阳的大小就简单了，因为一个公认的事实是，日食期间月球几乎完全遮盖住太阳。因此，太阳的直径与日地间距离的比必然等于月亮的直径与地月间距离的比，如图5所示。我们已经知道月亮的直径和它到地球的距离，而我们也知道太阳到地球的距离，因此太阳的直径很容易计算出。这种方法与图3所示的方法是一样的，只不过现在月球取代了那里的指甲的位置。

埃拉托色尼、阿里斯塔克斯和阿那克萨哥拉的惊人成就说明，古希腊的科学思维正在取得进步，因为他们对宇宙的测量依赖的是逻辑、数学、观察和测量（现代对他们测量的结果修正如表1）。但希腊人真的能够享有奠定科学基础的荣耀吗？那么巴比伦人在天文学上的贡献又当如何看待呢？毕竟，作为伟大的、讲求实际的天文学家，他们曾进行过数以千计的观察。科学哲学家和科学史学家普遍认为，巴比伦人不是真正的科学家，因为他们仍然满足于相信神主宰宇宙和神话解释。不管怎么说，比起真正的科学，收集数百种测量结果和罗列数不清的恒星和行星的位置只能算是小打小闹。科学的志向是要凭借对宇宙基本性质的理解来解释这些观察。法国数学家暨哲学家亨利·庞加莱对此说得很到位：“科学是由事实建立起来的，就像房子是用石头建造的。但事实的收集还不是科学，正像一堆石头不是一所房子一样。”

如果巴比伦人不算是第一批原始科学家，那么埃及人又当如何呢？胡夫大金字塔可是要比帕特农神庙早了两千年，而且就埃及人发展出的秤、化妆品、油墨、木门锁、蜡烛和其他许多发明来看，他们肯定远远走在了希腊人的前面。然而，这些是技术，不是科学。技术是一种实践活动，正像上述埃及人的例子所展示的那样，它们有助于使葬礼变得隆重，促进交易、美容、写作、安全和照明。简言之，技术是要让我们的生活（和死亡）变得更舒适体面，而科学则是单纯为了理解世界。科学家们受到的是好奇心的驱使，而不是舒适和实用的驱使。

虽然科学家和技术人员有着非常不同的目标，但是科学和技术经常被混淆为同一件事情，这可能是因为科学发现往往会导致技术上的突破。例如，科学家们花费了数十年做出关于电的发现，而技术专家则借此发明了灯泡和其他许多电力设备。然而，在远古时代，技术的增长无须得益于科学，所以埃及人可以是成功的技术人员而无须掌握任何科学。当他们酿制啤酒时，他们感兴趣的是技术方法和结果，而不是原因，他们不必知道一种原料为什么或怎样转化为另一种物质。他们不具有工序背后的化学或生物化学机制的知识。

因此，埃及人是技术专家，而不是科学家，而埃拉托色尼和他的同事们则是科学家，不是技术专家。二千年后的亨利·庞加莱对古希腊的科学家的意图做了如下描述：

科学家研究自然不是因为它有用，而是因为他对它感兴趣。他之所以对它感兴趣，是因为它很美。如果自然不美，它就不值得去理解，如果自然不值得理解，生命就没有意义。当然，我这里说的不是那种作用于感官的美，那种品质和外观之美；我不是要低估这种美，远离这种美，而是这种美与科学没有任何关系。我在这里谈的是更深刻的美，它来自各部分之间和谐的秩序，并且只有智力可以把握。

总之，希腊人展示了如何从到太阳的距离的知识去获知太阳的直径，而前者又取决于对到月球距离的了解，而这则取决于对月球直径的认识，这种认识又取决于对地球的直径的认识，地球直径的获知则是埃拉托色尼的伟大突破。获取这些距离和直径的垫脚石则是由一系列观察——北回归线上深的竖井，地球投射在月球上的阴影，太阳、地球和月球在半月月相期间构成直角三角形的事实，以及月亮在日食期间完全遮住太阳等——铸就的。除此之外，一些假设，如月光是对太阳光的反射，和科学逻辑框架的初具规模，也是必不可少的条件。科学逻辑的这种架构有其内在的美，这种美体现在如何将各种论据组合在一起，如何将几个测量结果彼此联系起来，以及不同的理论是如何突然被引入来支撑知识大厦的过程中。

完成了最初阶段的测量后，古希腊天文学家们现在可以准备考查太阳、月亮和行星的运动了。他们试图建立一个宇宙的动力学模型，以便辨别各天体之间的相互作用。这将是更深入了解宇宙的征途上的下一步。

圆套圆

我们最遥远的祖先详细研究了天空，从预测天气变化、跟踪时间到辨别方向，应有尽有。他们白天看着太阳穿过天空，晚上盯着接踵而来的星星列队游行。他们站立的土地是坚实固定的，所以认为重物都向着静态的地球运动而不是相反是很自然的事情。因此，古代的天文学家发展出地球中心论的世界观，就是说，地球是一个让整个宇宙围绕它旋转的静止的球。

实际上当然是地球绕着太阳运动，而不是太阳绕着地球转，但没有人认为存在这种可能性，直到克罗顿的菲洛劳斯参与到论战里来。菲洛劳斯是公元前5世纪的毕达哥拉斯学派的门生，他第一个提出地球绕太阳转而不是相反。在接下来的一个世纪里，庞杜斯的赫拉克利德斯接过了菲洛劳斯的想法，尽管他的朋友们都以为他疯了，给他起了个绰号叫paradoxoIog——“矛盾制造者”。给这种宇宙图像进行最后的润色的是阿里斯塔克斯，他出生于公元前310年，即赫拉克利德斯去世的同一年。

表1

埃拉托色尼、阿里斯塔克斯和阿那克萨哥拉的测量结果不准确，因此下表引用这些不同距离和直径的现代的精确值予以修正。

地球的周长40100千米=4.01×10 4 千米

地球的直径12750千米=1.28×10 4 千米

月球的直径3480千米=3.48×10 3 千米

太阳的直径1390000千米=1.39×10 6 千米

地月距离384000千米=3.84×10 5 千米

日地距离1.5亿千米=1.50×10 8 千米

此表也可作为指数计数法——一种表示大数的方法——的介绍。宇宙学里有一些非常非常大的数。

10 1 表示10=10

10 2 表示10×10=100

10 3 表示10×10×10=1000

10 4 表示10×10×10×10=10000

等等

例如，地球的周长可以表示为：40100千米=4.01×10000千米=4.01×10 4 千米。

指数计数法是一种简洁的表达，否则将需要用很多个零。10 N 的另一种考虑是省去1后面的N个零，故10 3 是1后面三个零，即1000。

指数计数法也可用于书写非常小的数：

10 -1 表示1÷10=0.1

10 -2 表示1÷（10×10）=0.01

10 -3 表示1÷（10×10×10）=0.001

10 -4 表示1÷（10×10×10×10）=0.0001

等等

虽然阿里斯塔克斯对测量到太阳的距离有贡献，但比起他对宇宙的惊人准确的概述，这只能算是一个小小的成就。他试图清除掉有关宇宙的那种出于直觉的（但却是不正确的）图像，即地球是一切的中心的图像，如图6（a）所示。与此相反，阿里斯塔克斯的不太显然（但却是正确的）图像是：地球是绕着一个更占优势的太阳旋转，如图6（b）所示。阿里斯塔克斯还说对了一点：地球绕自身轴线自转的周期是24小时，这就解释了我们每个白天面朝太阳，每个夜晚背对着它的原因。

阿里斯塔克斯是一位受人尊敬的哲学家，他的天文学思想众所周知。事实上，他的太阳中心宇宙论是由阿基米德记录下来的。阿基米德写道：“他的假设是：恒星和太阳都是不动的，地球围绕太阳做圆周运动。”然而，哲学家们完全摒弃了这种非常精准的太阳系图像，致使太阳中心说的想法在随后的一千五百年里消失了。古希腊人被认为是聪明人，但为什么要拒绝阿里斯塔克斯的有见地的世界观，而坚持以地球为宇宙的中心呢？

以自我为中心的态度可能是地球中心论世界观背后的促成因素，但人们之所以偏爱地球中心论的宇宙而不看好阿里斯塔克斯的以太阳为中心的宇宙，还有其他原因。日心世界观的一个基本问题是它看起来太过荒谬。事情看上去很明显，太阳每天围着静态的地球旋转而不是相反。总之，以太阳为中心的宇宙有悖于常理。但是，优秀的科学家不应该被常理所左右，因为事情往往是基于科学道理。爱因斯坦就谴责过常识，宣称它是“18岁之前形成的各种偏见”。

希腊人拒绝阿里斯塔克斯的太阳系的另一个原因是它显然未能经得起严谨的检验。阿里斯塔克斯建立的宇宙模型应该是符合现实的，但人们并不清楚他的模型是准确的。难道地球真的围绕太阳在转？批评者指出，阿里斯塔克斯的太阳中心模式有三个明显的缺陷。

首先，希腊人认为，如果地球在动，那么我们就会感觉到始终有风在吹向我们，我们应感觉到脚下的地面在动。然而我们并没有感觉到这样的风，也没有觉得地面在动，所以希腊人的结论是：地球必定是固定不动的。当然，地球确实是动的，我们之所以感觉不到这种掠过空间的速度，是因为地球上的一切都与它一起运动，包括我们自身、大气和地面在内。希腊人还领悟不了这种说法。

第二个成问题的观点是，运动的地球与希腊人对引力的理解不相容。正如前面提到的，传统的观点认为，一切事物都倾向于向宇宙中心运动，而地球已经处于这个中心，所以地球是不动的。这个理论非常有意义，因为它解释了苹果为什么会从树上落下来向着地球中心运动，因为它们受到宇宙中心的吸引。但如果太阳是宇宙的中心，那么为什么物体会落向地球？相反，苹果不应该从树上掉下来，而应该被吸向太阳——事实上，地球上的一切都应该落向太阳才对。今天，我们对引力有了更清晰的认识，这使得日心说的太阳系变得更好理解。现代引力理论描述了大质量地球附近的物体是如何被地球所吸引的，同样，行星的轨道运行是受到更大质量的太阳的引力使然，然而这样的解释超出了希腊人的有限的科学知识范围。

