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现代天文学可以说是从哥白尼的“日心说”开始的，我们梳理一下哥白尼日心体系的发展进程，就能体会到天文学的发展是如何体现天地人的和谐的。
哥白尼，波兰天文学家，“日心说”理论的创始人。
哥白尼10岁时父亲去世了，身为教会主教的舅父收留了他。他18岁进入大学学习文学和天文学，当时天文学的学习内容，几乎是包罗万象的，有几何、代数、占星和天文宇宙学等。当时的哥白尼对天文学产生了极大的兴趣，而且他的数学成绩很好。大学毕业后，他又去意大利留学10年，那个时期的意大利是文艺复兴的中心，人才济济。哥白尼在博洛尼亚大学专注于天文学的学习，1497年3月9日记录了他平生第一次天文观测。其后他在罗马教授数学，回国后就被任命为弗洛恩堡教堂的一位教士。拥有这种职位，就可以终生享有充足的生活费，因此，哥白尼过着衣食无忧的生活，有充分的时间从事天文学的研究。1513年3月31日，他在教堂里建成了一座小型的天文台，并设计了三架天文仪器。
哥白尼有数学根底又有着对天文学的极度热爱。在他留学期间，文艺复兴的“春风”已经促使意大利以及其他国家的许多学者，在汲取古希腊思想源泉的基础上，在自由的氛围里对当时诸多僵化学说和制度提出批评和挑战。在天文学领域，托勒密的地心说就自然而然地成了被批评和挑战的对象。
哥白尼在思想上倾向于毕达哥拉斯学派，信仰柏拉图的完美主义，追求数学、天文学上的简单性和完美性。哥白尼认为托勒密太过复杂的体系是“不合格”的，违背了希腊人完美运动的原理，而如果体系（宇宙）的中心不是地球而是太阳，那么对天体运行的描述就可能会简单得多。他在他最早的著作《关于天体运动假说的要释》中指出托勒密的体系对天体位置的预测是有效的，但是它违背了希腊天文学和哲学中完美运动的原理。他说道：“我注意到了这一点，于是就常常想，能不能找到这些圆的一种更合理的组合，用它可以解释一切明显的不均匀性，并且如同完美运动原理所要求的，每个运动本身都是均匀的。”由此可见，哥白尼最初的用心只是想到了事物的完美和理论的不协调，并不是真的想要引发一场天文学的革命。
直觉告诉我们，所有的天体都围绕着地球旋转，作为宇宙的中心，地球是静止不动的。在古代，人类只能“坐井观天”地去体会和赞美宇宙，想认识宇宙的真面目是心有余而力不足。
Cosmos（宇宙）一词，是由古希腊的数学家毕达哥拉斯创造的，原意为“一个和谐而有规律的体系”。毕达哥拉斯学派认为，天文学的目的，首先是追求宇宙的和谐，而不是狭义地去拟合观测。因此，对于古希腊的科学家来说，天文学的目的是揭示宇宙的奥秘。构建模型、解释现象，要比追求实用、迎合世俗的价值观更加重要。在他们的心目中，科学一定是美的，作为宇宙论的一个基本特征，和谐与简单，就是这种美学的最高标准。这种科学观，最终形成了绵延持久的学术传统，对西方科学的发展产生了极为深远的影响。
你可能会问，难道他们不想去实际地观察宇宙、认识宇宙吗？当然想！那是人类一直的梦想。只是手段和认识能力不足而已。那就瞎猜？实际上，心理学和社会学的研究告诉我们，人对于未知的东西，更可能产生的情感和思维就是畏惧或者赞美。
所以，当时科学界的“大神”柏拉图才会这样描述天体运行所应该采用的轨道：宇宙的本质是和谐的，而和谐的体系应当是绝对完美的，由于圆是最完美的形状，因此，所有天体运动的轨道都应该是圆形的。按照这种假说，柏拉图提出了一种同心球宇宙模型，在这个模型中，月亮、太阳、水星、金星、火星、木星、土星依次在以地球为中心的固定的球面上作圆周运动。
这个模型被提出后，很快就遭到人们的质疑。因为，行星在天空中时而顺行、时而逆行，凭直觉就可以判定，它们的运动轨迹看起来显然不是一个圆周。对此，柏拉图认为，行星运动所表现出来的这些现象是表面的、个别的，并不能够证明宇宙遵循“和谐”这个理性主义的美学原则错了。为了对付这些异常，他发起了一场所谓的“拯救现象”运动，试图继续用同心球模型来解释行星逆行之类的异常现象。
