方舟子

留美學(xué)者，生物化學(xué)博士

在哥白尼提出日心說(shuō)的幾十年間，幾乎沒有人接受他的觀點(diǎn)。除了托勒密模型比它更實(shí)用外，還有宗教和哲學(xué)的原因?qū)е氯藗兣懦馊招恼f(shuō)。當(dāng)時(shí)在西方國(guó)家占統(tǒng)治地位的天主教會(huì)支持地心說(shuō)，很容易從他們信奉的基督教《圣經(jīng)》里頭找到依據(jù)。另一方面，地心說(shuō)也更符合當(dāng)時(shí)西方學(xué)者信奉的亞里斯多德物理學(xué)。不過(guò)，日心說(shuō)模型對(duì)行星運(yùn)動(dòng)的解釋更簡(jiǎn)單明了，這一優(yōu)勢(shì)仍不容忽視。丹麥天文學(xué)家第谷(1546-1601)試圖把日心說(shuō)的理論解釋優(yōu)勢(shì)和地心說(shuō)的實(shí)際觀測(cè)優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，提出了一個(gè)調(diào)和模型。在第谷的模型中，地球仍是宇宙的中心，太陽(yáng)和月球圍繞著地球運(yùn)動(dòng)，但是其他的天體則圍繞著太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)。

第谷被認(rèn)為是天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)明之前最偉大的天文學(xué)家，手中掌握著當(dāng)時(shí)最精確的行星觀測(cè)數(shù)據(jù)，需要有人加以整理。1600年，德國(guó)天文學(xué)家開普勒(1571–1630)去第谷的天文臺(tái)工作。分派到的活就是根據(jù)第谷的數(shù)據(jù)確定火星的運(yùn)行軌道。開普勒對(duì)自己的數(shù)學(xué)能力非常自信，跟人打賭說(shuō)用8天的時(shí)間就可以完工，但他遠(yuǎn)遠(yuǎn)低估了這項(xiàng)工作的艱巨性，事實(shí)上，他花了5年的時(shí)間才找到了答案。

開普勒一開始之所以如此自信，是因?yàn)樗J(rèn)為已發(fā)現(xiàn)了行星運(yùn)動(dòng)模型。和第谷不同，他堅(jiān)信日心說(shuō)。起初，開普勒像哥白尼那樣認(rèn)定行星在做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，但是采用哥白尼所反對(duì)、托勒密使用的偏心圓方法來(lái)求解火星軌道模型。在經(jīng)過(guò)大約70次嘗試后，終于讓火星軌道和觀測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合。但是這個(gè)模型很繁瑣，而且結(jié)果還有一點(diǎn)誤差。對(duì)此，開普勒仍不滿意。他開始意識(shí)到無(wú)法找到一個(gè)符合第谷的觀測(cè)數(shù)據(jù)的圓形軌道，就試著把軌道用卵形來(lái)表示。

如果火星的軌道不是圓形，它與太陽(yáng)的距離就是變化的。開普勒認(rèn)為，是太陽(yáng)發(fā)出的力在推動(dòng)著行星運(yùn)動(dòng)，它們之間的距離越遠(yuǎn)，推動(dòng)力越弱，運(yùn)動(dòng)速度就越慢。在遠(yuǎn)日點(diǎn)速度應(yīng)該最慢，而在近日點(diǎn)速度應(yīng)該最快。這樣，在開普勒看來(lái)，行星就不是在做勻速運(yùn)動(dòng)了，不過(guò)他仍然想找到某種類似勻速的東西，認(rèn)為火星在軌道上速度最慢與最快的這兩點(diǎn)，與太陽(yáng)的連線在相等時(shí)間內(nèi)所掃過(guò)的面積相等。他進(jìn)而把這個(gè)結(jié)論推廣到軌道上的所有點(diǎn)，也就是我們今天說(shuō)的行星運(yùn)動(dòng)第二定律(也叫面積定律)。

