天文学领域的革命

天文学领域的革命
近代科学是在一场科学革命中诞生的。

这场革命首先是一场观念革命，是在既有的古典数理科学中的一场基本概念框架的变革。

由哥白尼所发动的天文学领域的革命是整个近代科学革命的第一阶段。

l、中世纪的宇宙观
基督教兴盛时期，希腊精致的宇宙理论，被当作异端加以抛弃，犹太原始粗陋的宇宙图景被奉为圣典，犹太人认为：宇宙是一个封闭的大盒子或大帐蓬，天是盒（蓬）盖，地是盒（蓬）底，圣地耶路撒冷位居盒（蓬）底的中央，日月星辰悬挂在盖上。

这就是所谓宇宙帐蓬说，它连大地球形的概念都没有。

随着欧洲第一次学术复兴，亚里士多德和托勒密所代表的希腊宇宙论开始深入人心，宇宙地心理论获得了正统的地位。

地球居宇宙中心的思想被赋予了宗教意义，人类及其居住的地球被置于上帝的怀抱之中，它沐浴着上帝的光辉，上帝位处宇宙的最外层，推动着宇宙的运行，注视着人类的一举一动；整个宇宙全都以地球为中心。

托勒密的宇宙体系还被附会于一种人间的等级结构，天上高贵，地下卑贱，越往高处越进入神圣美妙的境地。

但丁的《神曲》对这一等级宇宙作了诗意的描述，在他的《天堂篇》中，但丁在少女贝亚德的引领下依次上升到了月球天、水星天、金星天、太阳天、火星天、木星天、土星天、恒星天、水晶天（原动天），并在水晶天那里窥见了上帝的景象，沉浸在至高无上的幸福之中。

实际上，经过亚里士多德物理学注释加工过的托勒密宇宙体系，正好是一种等级宇宙，这主要体现在它们的物质构成之中：地上物体由土、水、气、火四种元素组成，而天上物体由透明无重量的以太构成，地上的物质是速朽的，而天上的以太是永恒的。

对托勒密体系的背叛，不仅是一种天文学上的变革，而目也是同亚里士多德物理学的决裂，不仅是一种宇宙图像方面的改变，而且也是对当时宗教情绪和精神生活方式的挑战。

2、哥白尼革命
尼古拉·哥白尼（Copericus Nicolas，1473～1543）1473年2月19日生于波兰维斯瓦纳河畔的托伦；他10岁丧父，由舅父抚养长大。

18岁被送进波兰旧部的克拉科夫大学学习医学，在那里产生了对天文学的浓厚兴趣。

1496年，23岁的哥白尼来到了文艺复兴的策源地意大利，先后在波仑亚大学和帕多瓦大学攻读法律、医学和神学。

波仑亚大学的天文学家德·诺瓦拉（de Novara，1454～1540）对哥白尼影响极大，正是从他那里，哥白尼学到了天文观测技术以及希腊的天文学理论，对希腊自然哲学著作的钻研给了他批判托勒密理论的勇气。

1506年，他回到波兰开始构思他的新宇宙体系。

整个古代世界的天文学基本上是行星天文学，它们之中的大部分虽然“斗转星移”，但保持着固定的相对位置，仿佛全都镶嵌在一个巨大的透明天球上随天球周日旋转；这些星被称为恒星。

但除恒星外，天空上还有那么几个星，它们极为明亮、光芒稳定，而且并不固定在某一个相对位置上，几个星期观测下来，便能发现它们在众星之间穿行，不断地改变位置，这些星被称为“行星”，希腊人叫它们“漫游者”。

肉眼能见的行星共五颗，它们是金星、木星、水星、火星和土星。

所有的恒星都步调一致地每天由东往西转动，周而复始，决无例外。

相比之下，行星的运动呈现出极度地不规则，它们有时往东，有时又向西，行踪诡秘。

行星的这种奇特运动早就引起了古代天文学家的注意，希腊天文学将自己的任务规定为对行星运动给出合理的解释，特别按照毕达哥拉斯－柏拉图主义传统，用完美的正圆运动的复合来再现行星的视运动，即所谓“拯救现象”。

