从哥白尼到牛顿，最聪明的大脑们花150年要解决的是什么问题？

高小山说

时至今日，依旧有很多人会疑惑“为什么我们没有感觉到地球的运动？”“地球转得那么快（30公里/秒），为什么飞鸟、浮云等没有被甩到后面去？”“为什么从船上跳起来依旧还能落回到船上？”等等一系列的问题。

有这些疑惑的根源是什么？这些问题与哥白尼有着怎样的关系？历史上，波兰和德国一直在争抢哥白尼，哥白尼是谁，为什么值得研究？
在高山大学“科学复兴之路·意大利”站的课程上，吴国盛教授跟同学们探讨了这些内容。
今天我们来回顾一下，从哥白尼到牛顿，中间花了差不多150年的时间来解决的，到底是个什么问题？*以下根据吴国盛2019年9月5日在高山大学“科学复兴之路”意大利站比萨的分享整理而成。（“科学复兴之路”意大利站课程共计7讲，本文为第6讲（1），其他内容将在高山大学公众号陆续推出，敬请期待。公众号后台发送关键词“吴国盛”即可查看“科学复兴之路”全部课程笔记）。

※本文3665字丨5分钟阅读

※作者丨吴国盛

※整理＆责编丨朱珍

授课老师：吴国盛，高山大学校董。教授，博士生导师。北京大学理学学士（1983）、哲学硕士（1986）、中国社会科学院哲学博士（1998）。现任高山大学校董，清华大学人文学院长聘教授、科学史系系主任。
吴国盛

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哥白尼是谁？

要讲现代天文学就要从哥白尼讲起，因为现代天文学的真正发起人是哥白尼，但是如果只有哥白尼，没有伽利略、开普勒、第谷这些人，哥白尼革命是不可能成功的。

哥白尼是哥白尼革命的发起人。而这场革命的主要干将是开普勒和伽利略。

哥白尼是哪里人？

哥白尼肖像

很多人都以为自己知道哥白尼，但其实关于他的信息并不是很清楚，很多东西存在争议。

比如关于他的国籍。

大家都认为他是一位波兰天文学家，对不对？其实这是需要打个问号的。因为哥白尼出生的地方叫托伦，早年是德国人的地盘。而在哥白尼出生之后的几百年间，这个地方像拉锯一样被波兰人和德国人轮番占领，所以哥白尼究竟是波兰人还是德国人，这是个问题。

另外，哥白尼他们家是讲德语的，没有证据表明哥白尼会讲波兰语。不过哥白尼的家人是亲波兰王室的，不喜欢德国人。

历史上，德国和波兰之间也一直在“争抢”哥白尼。

1873年，德国人在他们占领的托伦举行哥白尼诞辰400周年纪念活动，声称哥白尼是德国天文学家；
1939年纳粹随军记者随着大军攻占了波兰以后，发表重要的文章，称哥白尼是伟大的德国人；
1943年流亡美国的波兰人发表文章，称哥白尼是波兰人。

大家你争我抢，最终也没有一个确定的结果。

我们总结一下，可以说，哥白尼是讲德语家的孩子，是波兰王国的臣民。他既是德国天文学家，也是波兰天文学家，他既不是德国天文学家，也不是波兰天文学家。

哥白尼是天文学家吗？

当然是。但是比较特殊的是，像伽利略是宫廷数学家、宫廷哲学家，是拿薪水的。哥白尼一辈子从来没靠天文学拿过工资。他毕生都在一个教堂里面做中层干部，大概相当于现在的处级干部。

1510-1543年间哥白尼多数时间在这里做神职人员

哥白尼从小父母就去世了，一直是舅舅在抚养他，舅舅是当时艾尔姆兰的主教，地位相当于现在的省委书记。
哥白尼开始学习的是教会法，后来又学医，拿到博士学位后，就回来做舅舅的秘书和私人医生。
舅舅去世后，他当上了教区里的财政主管，一辈子做得最多的事情是行医、行政管理和文学翻译，业余做做天文学。