在缓解古希腊第一次数学危机中扮演了重要角色的几何学家欧多克斯加入了“拯救现象”的运动，他在柏拉图同心球理论的基础上，针对日月五星的视运动轨迹，每个都设计了按不同的速度、绕不同的轴旋转的同心球。但是，日月五星运动的不均匀性现象，在欧多克斯的同心球模型中还是不能够反映出来。有人就对日月五星分别增加了一层天球，使整个模型中同心球的数目达到34个，甚至更多。
柏拉图的学生亚里士多德在欧多克斯的同心球理论的基础上，又提出了所谓的水晶球体系（图1.11）。这个模型修正了柏拉图同心球体系中天体的排列次序，调整了太阳与内行星（水星和金星）的位置，地球之外，依次为：月亮天、水星天、金星天、太阳天、火星天、木星天、土星天、固定恒星球天。
图1.11 亚里士多德的水晶球体系
在亚里士多德的宇宙论中，有两条基本假设：第一，地球是宇宙的中心，是绝对静止不动的；第二，天体运动必须符合统一的圆周运动。这二条，在欧多克斯的同心球模型提出来后，基本上可以确立了。
这样的模型虽然复杂一些，但是不失“和谐”，可以解释行星的“怪异”运动。可是，不久人们便发现，行星（特别是金星、火星）的亮度会发生周期性的变化，而对于这个现象，亚里士多德修改欧多克斯的同心球模型却无法解释，因为按照同心球理论，行星到地球的距离始终是一样的，不应该产生亮度的变化。
那么，行星的亮度为什么会发生变化呢？这个问题成为亚里士多德之后的一些学者关注的焦点。以研究圆锥曲线著称的阿波隆尼认为，行星并不是直接绕地球作圆周运动，因此，行星与地球的距离并不总是相等的，而是有时远、有时近。当行星离地球较远的时候，看起来较暗，当行星离地球较近的时候，看起来较亮。为了说明他的想法，阿波隆尼提出了最早的“本轮－均轮”模型。设计两个圆周运动的合成，它们共同画出的轨迹，就是我们看到的行星运行的真实路径。
在亚里士多德之后的近500年中，古希腊的数理天文学基本上只重视对宇宙模型的构建与修改，并不太关心这些宇宙模型对具体的天体运动的计算精度。实际上，各种模型的提出和改进，都是为了提高它的解释功能，所以在很大程度上，忽视了计算上的精度。因此，这些模型，虽然可以很简明地演示天体的运动，但是，都不具备历法意义上和计算天体运行工作中的实用性。这种状况，在公元150年，被伟大的天文学家托勒密进行了根本性的改变，这一年，他出版了一部天文学著作《天文学大成》。托勒密仔细地研究了前人的成果，特别是阿波隆尼的本轮－均轮模型与希帕恰斯的偏心圆模型，在这两种模型的基础上，托勒密构造了一种新的本轮－均轮模型。利用这个模型所建立的计算方法，是与当时的天文观测相当吻合的。
1543年哥白尼的《天体运行论》出版了，在科学界，它和达尔文的《物种起源》以及牛顿的《自然哲学的数学原理》并称为奠基性的三大著作。《天体运行论》的出版，在天文学领域标志着柏拉图对行星进行“完美”几何描述的结束。促使科学家们开始研究行星运动学的问题，更进一步，自然也就产生了行星动力学方面问题的思考，也就是说，是什么原因使得行星特别是地球运动起来的？
哥白尼日心理论的提出是建立在一般性的“公理”之上的。他当时这样讲：“当我致力于这个无疑是很困难的而且几乎是无法解决的课题之后，我终于想到了只要能符合某些我们称之为公理的要求，就可以用比以前少的天球和更简单的组合来做到这一点。”
“只要用地球运动这一点就足以解释天上见到的许多种不均匀性了”，因此，托勒密地心说中无法解释的诸多现象，在日心说看来都是可以迎刃而解的，这是日心说得以提出的最重要的原因。
实际上在公元前3世纪，希腊学者阿里斯塔克就提出，太阳处于宇宙的中心，地球围绕着太阳旋转，由于他首次提出了日心说，因而被称为“古代的哥白尼”。哥白尼在托勒密学说的基础上，继承了阿里斯塔克的日心说主张，提出了崭新的日心说理论。哥白尼认为：地球是球形的，因此它的自转与公转运动也应当是圆周运动。