托勒密的本轮－均轮的宇宙体系就是希腊人为“拯
救行星运动”所做出的最大成就。

本轮和均轮的迭加，可以解释行星的逆行、亮度的变化，偏心轮的引入，又进一步解释了行星运动速度的不均匀性。

但是，随着观测材料的不断增多，为“拯救”这些现象所需要的轮子也不断增多，到了哥白尼时代，轮子数已增加到80多个。

托勒密体系极为复杂。

而且，为了与观测相一致，托勒密所采用的办法已越来越远离毕达哥拉斯主义的理想了。

由于引入了偏心等距点，地球实际上并不处在宇宙的中心。

托勒密所保留的只有匀速圆周运动的概念和静止不动的地球概念。

到了哥白尼的时代，由于航海事业的大发展，对于精确的天文历表的需要变得日益迫切，托勒密理论越来越繁琐，这种客观情势使人们关注天文学理论的变革：哥白尼也正是在这个紧要关头提出三条革命性理论的。

1509年，哥白尼写出了一个关于日心体系的《概要》，开始深入地思考新的宇宙体系。

于1539年写出了天文学史上的伟大著作《论天球的旋转》，系统论述了他的日心地动学说。

哥白尼深知这一理论是富于革命性，所以迟迟不敢公诸于世。

1543年 5月 24日，当刚刚印好的《论天球的旋转》送到了哥白尼面前，这时候他已经因
中风卧床很久了，据说，他只用颤抖的手抚摸了一下这本书。

就与世长辞了。

《论天球的旋转》（De revolutionibus orbium
coelestium ）的中译名是人所共知的《天体运行论》
，将“天球”译成“天体”，是将现代人的看法强加于古人，因为在哥白尼看
来，天空转动着的是“天球”，行星只不过附着在天球之上。

全
书共分六卷，第一卷是关于日心宇宙体系的总概说，其余各卷
是将日心说具体运用来解释各大行星的视运动。

哥白尼在卷首献词中叙述了日心地动说的来由和大致思
想：“我对传统数学在研究各个天体运动中的可疑之处思索了
很长时间之后，对于哲学家们不能对造物主为我们造成的美好
而有秩序的宇宙机构提出正确的理论而感到气愤，……因此，
我不辞辛苦重读了我所能得到的哲学著作，看看在各天球运动方面有没有跟数学学派不同的假说。

………但前人既可以随意想象圆周运动来解释星空现象，那么我更可以尝试一下，是否假定地球有某种运动能比假定天球旋转得到更好的解释。

……于是，从地球运动的假定出发，经过长期的、反复的观测，我终于发现：如果其它行星的运动同地球运动联系起来考虑，并按每一行星的轨道比例来作计算，那么，不仅会得出各种观测现象，而且一切星体轨道和天球之大小与顺序以及天球本身。

