第4讲 哥白尼革命

第4讲哥白尼革命

文艺复兴以后，有三次科学革命对人类生活产生了极为重大的影响，他们在不同层次上不断地对人类的自恋情结进行着无情的摧毁。

起初，人类的直觉告诉我们，所有的天体都是围绕着地球旋转，作为宇宙的中心，地球是静止不动的。但是，发生在16世纪的哥白尼革命，则揭示了这样一个出乎意料的真理，我们人类居住的家园并不是宇宙的中心，在浩瀚的星空中，地球不过是千万颗行星中的普通一员。

后来，直觉继续告诉我们，上帝在创造生命时，人类是区别于其他生物的。但是，19世纪中叶的达尔文（Charles Darwin, 1809 –1882，英国）的革命，用进化论的观点，指出人类并不是想象中的生命的特殊载体，他与千万种普通的生物没有什么本质的区别，只不过是进化得快一点而已。

最后，直觉安慰我们，人类之所以不同于其他的动物，是因为他们是有理性的。但是，20世纪初的弗洛依德（Sigmund Freud, 1856-1939，奥地利）革命，将心理学发展成为一门自然科学，他告诉我们，人类的绝大多数行为是非理性的结果，是在潜意识，或者无意识的支配下进行的，理性，不再是人类绝对的优越感。

从某种意义上讲，科学革命的历史，就是理性主义不断战胜人类直觉的一个过程。

哥白尼革命拉开了近代科学的序幕。

1. 亚里士多德的宇宙观

Cosmos一词，是由古希腊的数学家毕达哥拉斯（Pythagoras，ca 560~ca 480 BC）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，科学的目的，是为了揭示宇宙的奥秘。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。

在其《蒂迈欧》(Timaeus)一书中，柏拉图（Plato, 428~348）是这样论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做圆周运动。这个模型提出后，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，它们的视运动轨迹显然不是一个圆周。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”的这个理性主义的美学原则错了。为了对付这些异常现象，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的框架来解释行星逆行之类的异常现象。

在“拯救现象”的运动中，涌现出了一位杰出的几何学家，他就是在缓解古希腊第一次数学危机的过程中扮演了重要角色的欧多克斯（Eudoxus，409～356 BC）。在柏拉图同心球

理论的基础上，欧多克斯提出了一种新的同心球模型。在这个模型中，日月五星的视运动轨迹，每个都是由一系列的同心球按不同的速度、绕不同的轴旋转而成的。

我们以太阳视运动为例，来说明欧多克斯模型的构造（图4-1）。

为了说明太阳视运动轨迹，欧多克斯构造了三个均以地球为中心的天球，最外层的天球，每24小时绕赤极转动一周，带动着第二、三层的天球一起旋转；而第二层的天球也绕赤极自转，每年转动一周，同时带动着第三层的天球一起旋转；太阳附缀在最里层的天球上，每年绕黄极旋转一周。由此，就可以模拟从地球上看到的太阳运动。

在欧多克斯的同心球模型中，太阳、月亮的运动各由3同心天球构成，五星则分别由4个同心天球构成，加上最外层的恒星天，整个模型共有27个以地球为中心的同心球。

古希腊的天文学家很早就发现了日月五星运动的不均匀性现象，但是，在欧多克斯的同心球模型中还不能反映出来。为了更精确地模拟天体的运动，后来有人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。

欧多克斯的同心球理论建立之后，基本上达到了柏拉图“拯救现象”的目的。

公元前340年前后，柏拉图的学生亚里士多德（Aristotle，384-322 BC）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。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，次第为：月亮、水星、金星、太阳、火星、木星、土星、恒星天。

水晶球体系的中心为地球，这个地球是圆的、不动的。亚里士多德（Aristotle，384-322 BC）在他的《论天》一文中，对于“地球是个球体”进行了论证，他提出了当时的人们已经发现的两个很好的论据：第一，月食是由于地球运行到太阳与月亮之间而造成的，由于月亮圆面被蚀时的缺口总是弧形的，可以证明遮挡了太阳光线的地球的外形一定是圆的；第二，希腊人从旅行中知道，在越是往南的地区看星空，北极星就越是靠近地平线，这说明地球的表面应该是弧形的。再后来，希腊人还给出了第三个证据：在高山上看远处驶来的帆船，首先露出海平面的一定是船帆、然后才是船身，这说明海平面也呈现一个弧形的表面。由此可以证明，地球应该是一个球体。

在亚里士多德的宇宙论中，有两点基本的假设：首先，地球是宇宙的中心，是绝对静止不动的。为了证明这一点，他举出了两条论据，其一，假设地球是运动的，就会有所谓的“恒星视差”，但是，当时对恒星的观测并没有发现这一点；其二，假设地球是运动的，从高处坠落下来的物体就不应该是它的垂直的投影点。

第二，天体运动必须符合统一的圆周运动（uniform circular motion）。这一条，在欧多克斯的同心球模型提出来后，基本上可以确立了。

这两个基本假设，成为哥白尼之前所有天文学家必须遵守的信条。

2. 托勒密的本轮-均论体系

按照欧多克斯的同心球模型，可以比较好地解释日月运行的快慢，以及行星的顺行、逆行等现象，虽然复杂一些，但是不失“和谐”，可以说是一个很“完美”的宇宙模型。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，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（Apollonius of Perga，260 ～220 BC）认为，行星并不