五 哥白尼单挑托勒密

让我们来到公元 1495 年。22 岁的哥白尼成为意大利博洛尼亚大学的一名在职进修生，他进修的专业是教会法。是的，可能出乎很多人的意料，哥白尼是来自波兰的一名年轻的神父，不过这个心思活跃的小神父却偏偏痴迷于天文学，对自己的主业没什么兴趣。哥白尼的天文学导师是 41 岁的诺瓦拉（Domenico Maria de Novara，1454 — 1504），在当时相当著名，这两个年龄相差 19 岁的人很快成了忘年交。不到两年，哥白尼已经把前人积累的天文学知识全部学完，他开始与老师诺瓦拉一起做天文观测，并热烈讨论学术问题。1497 年 3 月 9 日晚上，这是一个万里无云的晴朗的夜晚，哥白尼和诺瓦拉一起来到郊外，他们并排坐在空旷的草地上，双双举头望明月。

哥白尼兴奋地说：“老师，根据我的计算，应该就在今晚，我很期待我的计算结果。”

诺瓦拉淡定地说：“没问题的，这两年来你已经尽得我的真传，就计算能力而言，你只会比我高，不会比我低。”

哥白尼不好意思地说：“老师你自谦了。预测今晚的月亮掩金牛座α星（中国人叫毕宿五）的天象并不是太复杂的计算，比起预测木星或者火星的位置来，那简直就不算是计算了。”

根据哥白尼的计算，今晚月亮将在运行的过程中和明亮的金牛座α星发生重合现象，那颗星星会被月亮挡住十几分钟的时间。这种两个天体运行到天空中同一个位置的现象时有发生，对学习天文的人来说，这是绝好的验证自己所学的知识和计算方法是否正确的机会。

这天晚上，哥白尼预测的天象如期而至，诺瓦拉对哥白尼表示祝贺，但哥白尼似乎并不十分高兴，他看着明亮的月亮，略略不满地说：“比我计算的时间晚了一个多小时呢。”

诺瓦拉拍拍哥白尼的肩膀，安慰道：“这不是你的错，按目前托勒密的宇宙模型，计算出来的误差只有一个小时可以说已经很完美了。要知道，有时候计算出来的‘五大行星’的位置与观测值最多能误差一个月的时间，误差在一两天已经算很好了。造成误差的原因是本轮的直径不够精确，数量也还不够多。”

哥白尼哼了一声，说：“现在本轮都已经有 80 多个了，实在多得有点儿夸张了。”

诺瓦拉接口说：“之前的天文学家曾经形容托勒密本轮模型是大跳蚤背着小跳蚤，而小跳蚤又背着更小的跳蚤，直至无穷。老实说，我也觉得上帝创造那么多的轮子实在是不怕麻烦！这个模型很难看。”

哥白尼说：“老师的意思是不是也在怀疑托勒密模型的正确性呢？”

诺瓦拉缓缓地说：“怎么说呢，我只是觉得这个理论不太完美，有很多生硬的地方，但你要我说他错了，我也很难说，毕竟理论还是能够基本准确地预测天象的，今晚不就是最好的例子吗？”

哥白尼：“虽然是这样，但我还是有些困惑不得不说出来，你知道我对托勒密模型最大的不满是什么吗？”

诺瓦拉：“哦？是什么？你说说看。”

哥白尼：“其实这也不仅是我一个人的不满，有不少人也跟我一样。托勒密没有把地球放在宇宙的圆心位置，我对此相当不满。宇宙是上帝创造的，它应当是完美无缺的，上帝是万能的，我真的无法理解为什么上帝要让地球的位置偏离圆心。虽然托勒密的这个创举让计算值与观测值的拟合度大大提高，但是这样一搞，从我们所处的地球上看过去，所有的天体就都不是做着完美的匀速圆周运动了。我认为在这个宇宙中，匀速圆周运动是至高无上的和谐运动，上帝创造出来的宇宙也应该是至高无上的和谐才说得通啊！”