他只出版了一本书《天球运行论》（过去一直译成《天体运行论》，不当），就在1543年，70岁的哥白尼去世之前。那时的他还只是一个小人物，按照当时的习俗埋在教堂里，但并不清楚具体的位置。哥白尼学说是此后一百多年才慢慢被认可。

2005年弗龙堡大教堂装修，在一根柱子底下挖出一具尸骨，经过复原后发现长得很像哥白尼，而且尸骨主人的去世年龄大概在70岁左右。经过骨骼DNA检测，与哥白尼生前留在书中的头发进行比对，发现果然就是他。

所以2010年人们对他进行了隆重的安葬。我去过他的新墓，还在那里拍照留影了。

吴国盛教授在弗龙堡大教堂前

为历法做出的贡献

哥白尼在世的时候，教皇准备修改历法。为什么要改历呢？因为当时整个基督教世界的历法是继承埃及的阳历，一年的长度是365 1/4天。

这个历法在罗马时代由凯撒大帝把它固定下来，作为罗马帝国的历法，叫做凯撒历。
凯撒大帝全名是儒略·凯撒，所以中国天文学家把凯撒历也翻译成儒略历。儒略历继承了埃及的阳历，中国古代称之为四分历。

但是一年实际上没那么长，比365 1/4 天短那么一点。中国人朝代变更很快，不同的朝代使用不同的历法，每次改历都有机会修改误差。但是基督教不一样，他们的历法一直没有变过，1500多年过去了，误差就变得很大了，差了10天。

历法不对，各种节日什么的都变得不对了，人们就会觉得很不舒服。

当时的教皇格里高利十三世就决定改历法。教会当时动员哥白尼去梵蒂冈帮助改历，但是哥白尼认为当时的天文理论很混乱，需要修正理论之后再进行历法的修改，所以哥白尼并没有参与修改历法。

格里高利十三世改历的时候直接简单的将中间多出的10天去掉了，并且规定，凡是能被100年整除的年份都不置闰，但能被400整除的继续置闰。

过去都是4年闰一次，但按照格里高利历1900年就不置闰，但2000年还是闰年。这样一来，历法记录的日子就跟实际的日子差不多了。

格里高利改历的时候采用了根据哥白尼学说编制的星表，所以其实哥白尼为教会的历法修改事业是作出了贡献的。

哥白尼革命

哥白尼革命的起因

“Revolution”这个词，现在我们叫它“革命”，但在以前，它的意思就是“旋转”，哥白尼革命简单来说就是哥白尼让地球“旋转”起来了，地球不再是宇宙的中心，宇宙中心变成了太阳。

很有可能，正是哥白尼的工作赋予了这个词以“革命”的意思。

为什么日心说更好？中国人广泛认为日心说比地心说能够更好地解释天文观测中的证据。实际并非如此。事实是：

第一，哥白尼本人并不是一个天文观测家，所以他手头并不拥有比前人更好、更精确、更完整的天文观测数据。

第二，地心说和日心说在当时的背景下可以同样好的解释观测证据，在符合证据方面没有大的区别。

既然如此，哥白尼为什么一定要发起这场革命，一定要把宇宙的重心由地球挪往太阳呢？

哥白尼认为，托勒密对不同的行星使用了不同的原理，整个宇宙显得零碎，就像一件衣服上打满了不同颜色和形状的补丁，整体不融贯，不符合美学标准。

其次，哥白尼认为托勒密体系远离了古代希腊人原始的宇宙理想（cosmos）。希腊人认为天体的运动都必须是最美妙的匀速圆周运动。可在托勒密体系里，很多天体已经不是在做匀速圆周运动了。而且宇宙那种美妙的、对称的结构在托勒密体系里被打破了。