接下來(lái)，開普勒試圖據(jù)此計(jì)算出火星的整個(gè)軌道。他是把軌道當(dāng)成卵形來(lái)計(jì)算的，在失敗了大約40次之后，終于在1605年想到火星軌道應(yīng)是橢圓，發(fā)現(xiàn)橢圓軌道與火星的觀測(cè)數(shù)據(jù)都吻合之后，開普勒進(jìn)而提出，所有行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道都是橢圓，太陽(yáng)處在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。這就是我們今天說(shuō)的行星運(yùn)動(dòng)第一定律 (也叫軌道定律)。此時(shí)第谷已經(jīng)去世4年了，開普勒對(duì)能否使用第谷的數(shù)據(jù)問(wèn)題與第谷繼承人發(fā)生爭(zhēng)執(zhí)，一直到1609年才出版《新天文學(xué)》一書和《論火星運(yùn)動(dòng)》一文，公布了這兩個(gè)定律。之后，開普勒在編制星表時(shí)，用了9年的時(shí)間，發(fā)現(xiàn)了行星公轉(zhuǎn)周期和軌道大小之間存在著關(guān)系：行星公轉(zhuǎn)周期的平方同行星軌道半長(zhǎng)徑的立方之比是一個(gè)常數(shù)。此即行星運(yùn)動(dòng)第三定律(也叫周期定律)。

開普勒的橢圓軌道模型精巧地描述了天文觀測(cè)的結(jié)果，這是非常大膽的創(chuàng)見。開普勒的日心說(shuō)模型不僅極為簡(jiǎn)單，只用7個(gè)橢圓就取代了幾十個(gè)圓周，而且非常精確，很容易讓做實(shí)際觀測(cè)的天文學(xué)家接受。

開普勒從小因病眼力受損，沒法自己做天文觀察。日心說(shuō)的天文觀測(cè)證據(jù)是由伽利略(1564-1642)提供的。伽利略手中多了一樣第谷所沒有的東西：天文望遠(yuǎn)鏡。1610年1月，伽利略發(fā)現(xiàn)有4顆衛(wèi)星圍繞著木星運(yùn)行，這對(duì)托勒密模型是一大打擊。對(duì)托勒密模型最致命的打擊發(fā)生于1610年9月，伽利略發(fā)現(xiàn)金星像月球一樣會(huì)出現(xiàn)周期性的盈虧變化。金星的位相變化正是日心說(shuō)所預(yù)測(cè)的，托勒密模型則完全無(wú)法解釋。在伽利略公布了這一發(fā)現(xiàn)后，大部分天文學(xué)家就不得不放棄托勒密模型，改用日心說(shuō)模型或第谷模型。

伽利略的其他發(fā)現(xiàn)也在顛覆著天文學(xué)的傳統(tǒng)觀念。伽利略發(fā)現(xiàn)月球表面起伏不平，布滿了坑洼，這與天體都是由完美無(wú)缺、永恒不變的物質(zhì)組成這一傳統(tǒng)觀念直接沖突，說(shuō)明天體可能是由和地球一樣的物質(zhì)組成的。伽利略還發(fā)現(xiàn)，用望遠(yuǎn)鏡看來(lái)，行星都是有確定形狀的圓盤，但是恒星卻仍然看不清形狀，這說(shuō)明恒星與地球的距離要比行星遠(yuǎn)得多，宇宙比托勒密模型認(rèn)為的浩瀚得多。此外，伽利略還發(fā)現(xiàn)銀河其實(shí)是由無(wú)數(shù)恒星組成的，恒星的數(shù)量比以前認(rèn)為的多得多。

如果日心說(shuō)是正確的，那么不僅地心說(shuō)是錯(cuò)誤的，亞里斯多德的物理學(xué)也出了問(wèn)題。亞里斯多德物理學(xué)認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)或不動(dòng)是物體的內(nèi)在屬性。地球有不動(dòng)的屬性，所以它必然是宇宙的中心，而天體有運(yùn)動(dòng)的屬性，所以它們繞著地球運(yùn)行。但是伽利略指出，運(yùn)動(dòng)并非物體的內(nèi)在屬性，而是外在的過(guò)程，地球在這方面與天體并無(wú)不同。而且，物體一旦運(yùn)動(dòng)起來(lái)，不靠外力也能持續(xù)下去，也就是我們今天說(shuō)的慣性。慣性概念的提出，解釋了我們?yōu)槭裁从X察不到地球在自轉(zhuǎn)。