哲学家们拒绝阿里斯塔克斯的日心宇宙说的第三个原因是，恒星的位置没有明显的变化。如果地球绕着太阳飞驰过巨大的距离，那么我们应该会在一年里从不同的位置来看宇宙。我们不断变化的位置意味着从不同的角度看宇宙，我们应该能看到星星之间彼此的相对移动，即所谓的恒星视差。这种局部的视差现象你向正前方伸出一根手指就可感觉到。闭上左眼，用右眼看手指附近的物体，例如窗户的边缘，与你闭上右眼，用左眼看同一物体时所看到的对象会有不同，这就是视差。如果你让两眼的闭合不断地来回切换，你会看到手指似乎在跳来跳去。因此，你变换视角，那么距离手指几厘米外的物体就会有明显的位置移动。其图像如图7（a）所示。

地球到太阳的距离为1.5亿千米，因此如果地球绕太阳转动，那么6个月后它距原来的位置将有3亿千米远。希腊人发现，在一年的过程中，根本无法探测到恒星位置的任何相对变化，尽管按照地球绕日转动说地球位置存在着巨大的变化。证据似乎再次表明，地球是不动的，是处在宇宙的中心这一结论。当然，地球就是不绕太阳运行，也存在恒星视差，但在希腊人看来，这是因为恒星都十分遥远的缘故。你可以再次进行轮换单眼观察物体的实验来体会这种视差减小的效果：现在充分伸展你的手臂，使你的手指在一米开外。再次用你的右眼去看与手指成一直线的窗户的边缘。这一次，当你切换到左眼观看时，你会发现视差变化比以前显著小了，因为你的手指离得较远，如图7（b）所示。总之，地球不动，但视差的变化会随着距离增大而迅速减小。恒星都非常遥远，因此恒星的视差无法用原始的设备检测出来。

当时，反对阿里斯塔克斯的日心宇宙模型的证据似乎是压倒性的，因此为什么他的所有哲学家朋友都相信地心模型是完全可以理解的。他们的传统模式非常有道理、富于理性而且自洽。他们满足于自己对宇宙的看法，认为自己就处在它的中心位置。然而有一个突出的问题。虽然太阳、月亮和星星看似都乖乖地环绕地球游行，但有5个天体却以相当随意的方式磨磨蹭蹭地横跨天空。偶尔，它们中的一些甚至敢随时停下来，然后扭头做反向运动，即所谓逆行。这些流浪的反叛者是其他5个已知的行星：水星、金星、火星、木星和土星。事实上，“行星”这个词源自希腊语“pIanetes”，意思是“流浪者”。同样，巴比伦语里称行星叫“bibbu”，字面意思是“野羊”——因为行星似乎满世界乱窜。而古埃及人称火星为“sekded-ef em khetkhet”，意思是“一个反向旅行者”。

从我们现代的地球绕日转动的观点看，这些天体的流浪汉行为很容易理解。实际上，行星是以稳定的方式绕日运动，但我们是从一个运动的观测平台——地球——来看它们，这就是为什么它们的运动看上去似乎是不规则的。特别是火星、土星和木星的逆行表现很容易解释。图8（a）展示的是一个只包含了太阳、地球和火星的简化版太阳系。地球绕日旋转的速度比火星快，因此当我们赶上火星，并超越它之后，我们观察火星的视线就会转换到逆向。然而，从旧的地球中心说的角度来看，我们坐在宇宙的中心，周围的一切都围绕着我们转，这样火星轨道就成了一个谜。如图8（b）所示，火星绕地球旋转时看起来就像是以一种最奇特的方式做着回转运动。土星和木星也显示出类似的逆行行为，古希腊人也有过这样的带圈轨道的概念。

这些带圈的行星轨道让古希腊人很难理解，因为按照柏拉图和他的学生亚里士多德的观点，所有的轨道都应该是圆形的。他们宣称，圆，以其简单、优美和无始无终的特征，成为最完美的形状，因为天堂是完美的境界，因此天体必然做圆周运动。几个世纪里，一些天文学家和数学家一直在研究这一问题。他们发展出一套精巧的解决方案——一种根据若干个圆的组合来描述行星的带圈轨道的方法。它符合柏拉图和亚里士多德关于圆运动的最完美的要求。这套解决方案与一位天文学家紧密关联，他就是生活在公元2世纪的亚历山大城的托勒密。

托勒密的世界观的起点是一种在当时普遍持有的假设，即地球处在宇宙的中心并且是固定不动的，否则“所有的动物和所有单独的重物都将被撇下，飘浮在空中”。接下来，他根据简单的圆运动解释了太阳和月亮的轨道。然后，为了解释逆行，他发展出一套圆套圆的理论，如图9所示。为了形成周期性的逆行路径，如前述火星的视在行为，托勒密先是提出单个的圆（所谓均轮），在这个圆上有一根想象的棒，其一端作为支点位于圆上，行星则位于这个棒的另一端。如果主均轮圆固定不动，棒绕其支点旋转，那么行星将划过一个短半径的圆形路径（所谓本轮），如图9（a）所示。反过来，如果主均轮圆转动而棒保持固定不动，那么行星将走过一个具有较大半径的圆形路径，如图9（b）所示。现在将二者合起来，棒绕其枢轴转动，同时又随主均轮圆一起转动，这时行星的路径就将是两个圆运动的复合，它模拟出逆行的回转，如图9（c）所示。

虽然圆和支点的描述传递出托勒密模型的核心思想，但这个模型实际上要复杂得多。首先，托勒密的模型是三维的，需要用水晶球来构建，但为了简单起见，我们将继续从二维圆的角度来考虑。另外，为了准确解释不同行星的逆行，托勒密必须仔细调整均轮的半径和每颗行星的本轮的半径，并选好每个转动的速度。为了获得更高的精确度，他引入了另外两个变量：偏心和对点。偏心定义为这样一个点，它位于地球的一侧，充当均轮圆的稍微偏离地球中心的圆心，而对点定义为圆心附近与地球位置相对且等距的另一个点，其作用是促成行星变速。对行星轨道的这种越来越复杂的解释变得让人很难想象，但其实质无非就是在圆上叠加更多的圆。

对于托勒密的宇宙模型，我们可以在游乐场找到它的最好的类比。月亮走过的是一个简单的路径，有点像一个为幼儿准备的相当温和的旋转木马。而火星的轨道更像是一个疯狂的华尔兹单车，车手被锁定在摇篮里，摇篮的支点在很长的旋转臂的末端。当摇篮自转时骑手划过一个圆形路径，但同时，摇篮跟随旋转臂划过另一个更大的圆形路径。有时这两个运动相结合，形成一个更大的前进速度，而有时摇篮相对于转臂向后移动，总体速度减慢甚至逆转。在托勒密的术语里，摇篮在本轮里打转，而长臂描绘出的就是均轮。

托勒密的地心宇宙模型完全是遵从这样一种信念来构造的：一切都围绕着地球转动，所有天体的运行轨道都是圆。由此产生了一个复杂得离谱的模型，其中充满了堆在均轮上的本轮，既有对点又有偏心。在阿瑟·库斯勒写的《梦游》这本描述早期天文学史的书里，托勒密模型被描述成“疲乏的哲学和颓废的科学结合的产物”。然而，托勒密系统尽管有根本性错误，但它满足一个科学模型所必须具备的一项基本要求，那就是它所预言的每颗行星的位置和运动的精确度要比以往任何模型都高。即使是阿里斯塔克斯的日心宇宙模型，尽管在根本上是正确的，但它无法以这种精确性来预言行星的运动。所以，说一千道一万，最后之所以还是托勒密模型坚挺了下来而阿里斯塔克斯的模型消失了，就不足为奇了。表2总结了两种模型的主要优缺点，正如古希腊人所理解的那样，它只会加强地心模型的明显优势。

托勒密的地心模型被写进了他的《至大论》（“集大成”），一本写于约公元150年的皇皇巨著，它一面世便成为随后几百年里天文学最权威的典籍。事实上，在下一个千年里，欧洲的每一位天文学家都深受《至大论》的影响，没有人认真质疑过其地心宇宙图像。公元827年，《至大论》的影响进一步扩大，它被翻译成阿拉伯文，并改名为《天文学大成》（“最伟大的书”）。因此，在欧洲中世纪经院哲学盛行的停滞时期，托勒密的思想依然保持活力，并得到中东地区伟大的伊斯兰学者的研究。在伊斯兰帝国的黄金时期，阿拉伯天文学家发明了许多新的天文仪器，取得了一批重要的天体观测结果，并建立起几座主要的天文台，如位于巴格达的沙马希亚（AL-Shammasiyyah）天文台，但他们从来没有怀疑过托勒密的由一个圆套着一个圆来给出行星轨道的地心宇宙学说。

随着欧洲终于开始从知识沉睡中醒来，古希腊人的知识取道西班牙托莱多的莫里斯城（这里有一座宏伟的伊斯兰图书馆）重新回归西方。1085年，西班牙国王阿方索六世从摩尔人手中夺取了这座城市，于是欧洲各地的学者有了前所未有的机会来获取当时世界上最重要的知识宝库里的信息。图书馆里的大多数书籍都是用阿拉伯文写的，因此首要任务是建立工业规模的翻译局。大多数译者在中间人的帮助下，先将阿拉伯语翻译成西班牙语的白话文，然后他们再翻译成拉丁语。当时最多产和最杰出的译者之一是克雷莫纳的杰拉尔德，他学会了阿拉伯语，因此能够更直接、更准确地理解原文。他是被传闻吸引到托莱多来的，当时有传闻说托勒密的代表作在这里的图书馆被发现。于是他将这套有76卷的原创性著作从阿拉伯文翻译成拉丁文，《天文学大成》成为他译述中最重要的成就。