在建立和将日心说植入大众信念的过程中有4个关键人物功不可没：第一个是第谷，他的主要贡献在于给出了精确和完备的观测；第二个是开普勒，他将天文学从几何学的应用转换成了物理动力学的计算；第三个是伽利略，他用望远镜揭示了天体隐藏着的真相，并发展了运动的新概念，巩固了哥白尼的主张；第四个是笛卡儿，他构想了一个无限的宇宙，在这个宇宙里没有什么位置和方向是特殊的，太阳只不过是一颗区域性的恒星而已。
第谷，伟大的天文观测大师。通过一系列的革新和精心的设计，他可以将观测精度控制在1弧分之内，几乎达到了天文目视观测的极限，真正是前无古人。说他后无来者，是因为在他之后的天文学家就不再利用目视观测了。借助于精良的天文仪器（图1.12），他重新对恒星位置进行了测量，系统地测量了太阳运动的各主要参数，修正了大气折射的数值，而且发现了月球运动的一种不均匀性。更重要的是，他为行星运动的研究积累了大量的精密观测数据。
图1.12 第谷的“私人”天文台——星堡
第谷1546年出生于丹麦一个地位显赫的世袭贵族家庭，13岁进入哥本哈根大学学习法律。通过对1560年8月21日日食的观测，他对天文学产生了极大兴趣。他对日食能够预报这一点印象极深，同时也从预报存在的巨大误差（1天）中意识到，要想获得更加精确的预报就必须有更加精确的天文观测。
图1.13 第谷的“超新星”
1572年11月11日晚上，第谷在仙后座发现了一颗“比金星还要亮”的“新星”（图1.13）。通过系统观测，他发现这颗“新星”的位置相对于恒星背景没有任何变动，根本不是大气层内的变化，而是位于天界，甚至比五大行星的距离更远，这与亚里士多德关于天界永恒的观点完全相反。他请其他人一起来见证自己的发现，并发明“新星”（Stella Nova）一词来描述这颗新发现的天界物体。次年他在哥本哈根出版了《论新星》一书，由此名声大振，并从此走上了职业天文学家的道路。
1577年11月到次年1月，他对一颗大彗星进行了详细的观测，包括对其距离以及彗尾（图1.14）的直径、质量和长度的测算，发现彗尾总是指向远离太阳方向的规律。通过观测，第谷认为该彗星远远位于月球天层以上。这一结果不仅再次对亚里士多德的天界永恒观提出了挑战，而且对第谷的宇宙学思想产生了更加重要的影响。
图1.14 大彗星的数据记录
在宇宙模型方面，第谷是一个“折中”主义者。他遵循天体作匀速圆周运动这一最高法则，赞赏哥白尼对托勒密模型的抛弃。但是，他不完全接受日心地动说，并想到了一种折中方案，也就是所谓的“第谷体系”：让月球与太阳继续围绕地球运动，而让五大行星围绕太阳运行。这样做既延续了日心说在简洁性方面的优势，又避免了该模型在当时所面临的种种诘难。问题是，这样一个模型意味着水星和火星的天球必须与太阳天球相切割。如果承认固体天球的存在，则这种体系在物理上是不可能的。
和哥白尼、第谷两人不同，开普勒出身贫寒，还是个早产儿。更不幸的是由于3岁时被传染了天花，不仅损坏了面容，还使得他一只手半残，视力也受到损害。也可能正是由于处世的艰难，他才有了追求科学真理、天体运动的真相的坚强意志。开普勒对天文学的贡献完全可以和哥白尼相媲美。而作为一个科学家，他升华自然现象到科学本质的能力，更是要超过他的“老师”加同事——第谷！
开普勒虽然家境不好，但他还是走完了自己的受教育之路。他最初接受教育的动力是为了摆脱贫困，所以，他在1587年17岁时进入图宾根大学神学院。在进神学院以前，开普勒对天文学并没有多大兴趣，他热衷的是神学，希望日后能当一名牧师，为上帝传播福音。是他的老师和当时流行的日心说引起了他对天文学的兴趣。
1596年，开普勒发表了他的第一本著作《宇宙的奥秘》，并把书寄给了当时天文界的领袖人物第谷。几次通信之后，他们感觉到了彼此的“惺惺相惜”，已经身在布拉格的第谷邀请开普勒来共同工作。他在信中写道：“来吧，作为朋友而不是客人，用我的一切一起观察。”
第谷去世后，将他的所有观测资料留给了开普勒。当开普勒用第谷的观测资料研究火星的运动时，发现火星如果真是作圆周运动，那就与第谷的观测资料有8弧分的误差。对一般的观测结果来说，这是一个能够被接受的误差，但开普勒认为对第谷来说，这是一个不能允许的误差，他心里很清楚，第谷的实测误差绝对不会超过2弧分。