但日心說(shuō)當(dāng)時(shí)還遺留了一個(gè)問(wèn)題沒有解決。如果地球圍繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，在公轉(zhuǎn)軌道的不同位置上觀測(cè)恒星，應(yīng)該看到恒星在天球上的位置發(fā)生了變化，出現(xiàn)了視差。由于恒星的距離極為遙遠(yuǎn)，不僅肉眼看不到恒星視差，早期的望遠(yuǎn)鏡也看不到。直到1838年，德國(guó)天文學(xué)家貝塞耳(1784-1846)才用太陽(yáng)儀首次觀測(cè)到恒星視差，證明了地球的確在圍繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。1851年，法國(guó)物理學(xué)家傅科(1819-1868)在巴黎先賢祠的大廳做了“傅科擺”實(shí)驗(yàn)也證明了地球在自轉(zhuǎn)。19世紀(jì)的這兩個(gè)觀察為地球的兩種運(yùn)動(dòng)提供了直接證據(jù)，從而最終證明了日心說(shuō)的正確——當(dāng)然，這時(shí)候科學(xué)家已知道太陽(yáng)只是太陽(yáng)系的中心，而不是宇宙的中心。

但是在科學(xué)界之外，日心說(shuō)并沒有取得完全的勝利。許多人仍然習(xí)慣于把地球當(dāng)成宇宙的中心。2005年的一項(xiàng)調(diào)查表明，1/5的美國(guó)人相信地心說(shuō)。這很大程度上可能是由于無(wú)知。也有一些受過(guò)良好教育的人由于宗教原因堅(jiān)持地心說(shuō)。有一個(gè)叫“圣經(jīng)天文學(xué)家聯(lián)合會(huì)”的國(guó)際組織，據(jù)說(shuō)在二十幾個(gè)國(guó)家都有會(huì)員，負(fù)責(zé)人有天文學(xué)博士學(xué)位。他們認(rèn)為，地心說(shuō)才符合基督教《圣經(jīng)天文把地心說(shuō)當(dāng)成了宗教信仰，卻要為其找科學(xué)依據(jù)，出了一本 “學(xué)術(shù)”季刊專門用以論證地心說(shuō)的正確性，已出了100多期。

還有一些信奉文化相對(duì)主義的反科學(xué)人士認(rèn)為科學(xué)無(wú)所謂對(duì)錯(cuò)，日心說(shuō)并不比地心說(shuō)更正確、更科學(xué)。比如有人說(shuō)：“究竟是地球繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)，還是太陽(yáng)繞著地球轉(zhuǎn)？即使牛頓力學(xué)，也只能回答：看你以誰(shuí)為參照系。如果以地球?yàn)閰⒄障担俣ǖ厍蜢o止，那就是太陽(yáng)繞著地球轉(zhuǎn)。運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，這個(gè)問(wèn)題不存在絕對(duì)正確的答案！”還有人給考生出考題：“試論托勒密的天文學(xué)說(shuō)是不是科學(xué)？”其答案是托勒密的天文學(xué)也是科學(xué)。

用運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性并不能把水?dāng)嚋?。如果僅僅考慮地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的情形，以地球?yàn)閰⒄障颠€是以太陽(yáng)為參照系固然沒有區(qū)別，但是如果要同時(shí)考慮其他行星的情況，以太陽(yáng)為參照系無(wú)疑要更為合理。更重要的是，地心說(shuō)認(rèn)為太陽(yáng)(以及其他行星、恒星)的東升西沉是在圍繞著地球旋轉(zhuǎn)，其實(shí)是地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)致的假象，這個(gè)錯(cuò)誤就不是用“日-地運(yùn)動(dòng)”的相對(duì)性能夠狡辯的了。托勒密模型雖然也能夠比較精確地預(yù)測(cè)行星的位置，但是進(jìn)一步的觀察已證明托勒密模型最多只是一個(gè)數(shù)學(xué)模型，不能反映行星運(yùn)動(dòng)的實(shí)際狀況，已被更仔細(xì)的觀察所否定，成了錯(cuò)誤的理論，當(dāng)然也不成其為科學(xué)。