由于杰拉尔德和其他译者的努力，欧洲学者们得以能够重获他们的先人过去的作品，并为欧洲的天文学研究注入新的活力。但矛盾的是，进步反而遭到扼杀，因为在当时，古希腊人的著作受到如此尊崇，以至于没人敢质疑他们的工作。人们想当然地认为，古典学者已经掌握了所能理解的一切，所以像《至大论》这样书被奉为福音。不管你怎么想，事实上古人曾犯下一些大得离谱的错误。例如，亚里士多德的著作被奉为神圣，尽管他曾说，男人的牙齿比女人多，因为这是他基于对公马的牙齿比母马多的观察所做出的推论。虽然他结过两次婚，但亚里士多德显然从来不曾想到去看看他妻子的嘴。他可能是一个高级逻辑学家，但他未能掌握观察和实验的概念。具有讽刺意味的是，学者们等了几百年才让古人的智慧重见天日，接着他们又不得不花费几个世纪来清除古人的所有错误。事实上，在杰拉尔德于1175年译完《天文学大成》后，托勒密的地心宇宙模型又完好无损地持续了另一个400年。

表2

该表列出了用以判断地心说和日心说的各种判据，这些判据是基于公元第一个千年里人们所掌握的知识。“√”和“×”给出的是该理论得到相应判据的认可性，问号“？”表明该项判据缺乏数据或难以判断。从古代的观点来看，日心说仅在一个判据（简单性）上胜过竞争对手，尽管我们现在知道它更接近于事实。

然而在此期间，有过一些小的批评，这些批评意见还是来自像阿方索十世[卡斯蒂利亚和莱昂的国王（1221年至1284年）]这样的大人物。在定都托莱多后，他指示他的天文学家制定后来被称为行星运动的《阿方索星表》，这部星表的编纂部分基于他们自己的观察，部分是基于翻译过来的阿拉伯星表。虽然他为天文学提供了强有力的支持，但阿方索对托勒密的错综复杂的由均轮、本轮、对点和偏心等概念构成的系统绝对是始终没好感：“如果万能的耶和华在着手创世之前问过我，我会推荐那些更简单的东西。”

随后，到14世纪，尼可·德奥雷姆——法国查理五世时期的一位神父——公开表示，地心宇宙没有得到充分证明，尽管他还没有走得太远，胆敢认为它是错误的。但在15世纪的德国，库萨的枢机主教尼古拉斯则认为地球不是宇宙的中心，但他点到即止，没敢暗示太阳应该占据这个空出的宝座。

整个世界就这样不得不等到16世纪，这时一位天文学家鼓足勇气重新安排了宇宙，并对希腊人的宇宙学提出了严肃的挑战。这位最终重塑阿里斯塔克斯的日心宇宙的人就是尼古拉·哥白尼。

革命

哥白尼于1473年出生在托伦（位于现今波兰的维斯瓦河沿岸）的一个繁荣兴旺的大家庭里。他之所以能选为弗龙堡大教堂教团的教士，很大程度上要归功于他的叔叔卢卡斯，他是埃姆兰的主教。在意大利学完法律和医学后，哥白尼作为教士的主要职责是充当卢卡斯的医生和秘书。这些不是繁重的职责，因而哥白尼有的是时间从事各种活动。他成为货币改革领域的经济学专家和顾问，甚至出版了他自己翻译的不起眼的希腊诗人泰奥菲拉克塔斯（TheophyIactus Simocattes）的拉丁文译本。

然而，哥白尼的最大爱好是天文学，他在当学生时买了一册《阿方索星表》，自此他的兴趣便被天文学牢牢抓住了。这个业余的天文学家变得越来越痴迷于研究行星的运动，他的想法最终使他成为科学史上最重要的人物之一。

令人惊奇的是，哥白尼的所有天文学研究都集中在1.5卷的出版物中。更令人惊讶的是，就这1.5卷的出版物在他生前还几乎没人读过。这里的半卷是指他的第一部作品《简评》，这是部手稿，从没有正式发表过，只是在大约1514年间在少数人当中传阅过。尽管如此，在这短短20页里，哥白尼以一千多年来天文学中最激进的想法震撼了宇宙。他的这本小册子的核心是他的宇宙观赖以建立的7条公理：

1.天体不共享同一个中心。

2.地球的中心不是宇宙的中心。

3.宇宙的中心在太阳附近。

4.与地球到恒星的距离相比，地球到太阳的距离是微不足道的。

5.恒星的周日视运动是地球绕自身的轴自转的结果。

6.太阳的周年视运动序列是地球绕其转动的结果，所有行星都绕太阳旋转。

7.一些行星的表观逆行，只是我们作为观测者在运动的地球上位置不断变化的结果。

哥白尼的公理在各个方面均有见证。地球确实在自转，地球和其他行星也确实在环绕太阳运动，这确实能解释逆行的行星轨道，同时，没有发现任何恒星视差是由于恒星过于遥远。目前还不清楚是什么促使哥白尼制定出这些公理，并与传统的世界观分离，也许他是受到多梅尼科·玛丽亚·诺瓦拉的影响，后者是他在意大利时的一位教授。诺瓦拉保持毕达哥拉斯学派的传统，这一传统也是阿里斯塔克斯哲学的根源，而正是阿里斯塔克斯在1700年前最先提出了日心说。

《简评》是天文学领域发生反叛的一道宣言，是哥白尼对古代的托勒密模型的丑陋的复杂性表示沮丧和失望的宣泄。后来他这么谴责地心说的临时性质道：“这就像一个艺术家为他要创作的形象从不同模型那里收集来手、脚、头和其他肢体，每个部分都绘制得很好，但都与一个整体不搭，因为它们无法以任何方式彼此匹配，结果则只能是一个怪物，而不是一个人。”然而，尽管内容激进，但这本小册子却没有在欧洲的知识分子中造成波动，这部分是因为没有几个人看过它，部分是因为它的作者是一个处在欧洲边缘的年轻教士。

哥白尼并没有气馁，因为这是他改造天文学努力的开始。在他叔叔卢卡斯于1512年去世（很有可能是被条顿骑士团毒死的，他们形容他是“人形魔鬼”）之后，他有更多的时间去从事自己的研究。他搬到了弗龙堡城堡，在那里建立了一座小型天文台，集中精力充实他的论证，补充了《简评》所缺少的所有数学细节。

在接下来的30年里，哥白尼反复修改他的《简评》，将它扩充成一部有200页的权威手稿。纵观这段长时间的研究，他花了大量时间来考虑其他天文学家会对他的宇宙模型做出怎样的反应，这个模型从根本上违背了公认的智慧。很多时候，因为担心会遭到来自四面八方的嘲笑，他甚至考虑放弃出版他的著作的计划。此外，他怀疑神学家了解了这种亵渎性的科学猜测后会变得根本无法容忍。

他的担心是有道理的。教会后来在迫害意大利哲学家吉尔达诺·布鲁诺——哥白尼后一代的持不同观点者——这件事情上就显示了它的不能容忍的态度。宗教裁判所指控布鲁诺犯有8项异端邪说罪名，但现存的记录并没指明是哪8项。历史学家认为，这很可能是布鲁诺写的《无限宇宙和世界》一书冒犯了教会。这本书认为宇宙是无限的，恒星都有自己的行星，在这些行星上都存在蓬勃的生命演化。当判处他死刑时，他回答说：“或许判处我死刑的人比我更害怕接受这个事实。”1600年2月17日，他被带到罗马的鲜花广场，脱得一丝不挂，堵上嘴，绑在火刑柱上被活活烧死。

哥白尼对这种迫害的恐惧原本可能使他过早地结束他的研究，但幸运的是，来自维滕堡的一位年轻的德国学者进行了干预。1539年，格奥尔格·约阿希姆·冯·劳琛，即著名的雷蒂库斯，来到弗龙堡找到哥白尼，想了解有关他的宇宙模型的更多的细节。这是个勇敢的举动，因为这位年轻的路德教学者不仅很可能会在天主教的弗龙堡遭到冷遇，而且他自己教派的同事们也不同情他的使命。马丁·路德记下了当时的境遇，他存有关于哥白尼的餐桌谈话记录：“有传闻说新的天文学家想证明地球在运动，转动的不是天空、太阳和月亮，（现有的天文学）就好像某个坐在马车或轮船上的人，可能会认为他静止地坐着，而大地和树木在行走……这个傻瓜想推翻整个天文学。”

路德称哥白尼是“违背圣经的傻瓜”，但雷蒂库斯却像哥白尼一样有着不可动摇的信念：探索天体真理的道路由科学奠定而不是圣经。66岁的哥白尼因为25岁的雷蒂库斯的关注而感到心里美滋滋的。雷蒂库斯花了三年时间在弗龙堡阅读哥白尼的手稿，向他提供阅读后的意见，并和他一样对这一理论有信心。

到1541年，雷蒂库斯在对外交往和天文学技能方面的综合能力已经成熟到足以让他获得哥白尼的信任，于是受哥白尼委托他将手稿交由纽伦堡的约翰内斯·彼得雷乌斯印刷所出版。他计划留下来监督整个印刷过程，但因为急事被突然叫走去了莱比锡，临行前他将监督出版的责任移交给了一个名叫安德烈亚斯·奥西安德尔的牧师。最后，在1543年春天，《天球运行论》（“论天球的旋转”）一书终于出版了，几百本新书启程送往哥白尼的住处。

在此期间，哥白尼在1542年底已遭受脑出血，他躺在床上顽强地与死神抗争，要亲眼见到耗费他一生心血的专著面世。他的大作到达得正是时候。他的朋友吉泽主教给雷蒂库斯写了一封信描述哥白尼当时的困境：“很多天里，他的记忆已经丧失而且神志不清。直到去世那天，他在弥留之际才看到自己的完整的作品。”