就全部有机地联系在一起了，以至不能变动任何一部分而不在众星和宇宙中引起混乱。

”
构成托勒密宇宙体系的是如下四个假定：第一：天是球形的而且像球那样转动；第二：地也是球形的；第三：地位于天的中央；第四：地球静止不参与转动。

哥白尼对前两点是赞同的，但不同意后两点。

首先，哥白尼提出了地球自转和公转的概念。

全部星空的周日旋转实际上是地球自转造成的，正是地球由西向东绕轴自转，才引起昼夜的变化；而太阳的周年视运动，实际上是由地球绕太阳每年公转一周造成的。

哥白尼还提出地球有第三种运动，即所谓“倾斜面运动”，这个运动使地球自转轴在公转时与黄道面保持固定交角，从而形成地球上四季的差别。

其次，哥白尼用太阳取代地球位于宇宙的中心，所有的行星包括地球均以太阳为中心转动。

这一变动使得各大行星运动获得了统一性。

日心说受到的责难一开始完全是科学和常识上的。

首先，人们怀疑如果地球以如此大的速度运动，那必定会分崩离析。

哥白尼的解释是，从前比地球大得多的天球以更大的速度旋转都不会瓦解，地球当然也不会；其次，有人质疑说，既然地球在运动，那地球上的物体为何没有被抛在后面，对这一点哥白尼的回答不是特别有力；最后，是一个老问题，地球如果相对于恒星运动，那么应该可以观察到恒星的周年视差，可实际上从来也没有观测到过恒星
视差，哥白尼的回答是：“宇宙之大何其广阔：从太阳到地球的距离与某些行星轨道大小相比虽然已经显得非常巨大，但同恒星球的大小相比，简直微不足道。

”因此，我们根本觉察不到恒星的周年视运动。

日心说比地心说最明显的优点是它的简洁性，这一点连哥白尼学说的反对者们也是承认的。

大小轮子由80多个减少到约34个。

此外，哥白尼成功地恢复了毕达哥拉斯主义的理想，正圆运动得以更好地保持，几乎所有的本轮和均轮都沿同一个方向运行，等距偏心点被取消。

哥白尼革命带动了一系列观念上的变革。

首先，它使地球成为不断运动的行星之一，打破了亚里士多德物理学中天地绝然有别的界限；其次，它破除了亚里士多德的绝对运动概念，引入了运动相对性观念；再次，宇宙中心的转变，暗示了宇宙可能根本就没有中心，而无中心的宇宙是与希腊古典的等级宇宙完全对立的；最后，由于地球运动起来了，恒星层反而可以静止不动，这样一来，诸恒星也就不必处在同一个球层之中，恒星层既然没有运动，从前借以论证宇宙有限的理由也就不再成立。

因为人们一直认为，既然恒星层是转动的，那就不可能是无限的。

三、开普勒：天空立法家
哥白尼的体系执着地坚持希腊的正圆运动观念，这使它不得不继续延用本轮－均轮组合法，以获得与观测现象的相符。

开普勒彻底抛弃了正圆运动的概念，确立了太阳系的概念。

约翰·开普勒（Johann Kepler，1571～1630年）生于德国南部瓦尔城，3岁时得过天花，致使手眼留下轻度残疾。

为了找到一个合适的工作，开普勒进入杜宾根大学学习神学，指望将来当一个牧师。

求学期间，他显示了出众的数学才华。

杜宾根大学的天文学教授米切尔·麦斯特林（1550—1631年），是一位哥白尼学说的同情者，他在公开教学时讲授托勒密体系，但对自己亲近的学生则宣传哥白尼体系。

开普勒从他那里得知哥白尼学说后，立即成为哥白尼的拥护者。

大学毕业后，开普勒到了奥地利格拉茨大学任数学和天文学讲师。

开普勒是一位占星术的信徒，同时他确是一位杰出的、热心的数学家；他之所以相信哥白尼体系正是由于哥白尼体系具有更大的数学的简单性与谐和的缘故。

他说：“我从灵魂的最深处证明它是真实的，我以难于相信的欢乐心情去欣赏它的美。

”哥白尼对太阳赞美不置，开普勒更是变本加厉，他把太阳看做是圣父，把恒星的天球看做是圣子，把居于太阳其间并通过推动行星在其轨道上运行的“以太”看做是圣灵。

开普勒深信上帝是依照完美的数的原则创造世界的，所以根本性的数学谐和，即所谓天体的音乐，乃是行星运动的真实的可以发现的原因。

这是鼓舞开普勒辛勤工作的真正动力。

他所追求的是最后因：即造物主心中的数学的和谐。

正是哥白尼体系那令人赞叹的数学的和谐和美，使他直觉到它就是真实的宇宙图景。

在奥地利期间，开普勒致力于探测六大行星的轨道大小之间的数字关系，他惊喜地发现，用柏拉图的五种正多面体，正好可以表示出六大行星的轨道半径来：若土星的轨道在一个正六面体的外接球上，则木星轨道便在该正六面体的内切球上，在木星轨道内内接一个正四面体，则该正四面体的内切球便是火星的轨道，再在火星的轨道内内接一个正十二面体，其内切球是地球的轨道，依次办法，在地球轨道内内接一个正二十面体，其内切球是金星的轨道，在金星轨道内内接一个正八面体，其内切球是水星的轨道。