火星的运动轨道偏离圆轨道已经很明显，与哥白尼认为行星运动一定是圆周运动的观点矛盾。但开普勒既没有因此怀疑日心说，也没有怀疑第谷的观测资料，而是认为哥白尼日心说里延续自柏拉图的完美的“圆周运动”值得怀疑。于是，开普勒摈弃火星运动轨道是圆周的假说，把它视为卵形。他对火星轨道试验了多种类似卵圆的曲线，花了3年时间才最终确定火星的轨道实际上是椭圆形的。而且发现火星沿椭圆形轨道运动的猜想与观测资料非常一致。经过进一步的研究证明，所有行星运动的轨道都是椭圆形的，太阳在椭圆形的一个焦点上。这就是开普勒的行星运动第一定律。
在确定行星沿椭圆形轨道运动后，开普勒迫切想了解：为什么行星偏爱椭圆形运动？行星运动的原因是什么？这促使他又证实，行星在椭圆形轨道上，当离太阳近时行星运动快，离太阳远时行星运动慢。这样，开普勒又抛弃了星体作神圣的匀速运动的理论。去计算、找寻行星运动在椭圆形轨道上所遵循的规律。这个规律就是开普勒第二定律：太阳到行星的半径在相等的时间内扫过相等的面积。
之后的10年里，他继续观察行星运动和分析第谷的观察资料。1618年5月，开普勒终于发现了行星运动第三定律：各个行星运动周期的平方与各自离太阳的平均距离的立方成正比。
可以说，开普勒既完善了哥白尼的学说，又破坏了哥白尼的学说。哥白尼所寻求的满足几何简单性要求的行星系统，开普勒用一种圆锥曲线就解决了，把那些复杂的本轮、偏心轮统统淹没在椭圆的简单性之中；而开普勒对于火星研究总结出的行星定律，又把哥白尼一直推崇的完美的“几何天文学”引导到了物理学的模型和计算上。最重要的是开普勒行星定律奠定了牛顿力学及天体力学的基础。
开普勒最终也完成了和第谷一起创制的《鲁道夫星表》。基于第谷的观察和开普勒的理论的星表，证明了开普勒行星定律的正确。利用《鲁道夫星表》观测1631年的水星凌日时，精度提高了10倍。
伽利略，意大利物理学家、天文学家和哲学家，近代实验科学的先驱者。他改进了望远镜，支持了日心说。人们这样评价：“哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙。”可见他的伟大程度。
1564年2月15日伽利略出生于意大利西部海岸的比萨城，出身于没落的名门贵族家庭。父亲是一位音乐家，精通希腊文和拉丁文，对数学也颇有造诣。因此，伽利略从小受到了良好的家庭教育。伽利略在十二岁时，进入佛罗伦萨附近的瓦洛姆布洛萨修道院接受古典教育。十七岁时，他进入比萨大学学医，同时潜心钻研物理学和数学。由于家庭经济困难，伽利略没有拿到毕业证书，便离开了比萨大学。在艰苦的环境下，他仍坚持科学研究，攻读了欧几里得和阿基米德的许多著作，做了许多实验，并发表了许多有影响的论文，从而受到当时学术界的高度重视，被誉为“当代的阿基米德”。
伽利略在25岁时被比萨大学聘请为数学教授。两年后，伽利略因为著名的比萨斜塔实验，触怒教会，失去了这份工作。伽利略离开比萨大学后，于1592年去威尼斯的帕多瓦大学任教，一直到1610年。这段时期是伽利略从事科学研究的黄金时期。在这里，他在力学、天文学等方面都取得了累累硕果。
伽利略的研究在两个层面上对哥白尼学说起到了支撑的作用。第一个是他通过天文观测，证实了哥白尼的学说；第二个层面是他关于运动的重新评价，反驳了对地动说的经典驳难，从物理原理上支持了哥白尼。
1609年，伽利略听说荷兰人发明了望远镜，马上想到了利用望远镜观测天体的可能性，并立即动手制作、进行观测（图1.15）。他说道：“同肉眼所见相比，它们几乎大了一千倍。”他看见了月球表面的“坑”，知道了天体并非像希腊人描述得那么完美；他看到了比肉眼观察到的要多得多的恒星，而它们并不像行星一样视圆面会被放大，说明它们离地球很远，真的可能像第谷驳斥哥白尼时所说的那样，恒星距离地球比原来要远了700多倍，甚至更多，这对哥白尼当然是好消息！