哥白尼已完成了他的职责。他的著作为世界提供了有利于阿里斯塔克斯日心模型的有说服力的论据。《天球运行论》是一本巨著，但在讨论它的内容之前，先说明围绕其出版前后的两个错综复杂的谜团是很重要的。第一个涉及哥白尼的不完全的致谢。《天球运行论》的序言提到了几个人，如教皇保罗三世、卡普亚的红衣主教和库尔姆的主教，但没有提到雷蒂库斯这位杰出的徒弟，他为哥白尼模型的诞生发挥了助产士的重要作用。历史学家都百思不得其解，为什么他的名字被省略了？他们只能推测，计入一个新教教徒的贡献可能会引起天主教高层的不满，而哥白尼正试图打动这些高层人士。致谢中的这一缺失使得雷蒂库斯感到被冷落，因此在《天球运行论》出版后他再也没跟这本书打过交道。

第二个谜团是《天球运行论》的前言，这篇东西加到书中并没有得到哥白尼的同意，而且有效地贬损了他所宣称的实质。总之，这篇前言破坏了书中的其余部分，它宣称哥白尼的假设“不必是真的，甚至并不一定可能为真”。它强调在太阳为中心的模型里有“许多荒诞不经的东西”，这意味着哥白尼自己详细的和精心论证的数学描述不过是一种虚构。这篇前言不承认哥白尼系统与合理精度下的观测结果是相容的，认为它仅仅是一种方便的计算方式，而不是试图代表实在。哥白尼的原始手稿仍然存在，所以我们知道，原初的开篇在语调上与这篇轻视自己工作的印刷体前言完全不同。因此这篇新的前言必定是在雷蒂库斯带着原稿离开弗龙堡后被人插入书中的。这表明哥白尼是在临终前第一次读到它，那时书已经印刷，做任何改变都已经太晚了。也许正是看了这篇前言将他送入坟墓。

那么是谁撰写并插入的这篇新的前言？主要嫌疑人是在雷蒂库斯离开纽伦堡前往莱比锡后接手出版工作的牧师奥西安德尔。事情可能是这样，他认为哥白尼的想法一旦广为人知，就会使他遭受迫害，他可能是怀着最大的善意插入这篇前言的，希望能够平息批评意见。对于奥西安德尔的担忧的证据可以在他给雷蒂库斯的一封信里找到。他在这封信里提到了亚里士多德的信徒们，意指那些信奉地心说的人：“亚里士多德的信徒和神学家们很容易被安抚，如果他们被告知……目前提出的这些假说不是因为它们揭示了真正的现实，而是因为它们对于表观的复合运动的计算最方便的话。”

但在他计划的前言中，哥白尼一直很明确，他宁愿对反对他的批评家采取挑衅姿态：“也许有这么一些胡言乱语者，他们虽然完全不懂数学，但却自诩为数学专家，并且为了其自身目的而严重曲解《圣经》的某些段落，并胆敢对我的事业吹毛求疵，妄加指责。对于这些没有根据的批评，我绝不予以理睬。”

终于鼓起勇气来发表了自古希腊人以来最重要也是最有争议的天文学突破后，哥白尼悲惨地到死方知奥西安德尔已经将他的理论歪曲成无非是一种奇技淫巧。因此，《天球运行论》在出版后的前几十年里几乎没人知晓，因为不论是公众还是教会都不予以认真对待。第一版没有卖完，在下一个世纪里这本书只被重印了两次。相比之下，同一时期里推进托勒密模型的书仅在德国就被重印了一百次。

然而，《天球运行论》之所以缺乏冲击力，奥西安德尔的怯懦的、重在调和矛盾的前言只是部分原因，另一个原因在于哥白尼这本书的令人畏惧的写作风格。这本四百页的书排得密密麻麻，行文非常复杂。而且这是他的第一本天文学著作，哥白尼这个名字在欧洲学术界还不是很有名望。这还不是灾难性的，最糟糕的是哥白尼现在已经离世，无法再推进自己的作品。最后一根稻草是雷蒂库斯，他可能是唯一赞同《天球运行论》观点的人，但他因为被冷落，已不再想与哥白尼体系有任何关系。

不仅如此，就像阿里斯塔克斯的原版日心模型的化身，《天球运行论》之所以不受重视还因为在预测行星的未来位置方面，哥白尼体系不如托勒密的地心模型准确——在这方面，这个基本正确的模型（如图10）根本不是那个本质上有缺陷的模型的对手。造成这种奇怪状态的原因有两个。首先，哥白尼模型缺少一个关键要素，而没有它这一理论的预言能力就不可能精确到足以让人接受这个理论。其次，托勒密模型通过本轮、均轮、对点和偏心等设置已经取得了很高的精度，因为引入这样的修修补补因素之后，几乎任何有缺陷的模型都能得到挽救。

当然，哥白尼模型还受到所有那些曾导致阿里斯塔克斯的日心说被放弃的困难（见表2）的困扰。事实上，日心说优于地心说的唯一属性是它的简单性。虽然哥白尼也借重本轮概念，但在他的模型里，每颗行星基本上采用的是简单的圆形轨道，而托勒密的模型则异常复杂，它需要对每一颗行星的本轮、均轮、对点和偏心进行微调。

对哥白尼来说幸运的是，简单性是一种珍贵的科学资源。这一点生活在14世纪英国的奥卡姆的威廉就已经指出。威廉是英国方济各教会的神学家，生前因主张教会不应该拥有自己的财产或财富而闻名。他是如此热情地推销他的观点，以至于跑到牛津大学外去散布，于是教会不得不将他贬到法国南部的阿维尼翁。而在那里他又指责教皇约翰十二世为异端。毫不奇怪，他被逐出教会。1349年，他因黑死病谢世。但奥卡姆却因他在科学上的遗产——奥卡姆剃刀——而死后成名。所谓奥卡姆剃刀是指，如果有两个相互竞争的理论或解释，所有其他方面均相同，那么，较简单的那个更可能是正确的。奥卡姆将其表述为：“切勿浪费较多的东西去做用较少的东西同样可以做好的事情。”

例如，假设经过一夜的暴风雨后，你在场地中央发现了两棵倒下的树木，而且没有明显的迹象表明是什么造成了它们的倒伏。简单的假设认为，这些树木是被暴风雨刮倒的。而较复杂的假设可能是，从外太空同时飞来两颗陨石，正好分别砸到每棵树上，造成树木倒地，而这两颗陨石接着发生对头碰撞并汽化，从而没留下任何物证。运用奥卡姆剃刀，你很快就会确定是风暴而不是这对陨石是更为合理的解释，因为它简单。奥卡姆剃刀并不能保证答案的正确，但它通常能指引我们走向正确的方向。医生在诊断疾病时通常也会运用奥卡姆剃刀，因此医学院的学生都会得到忠告：“当你听到马蹄声时，应判断是马而不是斑马。”而另一方面，阴谋论者则往往鄙视奥卡姆剃刀，他们经常拒绝简单的解释，而喜欢代之以一种更令人费解的且耸人听闻的推理。

奥卡姆剃刀偏爱哥白尼模型（每颗行星一个圆）而不是托勒密模型（每颗行星都有一套均轮、本轮、对点和偏心），但只有当两种理论都同样成功时奥卡姆剃刀才具有唯一的决定性。而在16世纪，托勒密模型在几个方面明显要更强有力一些。最值得注意的是，它给出的行星位置更准确。因此，日心说的简单性被认为是无关紧要的。

而对于许多人来说，日心说还是太过激进，让人无法接受，以至于哥白尼的著作可能导致一个旧词有了新的含义。有一种词源学理论就认为，“revoIutionary”这个词是指一种完全违背传统智慧的想法（革命性的），其灵感就是来自哥白尼的这本书的书名——“论天球的转动”。与revoIutionary一样，宇宙的太阳中心模式似乎也是完全不可能的。这就是为什么哥白尼这个名字的德语词“k pperneksch”在德国巴伐利亚州北部地区被用来形容一个令人难以置信的或不合逻辑的命题。

总而言之，日心说是一种超前的想法，太革命，太难以置信还太不精确，难以赢得广泛的支持。没几个书店的书架上会有《天球运行论》，研究的人很少，读它的只是寥寥几个天文学家。日心说的想法在公元前5世纪就已由阿里斯塔克斯提出，但被人忽略了。现在它已经得到哥白尼的改进，但还是再次被忽略。这个模型只好进入休眠状态，等待有人来挽救它，研究它，完善它，并找出缺失的关键要素，以便向世界其他地方证明，哥白尼的宇宙模型是现实的真实写照。事实上，找出证明托勒密是错的，而阿里斯塔克斯和哥白尼是正确的证据的任务将留给下一代的天文学家。

天之城堡

1546年，第谷·布拉赫出生在丹麦的一个贵族世家。第谷之所以在天文学家中享有持久的名声有两个特殊原因。第一，1566年，第谷卷入与他的表亲曼德鲁普·帕尔斯贝格的不和，原因可能是帕尔斯贝格侮辱和嘲笑第谷在最近的占星术预测上的失败。第谷曾经预言显赫人物苏莱曼的死亡，他甚至将这则预言嵌入了他的拉丁文诗歌里。他显然没注意到这位奥斯曼领袖已经去世6个月了。争论到最后便是一场轰动一时的决斗。斗剑时，帕尔斯贝格劈出一剑划开了第谷的前额并削去了他的鼻梁。如果稍微再深一点点，第谷必死无疑。此后，他做一个假的金属鼻子罩在脸上。这个假鼻子由金—银—铜合金铸成，这样可以巧妙地混同于他皮肤的色调。

使第谷成名的第二个也是更重要的原因是，他将天文观测推进到一个全新的精度水平。他获得的声誉是如此之高，乃至丹麦国王弗雷德里克二世将离丹麦海岸10千米外的汶岛送给了他，并资助他在那里建立一座天文台（如图11）。这座名为“天堡（Uraniborg ）”（天之城堡）的建筑群历经多年的修建，最后建成为一座巨大的华丽城堡。其花费超过当时丹麦国民生产总值的5%，创造了研究中心建设资金消耗的空前的世界纪录。

