第一节
哥白尼

波兰天文学家哥白尼通过他的太阳中心说，揭开了近代自然科学的序幕。恩格斯称哥白尼学说是向神学发出的挑战书，是自然科学的独立宣言。

自然科学对神学、经院哲学思想统治的第一次重大突破发生在天文学领域，这决不是偶然的。天文学是一门最古老的科学。在西方，通过毕达哥拉斯、柏拉图、亚里士多德、阿里斯塔克、托勒密等人的研究，已经提出了几种不同的理论体系，成为一门非常具有理论色彩，又是提出理论模型最多的一个学科。天文学在当时是一门最富哲理性的科学，天文学上的每一个理论模型，每一个重大的理论观点的提出，都同人们的宇宙观发生直接的联系。正因为如此，在天文学领域中，两种宇宙观、新旧思想的斗争也特别激烈。哥白尼的犹疑，哥白尼以后教会对布鲁诺、伽利略的迫害就深刻地反映了这种斗争的激烈程度。天文学当时同人们的生产与生活又有着十分密切的关系。在当时的历史条件下，种田靠天，畜牧靠天，航海靠天，观测时间也靠天，这就有力地推动了天文学的发展。公元1世纪的儒略历问世，在325年被确定为基督教的历法以后，经过1000多年的应用，它的微小误差经过长时间的积累已经到了不可忽视的地步。为了尽量同观测资料相吻合，托勒密体系的圆圈也越来越多，增加到80多个，超过了亚里士多德天球层的数目。

托勒密体系的错误日益暴露，这就在客观上要求用新的理论体系来代替它。既然天文学富有理论和哲理的色彩，而天文学又是教会十分关注的学科，所以一旦新的宇宙体系出现，就必然要深刻地改变天文学的面貌，引起宇宙观的变革。这不仅震动了一所所学府，也震动了大大小小的教堂，震动了世界上的许多角落。于是阿里斯塔克所埋下的火种，现在终于燃烧成熊熊的烈火了。

哥白尼（1473～1543）生于波兰的托伦城。父亲经商，曾任过市长。哥白尼10岁时父亲去世，由舅父抚养。他在上中学时，就对天文学感兴趣，曾帮助过老师做日晷，跟着老师在教堂的塔顶上观察星空，并对占星术产生了怀疑。18岁时哥白尼就进入了克拉科夫大学。这是一所在1364年建立的古老大学，也是当时受文艺复兴运动影响最早的一所大学。天文学教授沃依切赫虽然在课堂上讲授的是亚里士多德-托勒密的体系，但也对这个体系提出了一些怀疑。在沃依切赫的指导下，哥白尼研究了托勒密学说，并学会了天文观测的技巧。有一次沃依切赫问他：你认为当前天文学存在的最根本的问题是什么？哥白尼回答说是错误的地心说。他认为地球静止不动的观点是不能成立的；人们总习惯于把自己看作是世界的中心，也是一种偏见。这说明日心说的观念很早就在哥白尼的心田里萌发了。

1496年他到意大利的波伦亚大学留学。在那里他同当地文艺复兴运动领导人之一的诺法纳曾讨论过如何改进托勒密体系的问题。后转入帕多亚大学学医。舅父去世后，他就迁居弗洛恩堡，在一所教堂里住了30年，也在那个教堂的阁楼上对天象观察了30年。哥白尼当年进行天文观察的条件很差。弗洛恩堡的纬度偏北，靠近海洋，空气潮湿，仪器简陋，过去的观测资料几经传抄，错误百出，有的数据甚至是伪造的。但他不顾困难，持之以恒，终于取得了相当可观的数据，为他创立太阳中心说提供了比较丰富、可靠的观测材料。他的《天体运行论》一书就应用了1497～1529年间的27次观测的资料。

16世纪初他开始笔述自己的思想。1880年在维也纳图书馆中发现了哥白尼大约在1502～1514年间写的一个手抄本《哥白尼对自己天空运动假说的小评论》，叙述了太阳中心说的若干基本观点。他说：“所以大家不要以为我曾经是无理由地跟在毕达哥拉斯学派之后，主张地球的运动；从我的关于圆形的论述里将找到强有力的证明。自然哲学家要想建立地球不动说的主要论证大部分是根据表面的现象；所以在我说明了理由以后，这样的论证就垮掉了。” 从这时起，哥白尼的思想实际上已开始流传。

虽然早就有人劝哥白尼系统地发表自己的学说，但他一直犹豫不决。他想到过孔雀，这种可爱的鸟儿在渴望欣赏它的美的人面前，是从不掩饰自己的美的。但他更多想到的是泰勒士和毕达哥拉斯，他们都不愿意公布自己的发现，不是怕别人分享自己的成果，而是怕自己千辛万苦得到的成果遭到不应有的轻蔑。哥白尼深知自己的学说公布以后，肯定有人会大喊大叫，把他哄下台。他说：“有这样一班庸人，除非是有利可图，从不关心任何科学研究。” 这种人虽笨而懒，但都喜欢轻蔑别人。