托勒密独创的对点理论如图 5-2 所示，对点Q与地球E在均轮中心O的两侧对称分布，即EO=OQ；若AB弧和A′B ′弧是行星的本轮中心B或B′在相同时间内转过的角度，从地球E处看去，行星的本轮中心B沿均轮的运动速度并不均匀，即∠ AEB不等于∠ A′EB′，但从对点Q处的观测者看来，此本轮中心以匀角速度运转，即∠ AQB= ∠ A′Q B′。

诺瓦拉点头表示赞同：“是的，你说得很有道理。托勒密的对点理论纯粹是为了修正计算结果与观测值的拟合度而强行施加给地球的，从上帝的角度讲是不通的。”

哥白尼：“说到观测值的问题，这个对点理论还有一个很大的毛病。”

诺瓦拉：“我知道你指的是什么。月亮的视面积大小问题，对吧？”

哥白尼：“没错。按照现在的模型，月亮每个月离我们忽远忽近，视面积变化应当比现在观测到的要大得多才对。”

诺瓦拉：“没错，所以说，这个对点理论怎么看都有点不顺眼。”

这天晚上，师生俩就这么热烈地讨论到了天亮，才意犹未尽地回去睡觉。

一个晚上的促膝长谈让年轻的哥白尼暗暗下了一个很大的决心，他要修正天文算法，要让预测天象的准确度大大提高。但是他对谁也没说自己的这个决心，包括他的老师。不过，此时的哥白尼只有决心却没有思路，要挑一个理论的毛病总是很简单，但要提出具体的修正方法却没那么容易。

带着对天文学的极大热情，哥白尼从博洛尼亚大学毕业后，又去了威尼斯的帕多瓦大学进修，主修的虽然是医学，但他学习最多的还是天文学知识。

哥白尼回到波兰时，刚好 30 岁整，正是精力最旺盛、思维最活跃的年龄。他成了波兰弗龙堡教堂的一名神父，正式开始了对天文学孜孜不倦的刻苦钻研。弗龙堡教堂现在已经成为天文学史上的圣地。

我们前面已经讲过，对于托勒密这套古典的天文学理论，不满的天文学家已经很多了，要突破这套旧理论，建立一套新理论，其实关键点并不在于一颗聪明的脑袋，而在于“勇气”和胆量。为什么这么说呢？大家请想一想，托勒密的宇宙模型之所以会搞出那么多的“轮子”来，根本原因在于星星的运动轨迹太复杂，除了一天 24 小时循环一次的东升西落，还有一年循环一次的周年运动，而“五大行星”又有顺行、逆行、留（停着不动）三种奇怪的现象。如果坚持让地球不动的话，那么这些星星的运动必然会被设计成轮子套轮子的超复杂模型。为什么这些古代的高级知识分子都非要坚持地球不动呢？比如日月星辰每天的东升西落，与其解释成所有的天体每天绕着地球转一圈，不如解释成地球自己每天自转一圈，这样不是简洁得多吗？就好像你站在楼顶上看到世界围着你转，却不相信只不过是自己的脑袋转了一圈而已。这么简单的一个道理，古代的那些大知识分子难道会想不到吗？不是的，从模型的角度来说，他们都想得到，但问题在于，如果大地是在转动的话，为什么我们站在地面上的人感受不到呢？比如，我竖直扔起一块石头，为什么不管扔多高，落回来总是在原地？大地如果转动，落下来就应该偏离原地才对嘛！天上的云也不应该一会儿静止，一会儿往这边飘一会儿往那边飘，应该集体朝一个方向远去才对嘛！诸如此类的问题，古人想到很多很多，日常生活中遇到的现象全都不支持大地转动这件“可怕”的事情。

我们再说所有的天体一年一次的周年运动。人类怎么发现“年”这个周期的？模糊的感官是一年四季的循环变化，精确一点的标志则是太阳在天空中的高度变化，或者说是地面物体的影子长度一年一循环的规律变化，因此，“年”这个周期的关键在于太阳。那么，与前面同样的道理，与其让太阳和所有的恒星一年绕地球转一圈，不如让太阳和恒星不动，而让地球一年绕太阳转一圈来得简洁得多。古代那些知识分子难道会想不到？哥白尼之前那么多聪明的天文学家都想不到？不是的，不是他们想不到，而是他们不敢想。为什么？因为《圣经》的绝对权威。