天堡内设有一个图书馆，一座造纸厂，一间印刷所，一间炼金术士的实验室，一个厨房和一间关押不守规矩的仆人的禁闭室。观象室里设有巨大的仪器，如六分仪、象限仪和浑天仪球（所有用肉眼来观察的仪器，因为当时天文学家还没有学会如何利用聚焦镜头）。每一种仪器都有四套，可用于同时测量和独立测量，从而最大限度地减小了对恒星和行星的角位置的观测误差。第谷的观测精度一般可精确到（130）°，要比以前的测量精度高出5倍。也许，第谷卸下他的假鼻子后，测量时两眼的准直能力更完美。

第谷的这座天文台建成后可谓闻名遐迩，前来参观的贵宾络绎不绝。这些游客不仅对他的研究感兴趣，同时也是受到天堡的露天聚会的吸引，这里已成为全欧洲著名的游览胜地。第谷在花园里不仅提供酒水，而且还制作了机械雕像供游人娱乐，他招聘了一位善讲故事的小矮人杰普，据说他天生就具有千里眼的过人能力。为了增添景致，第谷还养了一只宠物麋鹿，它被放养在城堡里，但不幸的是，一次在它喝了太多的酒之后，从楼梯上摔了下来，伤重不治。天堡与其说是研究机构，不如说更像是彼得·格林纳威的电影拍摄基地。

虽然第谷继承了托勒密的天文学传统，但他的潜心观察迫使他重新评估他对古代宇宙观的信心。事实上，我们知道，他的书房里有一册《天球运行论》，他赞同哥白尼的想法。但他不是毫无保留地全盘接受这些观点，他要发展他自己的宇宙模型。这是一个介于托勒密和哥白尼之间的怯懦的半拉子模型。1588年，即哥白尼去世近50年后，第谷出版了《关于天上世界的新现象》一书，在其中他认为，所有的行星绕着太阳公转，而太阳绕着地球转，如图12所示。他的自由主义思想一直延伸到让太阳成为行星的中心，但他的保守主义观念则迫使他将地球保留在宇宙的中心。他不愿意让地球旁落，因为这个所谓的中心是解释为什么物体落向地球中心的唯一途径。

在第谷可以继续下一阶段的天文观测和理论研究计划之前，他遭受到一次严重打击。他的赞助人，弗雷德里克国王，就在第谷出版《关于天上世界的新现象》一书的同一年因酗酒去世。新国王克里斯蒂安四世不再准备为第谷奢华的天文台提供资助，或者说不再容忍他的这种享乐的生活方式。第谷不得不放弃天堡，带着家眷、助理、侏儒杰普和天文设备离开丹麦。幸运的是，第谷的仪器在设计时就考虑到可移动性，因为他清楚地意识到：“天文学家必须是世界性的，因为你不能指望无知的政治家看重他们的服务。”

第谷·布拉赫移居布拉格。在那里，德皇鲁道夫二世任命他为皇家数学家，批准他在贝纳特津城堡建立新的天文台。不想此举竟然是因祸得福，因为正是在布拉格第谷招募到了一位新的助手——约翰内斯·开普勒，他将在几个月后到达这个城市。路德教教徒开普勒因为天主教费迪南大公威胁要处死他而被迫逃离他在格拉茨的家。起因是他坚持不放弃他的宣言：他“宁愿做一个流亡者也不愿去统治异教徒”。

历史就有这么巧合，开普勒于1600年1月1日启程前往布拉格。这个新世纪的开始也标志着一项再造宇宙的新的合作的开始。第谷与开普勒的合作可谓珠联璧合。科学进步既需要观察也需要理论。第谷已经积累了天文学史上最优质的观测结果，而开普勒将被证明是对这些观测资料最出色的解释者。虽然开普勒患有近视和先天性散光的毛病，但历史最终将表明，他比第谷看得远。

这种伙伴关系的结成还有机缘凑巧的因素。在开普勒到来几个月后的一天，第谷参加了由罗森伯格男爵主持的晚宴。他喝得多了点，但又不好意思破了礼仪在宴会结束前离开。开普勒是这么记述的：“在他喝多了之后，他觉得膀胱涨得厉害，但他把礼节看得比健康重要。当他回到家后，他几乎无法小便。”那天晚上他发了高烧，随后就一直处于昏迷和谵妄的交替发作状态，10天后便去世了。

在弥留之际，第谷反复说着这样一句话：“但愿我没有白活。”其实他没有必要担心，因为开普勒会确保第谷的细致观察记录结出硕果。事实上，很可能第谷的去世要比他活着更有利于他的工作的蓬勃发展，因为他活着时对笔记本的守护可小心了，从不让人分享他的观察记录，总是梦想着有朝一日独自出版这份杰作。第谷肯定从来没有考虑过要以一个平等的伙伴关系来对待开普勒——毕竟，他是丹麦的贵族，而开普勒只是单纯的农民。然而，要想看清自己的观察记录所包含的更深层次的意义，这无疑超出了第谷的能力，它要求具备训练有素的数学家的眼光，而开普勒正是这样的人。

开普勒出生于底层家庭，从小就挣扎在战争和宗教纷争造成的动荡之中。父亲因为任性成了罪犯，母亲因为魔咒被流放他乡。毫不奇怪，他是在缺少自尊极度抑郁的环境中长大的。在他以第三人称的口吻为自己写的自嘲的星象卦辞中，他形容自己是一只小狗：

他喜欢啃骨头和面包的干痂皮，而且是如此贪婪，无论什么东西，只要被他看见，上去就是一通劫掠；然而也像狗一样，他喝得很少，满足于简单的食物……他不断地寻求别人的好感，一切都仰仗他人，投他人所好，当他们痛斥他时他从不生气，反而急着要博取他们的青睐……他像狗一样，对浴缸、酊剂和乳液感到恐怖。他的无畏让他不知有终，这无疑是由于火星与水星正交并与月亮构成三角。

他对天文学的热情似乎成为他摆脱自我厌恶的唯一的喘息机会。在25岁时，他写了《宇宙的奥秘》一书，这是捍卫哥白尼的《天球运行论》的第一本著作。此后，他坚信日心说是准确的，并投身到找出是什么造成它不准确的原因的工作中。日心说预言得最不准的当属火星的确切轨道，这个问题曾让哥白尼的助手雷蒂库斯困扰了很久。根据开普勒的描述，雷蒂库斯因为未能解决火星轨道的问题一直很沮丧，以至于“他最后不得不求助于他的守护天使的神谕。这个粗俗无礼的神灵随之抓住雷蒂库斯的头发不断地将他的头撞到天花板上，然后让他的身体倒悬过来坠落到地板上。”

最后终于拿到了第谷的观察记录后，开普勒起初认为他只要8天时间就能解决火星问题，去除日心说的不准确之处。但事实上，他花了8年时间。而值得强调的正是开普勒为完善日心说花去的这8年时间，因为接下来的简短的归纳很容易淡化他的这一巨大成就。开普勒通过艰难曲折的计算最终得到了正确的解，这些计算用了九百页对开的纸张。

开普勒取得重要突破的法宝是他抛弃了一项古老的信条，即行星的所有运动轨道是圆形或圆形的组合。甚至连哥白尼都曾忠实地坚守着这个圆形的教条。而开普勒指出，这正是哥白尼的一条有缺陷的假设。事实上，开普勒认为他的这位前辈错误地假设了以下三点：

1.行星按完美的圆形轨道运动；

2.行星以恒定的速度运动；

3.太阳处于这些轨道的中心。

虽然哥白尼在指出行星是围绕太阳而不是地球转这一点上是正确的，但他对这三条错误的假设的信念使他根本没希望能够准确预言火星和其他行星的运动。而开普勒之所以能够在哥白尼的失败之处取得成功，正是因为他放弃了这些假设。他相信，只有当所有的意识形态、偏见和教条被抛在一边，真理才能够浮现。他不但睁眼看，更是敞开了心灵，他将第谷的观察记录作为自己的垫脚石，在第谷的数据基础上建立起自己的模型。渐渐地，无偏的宇宙模式开始显现。果然，开普勒的新的轨道公式与观测数据匹配得十分完美，太阳系终于成型。开普勒揭示了哥白尼的错误，并表明：

1.行星沿椭圆轨道，而不是完美的圆形轨道运动；

2.行星的速度是不断变化的；

3.太阳不是处在这些轨道的中心。

当他意识到他得到了行星轨道奥秘的解决办法之后，开普勒不禁失声大叫：“噢，万能的上帝，我想到了你的想法。”

事实上，在开普勒新的太阳系模型里，第二点和第三点是由第一点，即行星轨道是椭圆形的，推导出来的。为此我们先简要叙述一下椭圆轨道是怎么形成以及为什么会这样。绘制椭圆的一种方法是先在画板上固定两点定一弦长，如图13所示。用铅笔拉紧一根线使线到两定点的距离之和为定长，然后铅笔一边保持线处于张紧状态，一边在画板上移动，由此描绘出一个半椭圆形。切换到弦的另一侧，并使铅笔在移动时仍保持线的张紧状态，即可绘出另一半椭圆。弦长恒定，两定点固定，所以椭圆的一种可能的定义是一动点到两定点的距离之和为常数的点的集合。

定点的位置称为椭圆的焦点。行星走过的是这样的椭圆路径：太阳坐落在其中一个焦点上，而不是处在行星轨道的中心。因此有很多时候行星会比其他时刻更接近太阳，就像是行星要落向太阳似的。这种落向太阳的过程导致行星运动加快，反之，行星在远离太阳时会减慢。

开普勒表明，由于行星绕日运行遵循的是一条椭圆路径，有时快有时慢，对此我们不妨假想在行星与太阳之间拉一条线，开普勒断定，在相同的时间里行星拉着的线所扫过的面积相同。这句有点抽象的陈述可以用图14来表示，这一判断很重要，因为它精确给出了行星在作轨道运动的过程中速度的变化。相反，哥白尼信仰的是行星的速度是不变的。