在生命的最后一些岁月里，他才决定将从1506年就已经开始撰写，后来经过几次修改的著作公开出版。他自己也觉得把学说埋藏在心里的时间太长了。他不无遗憾地说：罗马诗人霍拉斯第说“作品搁置九年才可问世”，可是我的作品却整整搁置了四个九年！1543年5月24日，当刚印好的一本《天体运行论》送到他手上时，他已重病在床，正在弥留之际。他用他那双颤抖的手摸了摸书的封面，一小时后就离开了人间。

哥白尼在这部著作中首先谈到了天文学的研究对象和意义。他认为天文学研究宇宙的旋转、天体的运行、天体的大小和距离、宇宙的全貌，这些都是最美好、最有意义的问题。研究天文学可以获得一种美的享受，也可以为国家增添很大的利益与荣誉。天文学应当把数学作为自己的科学根据，正如古人所说，天文学是数学的集大成。要使天文学达到比较完善的地步，只有经过许多代人的不断观察才能完成。

哥白尼继承了柏拉图原理，把正圆与匀速作为自己学说的基本原则，深信天体的形状与运行轨道都是最简单的图形，深信用某种匀速运动的组合可以说明天体运行的不规则性。在这点上，哥白尼同托勒密是一致的。他说：“只有圆周与圆周的组合才能使过去重返而得到重复。” 但哥白尼不同意托勒密的地心、地静的观点，并对这些观点进行了驳斥。

托勒密认为所有的物体都有重力，都要趋向地心，所以地球处于宇宙的中心，它不能运动，不能离开这个中心。哥白尼则指出：“重力并不是别的，而是造物主赋予物体的，使之联合为球形状的一种自然倾向。” 重力只能使地球成为球形，而不能使地球成为宇宙的中心。哥白尼实际上提出了一个天才猜测：每个天体也都是一个重力中心。如果说地球是一个重力中心，所以地球是宇宙的中心，那么所有的天体都是一个重力中心，岂不是说所有的天体都应该是宇宙的中心了吗？

亚里士多德与托勒密认为地球上水和土只能作直线下落，火和气只能直线上升，既然地球上的各个物体都不能自发地做圆周运动，所以整个地球也不可能做什么圆周运动。哥白尼则指出，地球上的各种物体可以同时具有直线运动与圆周运动。圆周运动是总体运动，而直线运动是局部运动。水与土是构成地球的主要原料，所以水与土一面做直线运动，一面也参与地球的圆周运动。由土构成的物体在燃烧中就形成火与气，既然火与气都来源于土，所以它们也具备地球这个整体所具有的属性，必然要进行圆周运动。这些物体的运动都是圆周运动与直线运动的结合。亚里士多德把运动分为离心、向心、环心三种，不过是一种抽象，实际上这三种运动是不能截然分开的。“正如我们区分线、点、面这些概念一样，显然这些概念不能彼此脱离而存在，也不能脱离实体而存在。” 因此，我们不能用地球上物体的直线运动来否认地球的圆周运动。

托勒密认为我们所看到的恒星的东升西落是地球静止不动的最好证明。哥白尼则指出恒星的东升西落这只是一种视运动，是地球运动的反映。他认为当我们观察到某个物体位置改变时，有三种可能情况。第一种可能是观察对象本身在运动，而观察者没有运动。这时视运动与天体的真实运动是一致的。第二种可能是观察对象没有运动，而观察者在运动，这时对于观察者说来也会造成观察对象的视运动。正如古罗马的维尔吉尔所说：“我们乘船向前航行，陆地和城市后退了。”由此可以想象，地球运动时，地球上的人也会觉得整个宇宙在转动。第三种可能是观察对象与观察者同时以不同的速度在运动。在后两种情况下，就应当仔细地把真实运动与视运动区别开来。这是正确观察天体真实运动所不能忽视的一个重要环节，而要做到这一点，就必须搞清楚地球本身的运动。因为我们是在地球上观察天象的，不弄清地球本身的运动，就谈不上弄清天体的运动。“所以，我认为，必须首先仔细地研究地球在天空中的地位，以免舍近求远、本末倒置，错误地把地球运动造成的现象当成天体运动的结果。”

托勒密认为如果地球在旋转，地面上的物体就会向太空飞散，最后地球就会崩溃。哥白尼认为这种说法是毫无道理的。他问：为了使地球不致崩溃，就说地球不动，整个天穹在绕地球转动，那为什么不担心整个宇宙会崩溃呢？假定天穹24小时绕地球转一圈，比地球运转的速度要快得多，离心的作用就更大，天穹在不断扩张，旋转速度也就更快；如此循环下去，天穹的大小与速度都要变成无限大，而无限是既不能旋转，也不能有任何运动的。