在《旧约·约书亚记》第 10 章第 12 节中有这么一段记载——当耶和华将亚摩利人交付以色列人的日子，约书亚就祷告耶和华，在以色列人眼前说：“日头啊！你要停在基遍；月亮啊！你要止在亚雅仑谷。”

这段经文清清楚楚地记载了上帝的化身耶和华命令太阳暂停一下。换句话说，太阳、月亮原本是绕着地球转动的，才需要被上帝命令暂停一下，如果是地球绕着太阳转，那么上帝就得命令地球暂停一下才对了。那时候的人们对《圣经》的信仰和崇拜是至高无上的，既然《圣经》中都说了是太阳在动，谁还敢不信呢？在中世纪的欧洲，宗教裁判所的权威可是比任何法院都要大得多，甚至可以轻易剥夺一个人的生命。在那种社会环境下，任何与《圣经》相悖的思想都是大逆不道的，别说是写出来，连想都不能去想。《圣经》是中世纪时期天文学发展的最大阻碍。思想和言论一旦有了禁区，科学的进步就会受到阻碍。科学精神中一个很重要的原则，就是怀疑精神，没有绝对的正确，对那些缺乏验证方式的理论尤其警惕，对完全无法验证的理论更是不予理会。

阻碍天文学家们做出正确模型的除了《圣经》，还有一个很重要的原因，就是当时的人们无法观测到恒星的周年视差现象。

周年视差是指地球如果不是宇宙的中心而是围绕着太阳旋转的话，那么冬天和夏天观测到恒星在天空中的位置应当会有一个视差。

哥白尼是一个神父，要让他突破《圣经》的规则，可以想象这需要多大的勇气！哥白尼跟自己的思想斗争了十多年，直到他 41 岁时才下定决心，冲破思想的牢笼。在十多年的观测、计算、验证的过程中，他发现想要简化计算，提高预测的精确度，那么让地球自转起来，并且绕着太阳一年转一圈是最佳的办法。于是在他 41 岁那年，他写了一篇题为《关于天体运行的假说》的要释文章，正式以假说的方式提出了他的观点：

地球不是宇宙的中心，只是月球轨道的中心；太阳位于宇宙中心附近，行星和地球都在绕着太阳转动；恒星都在遥远的、始终静止不动的恒星天上，恒星天离我们的距离比日地距离大得多；地球自转不息，从而造成所有天体的东升西落；地球是一颗普通的行星，它和诸行星都在绕太阳公转，我们所看到的行星在天穹上的顺行和逆行，是地球和各颗行星都在绕太阳公转引起的合成效应。

这篇文章慢慢在圈子里面传了开来，哥白尼也因此变得越来越有名气，不过他也遭到了许多保守人士尤其是宗教界人士的强烈谴责。好在哥白尼一开始就声明这只是一个“假说”，但实际上，哥白尼内心中坚信这就是宇宙的真相。在这之后的 30 多年中，他一直在撰写那本天文学史上的破天之作《天体运行论》，它是划破黑夜的闪电，将阻挡人类偷窥宇宙秘密的大幕拉开了一角。

我给大家简单介绍一下《天体运行论》这本书主要讲了些什么。这本书总共分为六卷，第一卷是全书的总论，它阐述了日心体系的基本观点；在该卷的第十章中，绘出了一幅宇宙总结构的示意图，这幅图清楚地表明了哥白尼“日心说”的基本图像；第二卷应用球面三角，解释了天体在天球上的视运动；第三卷讲太阳视运动的计算方法；第四卷讲月球视运动的计算方法；第五卷和第六卷讲行星视运动的计算方法。