自古希腊时期以来，椭圆的几何性质已得到充分研究，但为什么以前从来就没有人提出过椭圆形状的行星轨道？其中一个原因，正如我们所看到的，就是圆所具有的神圣的完美性质，这个持久的信念让天文学家根本不去想其他所有的可能性。而另一个原因是大多数行星轨道的椭圆只是略呈椭圆形，因此除非是做严格审查，否则粗略地看，它们似乎都是圆形的。例如，短轴与长轴（见图13）之比是一个椭圆与圆的接近程度的良好示性指标，对于地球，这个比值是0.99986；而对于成为雷蒂库斯噩梦的火星，这就有问题了，因为它的轨道虽较地球扁，但两个轴的比值仍非常接近于1，为0.99566。简言之，火星轨道仅略呈椭圆形。正是这一点让天文学家误以为它是圆形的，但轨道的一点点椭圆度就足以让任何试图用圆来建模的人遇到实际问题。

开普勒的椭圆提供了完整和准确的太阳系图像。他的结论是科学和科学方法的一大胜利，是观察、理论和数学方法相结合的结果。1609年，他首次以名为《新天文学》的专著形式发表了他的突破，书中详细记录了这8年中的细致工作，包括众多导向死胡同的研究路径。他要求读者多多包涵：“如果你对这种枯燥无味的计算方法感到厌烦，请原谅我，我可是花了大量时间，对这些计算至少反复计算过70遍。”

开普勒的太阳系模型不仅简单、优美，而且在预言行星的路径方面无疑是准确的，但在当时却几乎没有人相信它代表了实在。绝大多数哲学家、天文学家和教会领袖承认它是一种很好的计算模型，但他们坚持认为地球处在宇宙的中心。他们之所以偏爱地心宇宙主要是因为开普勒未能解决前面表2中的一些问题，例如重力——当我们看到周边的一切都被吸引落向地球时，到底是什么让地球和其他行星围绕着太阳做轨道运动？

此外，开普勒诉诸椭圆也违背了圆的教义，这被认为是可笑的。荷兰牧师暨天文学家戴维·法布里修斯在致开普勒的一封信中就表达了这一点：“因为您的椭圆，您废除了运动的圆的性质和均匀性，我越想越觉得它荒唐……如果你能保持完美的圆形轨道，用另一个小的本轮来证明你的椭圆轨道，这将会好很多。”但是，一个椭圆不可能由圆和本轮来构建，所以这种妥协是不可能的。

看到《新天文学》在社会上的接受度如此低迷，开普勒大失所望。他将注意力移到他处，开始在其他地方运用自己的技能。他对周围的世界永远充满好奇。对于这种不懈的科学探索，他这么写道：“我们不要去问鸟儿唱歌有什么用处，既然歌曲创作出来是为了歌唱，那么歌声就代表了它们的快乐。同样，我们不应问为什么人的心里总装着想要参透天地秘密的烦恼……自然现象的多样性是如此广博，而上天隐藏的宝藏又如此丰富，正是为了给人类的大脑以永远不会缺少的新鲜养料。”

开普勒除了研究行星的椭圆轨道，又沉溺于性质各不相同的工作。他误导性地复活了毕达哥拉斯的理论，认为行星与“天球的音乐”有共鸣。根据开普勒的观点，每个行星的速度产生特定的音符（例如哆、来、咪、发、唆、拉、希）。地球发出的音符是“发”和“咪”，由此产生了拉丁词“fames”，意为“饥荒”，明确表征了我们这个星球的本质。他还花了不少时间撰写《梦与月亮天文学》一书，使他成为科幻小说的先驱者之一。这部小说讲述了一个月球探险之旅的故事。在《新天文学》出版两年后，开普勒写了一篇他的最具原创意义的研究论文之一，“论六角雪花”。在其中他探索了雪花的对称性问题，并提出了物质的原子论观点。

“论六角雪花”是献给开普勒的资助者约翰内斯·马特乌斯·瓦克赫·冯·瓦肯费尔斯的，后者还向开普勒传递了最令人兴奋的消息：一项将彻底改变天文学尤其是日心说的技术突破。这一消息是如此令人吃惊，以至于开普勒对1610年3月瓦克赫先生的来访专门做了记述：“在我听到了这个神奇的故事后，我经历了一场美妙的情感体验。我觉得我被彻底打动了。”

这是开普勒第一次听到关于望远镜的故事——伽利略正利用它来探索天空，并完全揭示了夜空的新景象。由于这一新的发明，伽利略将会发现能够证明阿里斯塔克斯、哥白尼和开普勒所坚持的日心说的证据。

眼见为实

伽利略于1564年2月15日出生在比萨。他经常被后世称为科学之父。事实上，他之所以能赢得这项荣誉凭借的是一系列惊人的研究上的成就。他不是第一个制定出科学理论的人，也不是第一个进行实验的人，不是第一个观察自然的人，甚至不是第一个向世人证明发明的力量的人，但他是第一个擅长所有这些门类的人，他是一个杰出的理论家，一位实验大师，一位细致的观察者和娴熟的发明家。

他在学生时代就展现出多方面的才能。在教堂做礼拜时，他的大脑一刻都没闲着。他注意到一盏摇摆的吊灯。他用自己的脉搏来度量每次摆动的时间，注意到这种往复摆动的时间周期是不变的，即使开始时摆动的幅度很大，到最后摆幅变得很小。到家后，他将这一观察现象转换成一项实验：他用各种不同长度和重量的摆来复现这一现象。然后，他用自己的实验数据提出一个理论，解释了为什么摆动周期与摆动的角度和摆锤的重量无关，而只取决于摆的长度。在这项纯粹的研究之后，伽利略没有止步，而是从实验模式切换到发明模式，由此发明了脉搏计，一种简单的摆，其规则的摆动使得它被用作计时装置。

特别是，这个装置可以被用来测量患者的脉搏速率，从而使他最初的观察对象的角色掉了个个儿。当初他是用他的脉搏来测量摆动的灯的周期。那时他正在医学院学习，这项发明是他对医学的唯一贡献。随后，他说服了父亲允许他放弃医学，投身科学。

除了不容置疑的智慧，伽利略作为一个科学家的成功还取决于他对世界、对一切所抱有的巨大的好奇心。他很清楚他的好奇本性，有一次他惊呼道：“我什么时候才能不感到惊奇？”

这种好奇心与叛逆性格结合在一起。他反对任何权威，因此他不会仅仅因为一件事情是老师、神学家和古希腊人说是对的就认为是对的。例如，亚里士多德用理念推断出重物下落得要比轻的物体快，但伽利略通过实验证明，亚里士多德在这一点上是错的。他甚至敢说，亚里士多德这位历史上最负盛名的智者“写的是真理的反面”。

当开普勒第一次听说伽利略用望远镜来探索宇宙时，他可能认为伽利略发明了望远镜。今天很多人也确实都是这么认为的。但事实上，是汉斯·利普西——佛兰芒的眼镜制造商——在1608年10月注册了望远镜的专利。在利普西取得突破的几个月里，伽利略这样记述道：“有谣传说某个荷兰人制作了一架望远镜”，于是他立即着手建造他自己的望远镜。

伽利略的伟大成就在于将利普西的初步设计变成一架真正的了不起的仪器。1609年8月，伽利略向威尼斯总督展示了这架当时世界上最强大的望远镜。他们一起爬上圣马可钟楼，架设了这台望远镜并用它来观测泻湖。一个星期后，在一封写给他内弟的信中，伽利略报告说，这台望远镜的表现“令所有人感到无限惊愕”。别人的望远镜的放大倍数大约是10倍，而伽利略的望远镜因为有一套更完美的光学系统，能够实现60倍的放大。望远镜不仅给威尼斯人带来战争中的优势，因为他们能在敌人看见他们之前发现敌人，而且它也使精明的商家发现海上正在驶近的载满香料或布匹等新货的船舶，这意味着他们可以在股票的市场价格暴跌之前抛售其股票。

伽利略不仅从望远镜的商机中获利，而且他意识到它还具有科学价值。当他将他的望远镜指向夜空后，这使他能够比以往任何时候看得更远、更清晰，看到更深的空间。当瓦克赫先生告诉开普勒关于伽利略的望远镜的消息后，这位天文学家立即意识到它的潜力，并写了一篇颂文：“噢，望远镜，饱含知识的仪器，你要比任何权杖更珍贵！谁拥有你，谁可不就成为国王和拥有上帝的作品的主人？”伽利略就将成为这样的国王和主人。

伽利略首先研究了月球（如图15），指出它“充满了巨大的隆起、深深的沟壑和起伏的丘陵”，这与托勒密认为的天体是完美的球体的观点直接相矛盾。随后，伽利略又将他的望远镜对准太阳，发现那上面有斑点和瑕疵，即太阳黑子，现在我们知道它们是太阳表面温度较低的斑块，跨度可达10万千米。天上的缺陷由此得到强化。

随后，在1610年1月期间，伽利略做出了更为重要的观察，他发现木星附近有东西在动，最初他以为是4颗恒星。但不久他就明白，它们不是恒星，因为它们绕着木星运动，这意味着它们是木星的卫星（图16）。此前还从未有人看到除了我们自己的星球有月亮外，其他行星也有其自身的月亮。托勒密认为，地球是宇宙的中心，但这里的证据无可争辩地表明，并非一切都围绕着地球旋转。

在与开普勒的通信中，伽利略充分了解了开普勒给出的哥白尼模型的最新版本。他意识到自己发现的木星的卫星为宇宙的太阳中心说提供了进一步的支持。他毫不怀疑，哥白尼和开普勒是正确的，但他继续寻找支持这种模式的证据，希望彻底改变成见，那种坚持地心说的传统的宇宙观。打破僵局的唯一办法是找到一种能够对这两种竞争性模型做出区分的明确的预言。如果这样的预言可以得到检验，那么就将确认一个模型并驳倒对方。良性科学将发展出那种可检验的理论，正是通过这种检验，科学得以进步（如图18）。