托勒密认为，我们没有看到天上的浮云、飞鸟都向西运动，所以地球是静止不动的。哥白尼则指出，即使地球在向东运动，我们也不会看到浮云、飞鸟向西运动，因为不仅地球上的水与土跟随地球一块运动，而且没有同地球直接接触的空气也随同地球一块运动。为什么会这样？他猜想可能是因为空气是水与土的混合物，所以也要遵循整个地球的自然法则，也可能靠近地球的空气受到地球运动的影响。就像希腊人说的那样：高空的空气遵循天体的运动，靠近地面的空气和其中的悬浮物则遵循地球的运动。在这里哥白尼提出了一个宝贵的思想，即地球上的各种物体（包括地球周围的空气）组成了一个体系，在这个体系内部的各部分保持着一种和谐的自然关系。既然地球的转动是一种自然的运动而不是一种强迫的运动，那地面上的各种物体就仍然保持着它的和谐的自然关系。这就是说在地球转动时，地面上各种物体之间的关系，就同地球在静止时是一样的。这些论述包含着相对性原理的萌芽。

既然地球在转动，为什么测不出恒星视差呢？他说这可能是恒星距离我们太远的缘故。

哥白尼还指出，天比地大，其大无比。为什么要把运动归于包容者，而不归于被包容者呢？为什么要让其大无比的宇宙奔跑不息，而偏让小小的地球静止不动呢？亚里士多德既认为稳定比变化高贵，又认为天界是高贵的、地球是卑贱的，那为什么要让卑贱的地球享有高贵的静止呢？为什么要让卑贱的地球处于宇宙的中心，而让高贵的天界围着它团团转呢？显然，亚里士多德“静贵动贱”和“天贵地贱”的思想，同他的地静说是矛盾的。

因此哥白尼得出结论说：地球不动的看法是没有道理的。他说主张地心说的人在解释天体的运动时，一些人用同心圆（指亚里士多德），另一些人用偏心圆与本轮（指托勒密），但都未能得到满意的结果。就像一个艺术家画人像，从不同模特儿身上取下不同的部分，然后不合比例地凑在一起。尽管各部分画得很好，但总体不协调，这样画出来的就不是一个人，而是一个怪物。在哥白尼看来，地心说就是这样一种怪物。

哥白尼认为太阳是宇宙的中心，而地球只是一个普通的行星，这样恒星的东升西落，行星的打圈圈的视运动都能够得到解释。他还确定了其他天体的位置。他说一般人都认为恒星天层是最远的，这点无需怀疑。他根据欧几里得在《光学》中确立的原则——等速运动的物体离我们越远则视运动越慢，确定了各行星的位置是：太阳、水星、金星、地球（月亮）、火星、木星、土星和恒星天层。

他用诗的语言赞美了太阳：“中央就是太阳，在这华美的宫殿里，为了能同时照亮一切，我们还能把这个发光体放在更好的位置上面吗？太阳被称为宇宙之灯，宇宙之心，宇宙的主宰，……太阳好像是坐在王位上统率着围绕它转的行星家族。”“这种顺序显示出令人赞叹的对称性和轨道的运动与太阳大小的和谐。神圣的造物主的庄严作品是何等伟大啊。”

他认为他的这个体系同神学并不矛盾，它对行星位置的预言也同托勒密的体系一样准确，而且要比托勒密的体系简明得多，也美得多。只要睁开眼睛，正视事实，那就应当承认这一点。

哥白尼学说在科学史上的意义，主要是为牛顿力学的建立提供了基础。哥白尼说概念“不能脱离实体而存在” ，要正视事实。他指出地球也是一个行星（天体），亚里士多德的天地双重世界的观念是错误的，这为建立统一力学扫清了思想障碍。伽利略说：“若把地球作为一个行星看待，像哥白尼的学说那样，则只要一套规律就可以既适用于天体物理学又适用于地上物理学了；但是如果把地球看作在宇宙间处于特殊地位，这种结合就不可能，那就要两套规律，这便是亚里士多德物理学和托勒密天文学的尴尬处境。” 哥白尼学说还包含一些经典力学思想的萌芽，如相对运动、天体都是重力中心的思想。可是他的匀速正圆的观念在客观上又妨碍了天体力学的创立。

德国诗人歌德满腔热情地说：“哥白尼地动说撼动人类意识之深，自古无一种创见，无一种发明，可与之比。……自古以来没有这样天翻地覆地把人类的意识倒转来过。因为若是地球不是宇宙的中心，那么无数古人相信的事物将成为一场空了。谁还相信伊甸的乐园，赞美诗的歌颂，宗教的故事呢？” AhcN2x3+8hpmXtXFXBzC3ClFvpDBh8YBH/CRCAvQADZWU4NnQE7A3pTz+5RoQ5kE