最重要的，托勒密体系不能唯一的给出宇宙体系，这是最大的问题。

托勒密体系里每个行星都是单独处理的，所以在他的宇宙结构里有几个行星的位置是有调动余地的。这几个星是水星、金星和太阳。

五大行星中的火星、木星、土星可以在很大范围内运动，而水星和金星只能在太阳附近左右晃动，所以它们绕地球转动的公转周期与太阳是一样的，都是一年。

在托勒密体系里，周期越短的离地球越近，越长的越远，而周期一样的行星位置就没有办法定远近了，只能随意摆放，也就是说水星、金星和太阳的位置是可以随意互换的，这就导致了不同版本的托勒密体系并存。

哥白尼认为，宇宙是非常完美、漂亮的，不能随意搭配。

因此，某种意义上，哥白尼革命也是一种反革命。他不是想从托勒密出发走得更远一点，而是想让托勒密回到正宗的希腊天文学精神。

哥白尼体系的优势

“地心说”与“日心说”行星位置示意图

哥白尼让太阳处在宇宙的中心，让地球、金星、木星、水星、火星、土星在内的六大行星绕太阳转，直接的好处是：

第一，很好地解决了行星的逆行问题。行星一直绕太阳转，没有逆行。所谓的逆行不过就是地球与该行星之间的相对运动造成的。

这样还解释了为什么逆行往往开始于行星最亮的时候，因为那个时候地球与该行星距离最近。

第二，还解释了为什么水星和金星总是跟着太阳，因为它们是内行星，轨道在地球以内，从地球上看，它们始终不会离开太阳太远。

第三，给出了诸行星唯一的固定秩序，不会有变化。

哥白尼体系面临的挑战

哥白尼体系有诸多保守与不足之处：它保留了天球运行的正圆运动，因此不得不像托勒密那样保留了本轮-均轮体系。

此外，哥白尼体系还面临两个很大的困难：

第一，恒星视差问题。如果说地球绕太阳转，那就意味着从地球上看，远处的恒星在不同的季节表现出视差。可是自古以来，没有人见过恒星有视差。

第二，运动问题。地球运动很快，坐地日行八万里，但为什么我们一点感觉没有，为什么我们没有“晕球”呢？这个问题指向了新物理学（惯性定律），如果没有一套新物理学理论，哥白尼体系是没有办法说圆全的。

哥白尼革命的意义

如果说哥白尼革命仅仅是指由哥白尼开始的一场宇宙中心的转移，简单说就是地心说转向日心说，那我们就完全没有理解这场革命的伟大意义。

我们学习新物理学的各种理论，其实多数时候未必能够很好的理解它们。

比如说，时至今日依旧有很多人会疑惑“为什么我们没有感觉到地球的运动？”“地球转得那么快（30公里/秒），为什么飞鸟、浮云等没有被甩到后面去？”“为什么从船上跳起来依旧还能落回到船上？”等等一系列的问题。

这些问题的确是很难单纯从常识中得到解释的。要解决这些问题需要一系列的新观念。

为了搞出这系列的新观念，从哥白尼到牛顿，中间花了差不多150年的时间。

150年间，开普勒真正完成了天文学革命；欧洲最伟大的科学家们，最聪明的大脑们用他们毕生的努力才重建了一套新的物理学理论，将这些搞清楚。

因此，哥白尼革命的意义在于由此开启了一整套新的思想范式，它所呼唤的新天文学必然呼唤新物理学，新物理学必然呼唤新哲学，宗教神学也会受到影响等一系列的后果，像多米诺骨牌一样。

在物理学意义上，有了哥白尼革命，就必须有一套运动理论，这套理论直接通往今天的牛顿惯性力学或惯性物理学。

所以可以说，哥白尼是开启现代科学革命的第一人。

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※文章内容仅为现场课程十分之一，点击文末阅读原文，了解更多。

关于“科学复兴之路”

高山大学校董、清华大学吴国盛教授亲自操刀精心授课，游走全球6大科学重镇，带领高山大学的同学们去希腊、意大利、英国、法国、德国和美国，探访科学故地，遍寻科学足迹，讴歌科学先贤，传播科学精神，践行“科学复兴”的使命，用科学真理探索人类发展的终极目标。

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