事实上，哥白尼已经做出了这样的预言，其中一项一直在等待检验，只是进行适当的观察的工具一直阙如。在《天球运行论》中他曾表示，水星和金星应表现出一系列类似于月相的星相（例如全金星相，半金星相，新月金星相等），这些相的具体模式取决于地球是否在做绕日轨道运动，反之亦然。在15世纪，没有人可以检验这些星相的模式，因为望远镜还没有发明出来，但哥白尼相信这只是时间早晚的问题，他终将被证明是正确的：“如果视觉能足够强大，我们就可以看到水星和金星的各种相。”

撇开水星不谈，我们集中考虑金星。相的意义见图17。金星总是有一面被太阳照亮，而从我们地球的视角看，这个被照亮的一面并不总是对着我们，因此我们看到的金星会显示出一系列的相。在托勒密的地心模型里，相出现的顺序由金星围绕地球的路径及其奴隶般顺从的本轮确定。然而，在日心模式中，相的顺序是不同的，因为它由金星的绕日路径确定，而不存在本轮。如果有人能识别金星的相的实际消长顺序，那么这将消除一切合理的怀疑，证明哪一种模型是正确的。

1610年秋天，伽利略成为有史以来见证并绘出金星的相的第一人。如他所料，他的观察结果与日心说的预言完全一致，这为支持哥白尼革命提供了进一步的弹药。他用神秘的拉丁文注记报告了他的结果：“Haec immatura a me iam frustra Ieguntur oy”（我还太嫩还看不懂这些）。后来他透露，这是一段编码字谜，如果我们拆开来读Cynthi figuras muIatur Mater Amorum（“辛西娅的角色被爱情之母模仿”）的话。辛西娅指的是月球，人们对月相已非常熟悉，爱情之母指的是金星，金星的相就这样被伽利略发现了。

随着每一项新的发现，日心说宇宙观变得日益强大。表2比较了基于哥白尼观测之前的地心说和日心说模型，说明了为什么地心说模型在中世纪更讲得通。表3（见下页）展示了伽利略的观测结果如何使得日心说模型变得更具说服力。一旦科学家对引力有了正确的理解，并能够明白为什么我们感觉不到地球的绕日运动，日心模型的其余弱点就会在以后被消除。虽然日心说模型不符合常理（表中的判据之一），但这不是真正的弱点，因为常识对科学不起作用，如前所述。

表3

该表列出了用以判断地心说和日心说的各种判据，这些判据是基于1610年伽利略观测之后的已知知识。“√”和“×”给出的是该理论得到相应判据的认可性，问号“？”表明该项判据缺乏数据。与基于哥白尼之前可获得的证据的判据（表2）相比较可知，日心说模型现在要更可信。这部分是由于有了新的观察结果（8，9，10），而这些只有在出现了望远镜之后才有可能。

在这一历史时刻，每一个天文学家本该转向支持日心模型，但这种重大转变并没有发生。大多数天文学家终其一生都深信宇宙是围绕着静态地球在转动，无论在理智上还是从感情上他们都无法飞跃到太阳中心的宇宙。当天文学家弗朗西斯科·西兹听说了伽利略对木星的卫星的观测结果，它似乎表明地球不是一切的中心，他想出了一个奇怪的反驳理由：“这些卫星是肉眼不可见的，因此对地球没有任何影响，因此是无用的，因此也就不存在。”哲学家朱利奥·利布里采取的也是类似的不合逻辑的态度，甚至基于某项原则拒绝通过望远镜来观察天空。当利布里去世时，伽利略暗示道，他可能会在去往天堂的途中最终看到太阳黑子、木星的卫星和金星的相。

天主教会同样也不愿放弃地心说，甚至当耶稣会的数学家以更高的精度证实了新的日心说模型后依然如故。此后，神学家承认，日心模型能够对行星轨道做出出色的预言，但同时他们仍然拒绝接受这个模型是对实在的有效表达。换句话说，梵蒂冈看待日心模型就如同我们如何看下面这句话：“How I need a drink, aIcohoIic of course, after the heavy Iectures invoIving quantum mechanics.（上完一节量子力学大课之后，我多么想喝一口，当然是酒。）”，这句话是π的一种密码。如果你注意到句子中的每个单词的字母个数，你便得到3.14159265358979，它是π精确到小数点后第14位时的值。这句话确实是对π的一种高精度的表示，但同时我们知道，π与酒精无关。教会认为，宇宙的日心模式也类似——准确和有用，但不代表实在。

然而，哥白尼的支持者仍然坚持认为，日心模式有充分理由表明太阳就是处在宇宙的中心。毫不奇怪，这激起了教会的强烈反应。1616年2月，宗教裁判所的评审委员会正式宣布，日心说的观点为异端邪说。作为这一法令的结果，哥白尼的《天球运行论》于1616年3月——它出版的63年后——被禁止。

伽利略无法接受教会对他的科学观点的谴责。虽然他是一个虔诚的天主教徒，但他也是一个狂热的理性主义者，并能够协调好这两种信仰体系。他得出结论：科学家们最有资格对物质世界进行评论，而神学家最有资格对精神世界和应如何生活在物质世界发表评论。伽利略认为：“圣经是为了教导人们如何去天堂，而不是教人了解天堂如何运转。”

假如教会批评日心说是认为它缺少证据或数据不佳，那么伽利略及其同事是愿意听取的，但他们的批评是出于纯粹的意识形态。伽利略选择忽略枢机主教的意见，年复一年，他继续宣扬新的宇宙观。最后，在1623年，当他的朋友枢机主教马费奥·巴贝里尼当选为教皇成为乌尔班八世后，他看到了一个推翻保守势力的机会。

伽利略和新教皇都出生在佛罗伦萨并在那里长大，两人上的是比萨的同一所大学。乌尔班八世继位不久，就6次恩准伽利略冗长的谒见。在一次进见中，伽利略提到想写一本比较两种对立的宇宙观的书。当他离开梵蒂冈时，他形成了这样一个坚定的印象：他已得到教皇的祝福。他回去继续他的研究，并开始写作后来被证明为科学史上最有争议之一的一本书。

在他的《关于两大世界体系的对话》里，伽利略用了三个人物来探索日心说与地心说各自的优点。萨尔维阿蒂代表伽利略的偏爱日心说的观点，他显然是个聪明、博学和雄辩的人。辛普利邱——小丑的角色——试图捍卫地心说。而萨格利多则充当调解员的角色，引导这两人之间的对话，虽然他的偏见在他顺便戏弄辛普利邱时时有出现。这是一部学术性很强的著作，但它采用人物角色来解释正反双方的论点和反驳为它赢得了更多的读者。此外，它是用意大利语写的，不是拉丁语，这清楚地表明伽利略的目的就是要赢得广泛的民意来支持日心说。

《对话》最终于1632年出版，即伽利略明确获得教宗批准的近十年后。从批准到出版之间的这种时间上的严重滞后显然带来严重后果，因为正在进行的“三十年战争”改变了政治和宗教格局，教皇乌尔班八世现在准备推翻伽利略及其论点。三十年战争始于1618年。当时，一群新教徒闯入位于布拉格的皇宫，将国王费迪南的两名顾问从楼上的窗口扔了出去，这个事件被称为“布拉格扔出窗外”事件。当地人已经被天主教国王对新教徒的持续迫害激怒了，这一行动引发了匈牙利、特兰西瓦尼亚、波希米亚和欧洲其他地区的新教教区的暴动。

《对话》发表时，战争已经肆虐了14年，天主教会对日益增长的新教的威胁感到越来越震惊。教皇必须让信仰天主教的信徒们看到他的铁腕能力，因此他决定对他新施行的某些强硬的民粹主义策略来个灵巧的掉头，转而谴责胆敢质疑传统的地心说观点的任何异端科学家的有亵渎嫌疑的作品。

对于教皇的想法为什么会有这么大的转变的一种颇具个性化的解释是，天文学家们嫉妒伽利略的名气，加上比较保守的枢机主教纠合在一起兴风作浪。他们将教皇早年的一些关于天文学的较幼稚的言论与《对话》中小丑辛普利邱的言论加以比较并放大。例如，乌尔班曾辩称，就像辛普利邱辩称的那样，万能的上帝创造宇宙时完全不考虑物理定律，因此当教皇看到《对话》中萨尔维阿蒂对辛普利邱的讽刺性回应时必然感到被羞辱：“当然，神能够让鸟飞起来，即便它们的骨骼是由实心的黄金制成的，它们的静脉里全是水银，它们的肉比铅重，它们的翅膀非常小。他没有这么做，他不需要证明什么。而你动不动就把主抬出来仅仅是为了掩盖你的无知。”

《对话》出版后不久，宗教裁判所便以“强烈的异端嫌疑”而要求伽利略前来接受审讯。当伽利略抗议说，他病得厉害无法前往时，宗教裁判所威胁要逮捕他，并将他拷上手铐用囚笼押往罗马。于是他只好屈从，准备行程。在等待伽利略到来的同时，教皇便开始采取措施将《对话》封杀，并下令印刷所上缴所有成书到罗马，但为时已晚——所有成书都已售罄。

1633年4月，庭审开始。关于异端的指控主要集中在伽利略的观点与《圣经》上的陈述——“神固定地球在其基础上，永远不动。”——之间的冲突上。宗教裁判所的大部分成员主张枢机主教贝拉明所表达的观点：“断言地球围绕太阳运动就像宣称耶稣不是处女所生一样的谬误。”然而，在主持审判的10位枢机主教中，有部分人属于抱有同情心的理性派，为首的是教皇乌尔班八世的侄子弗朗切斯科·巴贝里尼。在庭审的两周里，证据全都对伽利略不利，有人甚至以酷刑相威胁，但巴贝里尼不断呼吁宽大和容忍。在一定程度上，他是成功的。在被认定有罪后，伽利略既没有受到肉体折磨，也没有投入大牢，而是被判无限期软禁。《对话》则被列入禁书。巴贝里尼是3名没有签字的主审法官之一。