这样设计出的行星轨道与当时的观测数据相当吻合，而且由于柏拉图已经证明正多面体只有五种，这就为宇宙中只有六颗行星找到了几何学的证据。

开普勒把这一构想以《宇宙的神秘》为题发表于1596年，当第谷·布拉赫（Brahe Tycho，1546～1601）读到了这本书时对作者的才华极为赏识。

1598年，开普勒接到第谷的邀请，去德国布拉格的鲁道夫宫庭协助第谷整理观测资料，他便于1600年来到了布拉格。

一接触到第谷无比丰富的天象资料，开普勒从前构造的美妙的宇宙体系便显得漏洞百出，他只好放弃这一心爱的体系。

在第谷的身边，开普勒学会了重视并处理大量的天文观测资料。

可惜的是，他们相处了没多久，第谷便去世了，临终前第谷
告诫开普勒：一定要尊重观测事实。

在第谷观测材料的基础上，开普勒继续寻找他的宇宙秩序。

首先，他利用第谷的观测数据妙巧地算出了包括地球在内的六大行星的运行轨道，有了轨道数据，他进一步总结行星运动所遵循的数学规律。

他选中了火星作为突破口，因为，第谷留下的资料中以火星最为丰富，而且，火星的运行与哥白尼理论出入最大。

一开始，开普勒还是采用传统的偏心圆方法，在试探了七十多次后，终于找到了一个方案，但很快他就发现与第谷的其它数据不符。

虽然只相差8分，但开普勒还是没有忽略这个微弱的差别，他坚信第谷在观测上的可靠性。

开普勒曾无限深情地写道：“感谢上帝赐给我们一位像第谷这样的天才的观测者，这8分误差是不应该忽略的，它使我走上改革整个天文学的道路。

”
经过紧张艰苦的归纳、整理、试探，开普勒先是发现了火星绕太阳的运动向径单位时间扫过的面积是一个固定的数值，这意味着虽然火星的轨道线速度并不均匀，但面速度是均匀的，离太阳远时，线速度变小，离太阳近时，线速度变大，这就是后来被称为开普勒第二定律的面积定律。

后来，他发现火星的轨道有点像卵形，先用卵形线界定轨道，没能成功，接着他想到了椭圆。

椭圆是圆锥曲线的一种，早在希腊时代就已被阿波罗尼进行过细致的研究，开普勒利用阿波罗尼已经发现的那些椭圆性质，很快就确认火星运动的轨道是椭圆无疑。

1609年，开普勒发表了《论火星的运动》，阐述了他对火星运动规律的发现：火星划出一个以太阳为焦点的椭圆（即开普勒第一定律）；由太阳到火星的向径在相等的时间内划出相等的面积（即开普勒第二定律）。

1619年，开普勒出版《哥白尼天文学概论》，将他已经发现的火星运动二大定律推广到了太阳系的所有行星，而且同时公布了他所发现的第三定律：行星公转周期的平方与它同太阳距离的立方成正比，这就将所有行星的运动与太阳紧密地联系在一起。

至此，太阳系的概念已牢牢确立。

托勒密和哥白尼所运用的一大堆本轮和均轮被彻底清除，行星按照开普勒定律有条不紊地邀游太空，开普勒成了“天空立法者”。

以椭圆代替正圆是宇宙学史上为时代的事件，爱因斯坦对此作深刻的评价：“开普勒的惊人成就，是证实下面这条真理的一个特别美妙的例子，这条真理是：知识不能单从经验中得出，而只能从理智的发明同观察到的事实两者的比较中得出。