图1.15 伽利略制造了第一台折射式天文望远镜
1610年，当伽利略用望远镜观察木星时，发现木星位于三颗小星星的中间，而这三颗小星星令人惊奇地排成了一条直线。那天是1月7日，而他在1月13日再度观察它们时，小星星已经不是三颗，而是四颗，而且从它们的位置变化判断，它们是在围绕着木星公转。就像行星围绕着太阳，月亮围绕着地球一样。四颗卫星可以围绕着木星（公）转，如果是这样，那哥白尼构想的行星体系当然也就可以围绕着太阳（公）转了。这一事实，支持了哥白尼提出的宇宙没有唯一的绕转中心的猜想。
当时，哥白尼的地动学说还面临着这样的驳难：如果说地球在自转的同时还在绕日公转，为什么我们完全感觉不到这种运动？一支箭垂直射向空中，为什么又落回到原地？因为按照亚里士多德的论证，地面上的物体除了寻找其固有位置的自然运动之外，别的运动都需要外力。如果地面从西往东在移动，那么垂直落下的箭因为没有横向的作用力，势必要落到偏向西面的地方。然而事实并非如此，所以地球在箭飞行的时间内是没有移动的。
面对这一驳难，伽利略采取了釜底抽薪的策略，也就是重新评价（定义）运动的概念。对亚里士多德来说，非自然的强迫运动需要一个原因，因此需要一个解释；而静止是不需要原因的。伽利略关于运动的观点告诉我们：并不是运动本身需要原因，而是运动的变化需要原因。稳定的运动包括静止这种特例是一种状态（惯性），保持这种状态会感觉不到运动。这就是为什么地球上的人在地球绕太阳转动的时候感觉不到自己的运动（速度）。
伽利略的那个大船的故事我们都听过很多遍了，现在我们从图上来看看他是如何描述的（图1.16）：“把你和一些朋友关在一条大船下的主仓里，再让你们带几只苍蝇、蝴蝶和其他小飞虫。舱内放一只大水碗，其中放几条鱼；然后挂上一个水瓶，让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐子里。船停着不动时，你留神观察，小虫都可以等速向舱内各个方向飞行，鱼向各个方向随便游动，水滴滴进下面的罐子中。你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不必比另一方向用更多的力，你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相等。当你仔细地观察这些事情后（虽然当船停止时，事情无疑是这样发生的），再使船以任何速度前进，只要运动是匀速的，也不忽左忽右地摇摆，你将发现，所有上述现象丝毫没有变化，你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动。”
图1.16 伽利略的大船实验
这就是你学的物理学课本中的“伽利略相对性原理”，大约300年之后爱因斯坦的相对论论证了，这一原理也适用于任何封闭系统的电磁现象。而在当时，这一实验结论，无疑起到了论证地球运动的“立碑存正”的作用。
笛卡儿创立了笛卡儿坐标系，很多人会想他是一个数学家，其实他可以说是一个物理学家、天文学家，他建立的无限宇宙的涡旋模型几乎统治了整个17世纪，直到牛顿万有引力定律的提出。也许有些人愿意把他看成哲学家，你会想起他著名的“心形曲线”。还有他的名言：
“我思故我在！”
“所有的好书，读起来就像同过去世界上最杰出的人们谈话！”
笛卡儿是一个天才，他提出了坐标系的概念，对光学也有研究，还特别研究了碰撞运动，提出运动中总动量守恒的思想，被认为是动量守恒定律的雏形。他最重要的贡献是打破了依旧禁锢在哥白尼、开普勒和伽利略脑袋里的有限宇宙的概念，提出了无限宇宙的思维。他认为宇宙是一个充满物质的空间，空间的物质运动形成了无数的旋涡。他提出，我们的太阳系就处于这样一个旋涡中，这个旋涡如此之巨大，以至于整个土星轨道相对于整个旋涡来说只不过是一个点。笛卡儿的涡旋宇宙理论是第一个取代固态不变的水晶球模型的宇宙学说，为人们指出了宇宙的可变性和无限性，开拓了人类科学的视野。