对伽利略的审判和随后的处罚是科学史上最黑暗的事件之一，是非理性压倒逻辑的一段屈辱。在庭审结束时，伽利略被迫放弃信仰，否认他的说法的真实性。不过，他还是设法以科学的名义赢得了些许自尊。据说宣判后，当他站起来时他喃喃自语道：“Eppur SI muove！”（“然而它还是在动呀！”）。换言之，真相是由实在决定的，不是由裁判所审定的。无论教会怎样声称，宇宙仍然按照自己的不可改变的科学规律运行，地球还在围绕太阳做轨道运行。

伽利略陷入孤立，被禁闭在他的住所里。他继续思考支配宇宙的规律，但当他于1637年失明后他的研究变得非常有限。他患上青光眼也许是因为长期盯着望远镜受到阳光的强烈刺激所致。伟大的观察者再也不能观察了。1642年1月8日，伽利略与世长辞。作为最后的惩罚，教会拒绝让他安葬在圣十字教堂墓地。

终极问题

太阳中心模型在接下来的世纪里逐渐被天文学家们广泛接受，一方面是因为借助于更好的望远镜，有更多的观测证据被收集到，另一方面是因为对模型背后的物理过程的解释在理论上有了突破。还有一个重要因素是，老一代天文学家已经去世。死亡在科学进步中是一个重要因素，因为它眷顾上一代保守派科学家，他们不愿意抛弃旧的、荒谬的理论而去拥抱新的、更准确的理论。他们的顽抗是可以理解的，因为他们终其一生都是围绕一个模型在工作，让他们放弃这个模型而去适应新模型是他们不愿面对的。正如马克斯·普朗克——20世纪最伟大的物理学家之一——评论的那样：“重要的科学变革很少是通过逐步争取其竞争对手并让其转变立场来实现的：扫罗几乎不可能成为保罗。所发生的只能是它的对手逐渐消亡，成长起来的一代从一开始就熟悉新概念。”

在天文学界接受宇宙的太阳中心说的同时，教会的态度也在转变。神学家们开始认识到，如果他们继续否认有识之士视为真理的那些理论，他们在大众眼里就显得太傻了。教会软化了其对待天文学和其他诸多科学领域的立场，由此形成一个知识自由的新时期。在整个18世纪，科学家们运用他们的技能去研究他们周围世界的各种各样的问题，他们用准确、合理、可检验的、自然的解释和答案替代了超自然的神话、哲学谬误和宗教教条。科学家们研究一切：从光的本性到生殖过程，从物质的组成到火山的喷发机理，不一而足。

然而，一个特定的问题显然是被忽略了，因为科学家们一致认为这超出了他们的职权范围，任何理性的思考确实无法触及这个问题。似乎没有人热衷于去着手解决宇宙是如何产生的这一终极问题。科学家将自己限定在解释自然现象的范畴之内，宇宙创生被认为是一个超自然的事件。此外，解决这个问题会危及科学与宗教之间业已形成的相互尊重。现代的、没给上帝留下任何位置的大爆炸的观念在18世纪的神学家眼里显然是异端，就好比宇宙的太阳中心说在17世纪里触犯了宗教裁判所一样。在欧洲，圣经仍然是关于宇宙创生学说的无可争辩的权威。上帝创造了天地的观念仍为绝大多数学者所接受。

看来，唯一可讨论的问题是上帝何时创造了宇宙。学者们对圣经里从《创世纪》开始的各种父子关系进行了梳理，列出了名单，加上每位出生的年份，考虑到亚当、先知和各位王的统治时长等，最后经过仔细加总得到一个宇宙的年龄。在估计宇宙创生的日期上有着太多的不确定性，误差长达三千年，这取决于是谁做的测算。例如，卡斯蒂利亚-莱昂的阿方索十世，就是负责编制《阿方索星表》的那位国王，援引的创世的最早日期为公元前6904年，而约翰内斯·开普勒给出的日期却是这个不确定范围的近端：公元前3992年。

最严格的计算是由1624年成为阿马大主教的詹姆斯·厄谢尔给出的。他在中东地区找了位代理，让他去寻找已知最古老的圣经经文，以便使他的估计不易受到誊抄和翻译错误的影响。他还投入巨大的精力来确定《旧约》年表中记载的历史事件。最后，他敲定了《列王纪下》里间接提到的尼布甲尼撒的死亡时间，由此便可依据《圣经》的历史给出创世的日期。这个死亡及其日期也出现在由天文学家托勒密编制的巴比伦国王的列表里，因此可以与现代的历史记录联系起来。总之，经过反复计算和历史研究，厄谢尔能够宣称，创世的日期是公元前4004年10月22日周六。更精确的是，厄谢尔宣布，根据《创世纪》所宣称的：“有晚上，有早晨，这是头一日”，这一时刻开始于那天下午的6点。

虽然对《圣经》的这种字面解释可能看起来很荒谬，但在一个将《圣经》作为判断创世这样的大问题的绝对权威的社会里，这是非常有意义的。事实上，厄谢尔大主教给出的日期在1701年得到英国教会的认可，并从那时起与国王詹姆斯版《圣经》的出版一道公布于世，一直延续到20世纪。甚至到19世纪，科学家和哲学家们依然乐于接受厄谢尔确定的日期。

然而，在达尔文出版了他的自然选择学说的进化论后，科学界对于将公元前4004年作为创世元年的质疑变得十分强烈。尽管达尔文及其支持者发现自然选择具有普适性，但他们不得不承认，进化是一种十分缓慢的机制，与厄谢尔宣称的世界只有六千年历史的说法完全不相容。因此，人们开始探索利用科学手段来确定迄今为止的地球年龄，希望确立这个时长在百万年甚至几十亿年的量级。

维多利亚时代的地质学家分析了沉积岩的沉积速率，并估计地球至少有几百万岁。1897年，开尔文勋爵采用不同的技术——假设地球在形成时处于熔融状态——分析后指出，地球要冷却到它当前的温度，至少必须要20万年才行。几年后，约翰·乔利运用不同的假设——海洋开始时是纯清的，经过长时间的浸泡，地壳岩石中的矿物质才溶于水中——来估计要过多久海水中溶解的盐才会取得目前的盐度，他的结论是这大约需要上亿年。在20世纪初，物理学家发现放射性物质可用于测定地球的年龄。1905年，这项技术给出的地球年龄是5亿年。1907年，经过技术改进，新提出的地球年龄超过10亿年。断代研究一直是一项巨大的科学挑战，但越来越明显，每次新的测定总使得地球变得越来越古老。

随着科学家见证在地球年龄的认知问题上的这种巨大变化，他们在如何看待宇宙的问题上的观点也悄然有了改变。19世纪以前，科学家们普遍赞同灾变说，认为大灾难可以解释宇宙的历史。换句话说，我们这个世界是由一系列突发的灾难性事件形成并塑造成目前这个样子的，例如地壳岩石的剧烈变动造就了山脉，《圣经》里的大洪水形成了我们今天看到的地质构造。这样的灾难对于认识地球在几千年的历史进程中的地貌变化是必不可少的。但是到了19世纪末，在对地球进行了更详细的研究后，对岩石样本断代的最新结果促使科学家移向世界的均变论观点，认为应该用渐变和均变的观点来解释宇宙的历史。均变论者确信，山脉不可能一夜之间出现，而是以每年几毫米的抬升速度经过百万年的变迁使然。

均变说影响的日益扩大在科学界达成了共识：地球的年龄超过10亿岁，宇宙因此必然更古老，甚至可能是无限老。永恒宇宙似乎在科学界产生共鸣，因为这个理论既表现出一定的优雅，又具有简约性和完整性。如果宇宙永恒存在，那么就没必要解释它是如何创生，何时创生，为何创生以及由谁创生等问题。科学家们特别自豪的是，他们已经发展出一种不再依赖于上帝的宇宙理论。

查尔斯·赖尔，最著名的均变论学者，曾表示时间起源的问题“超越了凡人的认知范围”。这一观点得到了苏格兰地质学家詹姆斯·赫顿的强化：“因此，我们目前的调查结果是，我们没有发现开始的痕迹，也没希望找出终结的迹象。”

均变说可能与一些早期希腊宇宙学家的观点不谋而合。如阿那克西曼德就认为，行星和恒星的诞生和毁灭是在永恒的、时间无限长的过程中进行的”。在他这番表述的几十年后，公元前500年，艾弗萨斯的赫拉克利特重申了宇宙的永恒性：“这个宇宙，永远不变，既不是由神也不是由人创造的，而是，现在是，永远是：一团生生不息的火，不断地点燃和熄灭。”

所以，到20世纪开始时，科学家们仍满足于生活在一个永恒的宇宙中。但这个理论赖以支撑的证据却相当脆弱。虽然断代史的证据指向一个至少有几十亿年之久的真正古老的宇宙，但宇宙永恒的观念主要是基于信仰上的飞跃。从地球年龄至少几十亿年推断宇宙是永恒的根本就没有科学依据。确实，一个无限古老的宇宙构成一种连贯一致的宇宙观，但这只不过是一厢情愿，除非有人能找到一些科学证据来支持它。事实上，永恒宇宙模型确立的基础是如此脆弱，以至于称它为神话而不是科学理论可能更合适。1900年的永恒宇宙模型在解释上几乎与蓝色巨神乌尔巴里将大地与天空分开一样不靠谱。

最终，宇宙学家只好面临这样一种尴尬的局面。事实上，差不多整个20世纪里，他们都在努力用体面的和严谨的科学解释来取代这最后的伟大神话。他们竭力发展详细的理论并寻求具体的证据来支持它，以便使他们能够自信地解决这个终极问题：宇宙是永恒的，还是创生的？

有关宇宙演化史的争论，有关有限或无限的争论，迫使过分自信的理论家、英勇的天文学家和杰出的实验者投入战斗。叛军联盟试图推翻不共戴天的现有权威，他们采用最新技术——从巨型望远镜到太空卫星，无所不用其极。对这个终极问题的回答将导致科学史上最大的、最具争议的、最大胆的冒险尝试。 VI8qYTlzNXcCVkVCceO//fCpL35Nl+6OQnaVRWCEpOLQMrzBtiT+7W8mwQuK6j78