”在为天空立法之后，开普勒很顺利地制定了行星运动表。

开普勒将此表命名为《鲁道夫星表》（1627年出版）。

这是当时最完备最准确的一部星表，在以后的一百多年里几乎毫无修改地被天文学家和航海家尊为经典。

开普勒一辈子都很贫困，身为宫廷天文学家，但薪水常常拖欠，鲁道夫二世于1612年死后，新国王保留了他的职位，但薪水更难到手。

1630年11月15日，在他去索要拖欠了二十余年的薪水时，染伤寒死于途中，伟大的天空立法者就这样离开了入世。

德国哲学家黑格尔很感慨地说：“开普勒是被德国人饿死的! ”
第三节人类思想观的变革
在早期阶段，洞察力与想象必定先发生作用；然后根据事实形成一个初步的假说，这个过程就叫做归纳；然后再用数学的或逻辑的推理演绎出实际的推论，并用观察或实验加以检验。

如果假说与实验的结果不相符合，我们必定要重新猜度，形成第二个假说，如此继续下去直到最后得到一个假说，不但符合于最初的事实，而且符合于为了检验这个假说而进行的实验的一切结果。

这个假说于是可升格到理论的地位，它可以把知识连贯起来或使之简单化，也许在许多年内都有用。

一个理论很少是符合事实的唯一可能的理论；这不过只是一个概然性的问题。

随着新知识的增加，事实本身愈来愈增多，愈来愈复杂，于是理论可能就必须加以修改，甚至由更合于后来扩大了的眼界的理论所取代。

文艺复兴以后，在人们心目中沸腾着的某些伟大思想；达·芬奇在他所考虑过的无数
题目中，已经预兆了现代科学精神。

哥白尼的学说在天文学上引起了一场革命；在一般科学思想上也引起一场革命；他是把行星运动的详细情况更精确地记录下来的第一位天文学家。

第谷·布拉赫把他的极其珍贵的资料遗留给开普勒，开普勒的功绩在于归纳出和证明了行星运动的三个命题或“定律”，这三个定律以后成了牛顿天文学的基础。

英国医生吉尔伯特（Gilbert William，1544～1601）说明了实验方法怎样可以增加知识。

但在伽利略（Galileo Galilei，1564～1642）身上，新精神比前人更进了一步；他在青年时代信仰亚里士多德，成年以后就不再相信亚里士多德的学说，而把握了新的原则；他了解在现代的研究中需要集中精力，因此，他就比较完备而有条理地研究了一些仔细选择的狭窄问题，而不象无所不能的天才达·芬奇那样把精力分散在许多科目上；哥白尼的天文学是根据数学简单性这一“先验”原则建立起来的，伽利略却用望远镜去加以实际的检验。

最重要的是，他把吉尔伯特的实验方法和归纳方法与数学的演绎方法结合起来，因而发现、并建立了物理科学的真正方法。

弗兰西斯·培根（Francis Bacon，1561—1626）是英国的国务大臣。

他深感经院哲学不能增进人类对于自然的知识与支配自然的能力，为了“把人类的能力和伟大气魄的界限推到更远的地方”，他规划出一条可以更有把握地朝征服自然的方向前进的道路。

他认为只要记录下一切可以得到的事实，进行了一切可能进行的观察和一切可行的实验。

然后再按照他表述得还不十分完善的规则，把结果汇集起来编成表格，就可以看出现象间的关系，而且也可以差不多自然而然地找到表达这些关系的法则。

虽然科学的进步很少是用纯粹的弗兰西斯·培根方法去完成的，可是他在提高学术界对于当代科学问题的考虑方面却不无功劳。

世界上出现过不少的哲学，但并没有相应的事实记录，可以用来对这些哲学加以检验。

所以，在培根眼中确实可靠的事实是当时迫切的需要；这是很正确的。

培根自己在实验领域中，对于认识自然并没有什么显著的或成功的贡献；但是，他是首先考虑归纳科学的哲学根据的人。

他凭着自觉的力量与政治家的辩才所提出的见解远远超过他的时代。

经院哲学不但过时而且陈腐了，哲学思想界正在震动，期待着变化，就在这时，培根指出了一条更广泛地更正确地认识自然界的康庄大道。