《天体运行论》是一部厚厚的大部头著作，它不是仅仅阐述了一些思想，画了几个模型而已，而是有严格的数学论证和定量计算方法的。也就是说，学通了《天体运行论》，就可以计算天上星星在未来任意一个时刻的位置，精确地预报日食、月食，绝大多数情况下精度都要远远高于托勒密的方法（只有在计算太阳系内的内行星，即水星和金星的运动时，并不比托勒密的方法占优）。这部堪称巨著的伟大之作耗去了哥白尼毕生的心血，等它正式出版的时候，哥白尼已经快 70 岁了，躺在病床上奄奄一息，但终于还是在闭眼前看到了它的正式出版。当时的编辑替哥白尼写了一篇序言，大意是说：“我让地球动起来，并且不在宇宙的中心，只是为了便于数学计算的一种假设，并不是真的，天文学实际上是很荒诞的，为了计算，什么样的胡说八道都出来了，大家千万别傻到认为这就是真实的宇宙。”编辑写这么一篇序言本意是通过教会的审查，如果不这么说，肯定会被教会以违背《圣经》为由禁止出版。哥白尼也看到了这篇序言，但病入膏肓的他也就默认了。长期以来，学界曾一度以为那篇序言是哥白尼自己写的，直到 19 世纪中叶，哥白尼的手稿在布拉格的一座图书馆中被发现，才还了他一个公道。

《天体运行论》出版以后引起了极大的反响和争议，反对者马上就抛出了两大质疑：第一个还是那个老问题，也就是地球自转怎么不把我们甩出去呢？哥白尼在世的时候，这个问题早就不知被问了多少次了，对此，哥白尼采取的办法是“避而不答”，有点掩耳盗铃的态度，说实话，哥白尼自己也想不通，但他又觉得应该是有合理解释的，只是自己还不够聪明。这个问题一直到哥白尼死后 90 多年，才由一位奇才替他辩护成功，这是后话，我们后面会详细说。第二个问题就是那个恒星的周年视差问题，哥白尼在书中说，周年视差观测不到不是因为没有，而是恒星离我们实在太遥远了，我们的观测精度太低，觉察不到而已。但反对者又嘲笑哥白尼的这个解释，说这不过是遁词嘛！这个问题还要等 300 多年才能被一群天文学家搞定，这也是后话了，且听我慢慢道来。

《天体运行论》很快引来了一批拥趸，包括那个著名的后来被活活烧死在罗马鲜花广场的布鲁诺，传说烧死他的原因就是他捍卫哥白尼的“日心说”。其实这并非主要原因，但我们这本书就不展开讨论了。不过呢，很多哥白尼的专业级粉丝发现，《天体运行论》虽然伟大，但也不是完美的，有一些地方还是让人抓狂得很。

自从哥白尼把太阳放到了宇宙的中心，整个天文计算相对于托勒密的方法来说，变得简单了许多，但是，新的模型依然无法避免“本轮”这个极为讨厌的玩意儿，这是为什么呢？因为天体的运动轨迹实测下来，是不均匀的，但是哥白尼却固执地认为宇宙中天体的运动必须是最完美的匀速圆周运动，而且太阳也必须位于圆心的位置，不能有丝毫偏差。为了调和天体视运动和哥白尼恪守的“和谐”准则，他不得不继续采用本轮套本轮的方法，而且他还进一步考虑到了岁差的问题，使本轮的数量又增加了几个。最终，在哥白尼的系统中，所有的轮子（本轮和均轮）加起来一共是 34 个，比托勒密的模型减少了 50 个轮子，简洁确实简洁了许多，并且计算值与观测值的拟合度也大大地高于旧理论，但 34 个轮子还是不少啊！要计算起来，依然是相当麻烦。

随着哥白尼《天体运行论》在天文学圈子中的传播，他的追随者也越来越多，但意识到哥白尼体系中依然存在着不完美、不简洁的专业级粉丝也不在少数。在哥白尼死后 60 多年，一位几乎不用望远镜，也基本不抬头看星星的天文学家、数学家，仅仅用他的纸和笔就解决了哥白尼体系中的缺陷，修正了哥白尼的理论体系，使人类在了解宇宙的真相上大大迈进了一步，后人称他为“天空立法者”。此人真的是太牛了！他的名字叫作开普勒（Johannes Kepler，1571 — 1630）。 X1lFI1w0CPjy4Y65YFMN95nQEUaFMxArH8NqzaNiU8e5TiK82Z2922gnbftobkYr