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【科普文章】哥白尼革命 | 始于哥白尼终于牛顿，这场科学革命改变了什么？

原创 KouShare 蔻享科普 2021-04-25

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撰文 | 李唐（山东大学物理学院）

占据着宇宙中心的正是太阳。正如人们所说，只要我们睁开双眼，正视事实，就会发现支配行星排列次序的原则以及整个宇宙的和谐都向我们揭示了所有这些事实……于是，太阳就像端坐在王位上统领着绕其运转的行星家族……

最卓越造物主的神圣作品是何等的伟大啊！

——哥白尼（1473-1543）[1]

前言

在人类探寻自然之秩序的过程中，哥白尼无疑是一位伟人。他将世界的中心从地球移到了太阳。有人甚至将《天球运行论》的发表时间（1543年）看作近代科学的诞辰。遗憾的是，由于诸多原因，公众对科学史上伟大事件的认识往往停留在“正确”替代“错误”的逻辑式路径之上。我们将会看到，学者们卓有成效的工作已使科学发展呈现出全新的图像——在这里，科学史包含了对科学家整体思想的分析与理解。

康德有句名言：“没有科学史的科学哲学是空洞的；没有科学哲学的科学史是盲目的。”[2] 真正的历史是理解性的历史；空乏、孤立地记录事件和时空点的价值十分有限。面对近乎无限的历史原料，史学家得做出选择；这体现出科学哲学所提供的方法论的指导意义。我们必须在一个大致的框架内重建历史。在一定程度上，本文内含的架构更接近于托马斯·库恩的观点——科学革命之起因具有多元性，科学和思想史的结合必不可少。[3]

值得注意的是，我们这里提到的“科学革命”并非特指发生于哥白尼-牛顿时代的重大变革，而是一种关于科学演进的观念。[4] 一场科学革命完成之后，物理概念、宏大观念和研究方法将在一个超越性的世界观中被重塑。这意味着，新的宇宙和人类诞生了。文章的最后，我们还会回到这里。

前哥白尼时代的宇宙学

人类对星空的仰望和惊异与生俱来。自神话时代起，宇宙的图像便与文明一同成长。在西方文明的源头，埃及、美索不达米亚和巴尔干的人们就已经开始系统地记录太阳与星体的运动。这些天文观测为后来的宇宙论思想提供了基础。

追溯科学之史，充满奇迹的希腊是一个必经之地。在早期，相比于埃及主神的天空航船，阿那克西曼德[5] 的转轮更能说明恒星的圆周运动；神消失了，精确取代了诗性。以此为起点，到公元前4世纪时，希腊学者普遍接受了一个有限的宇宙：恒星嵌在旋转的巨大球壳（恒星天球）之上，地球静止在球壳的中心；天球是宇宙的边界，它的外面一无所有。库恩称其为“两球模型”。

除了应和观测，选择球形宇宙还有美学上的原因。球面具有完全的对称性，各点与中心的距离相同；它在自转中保持不变，最为“自我相像”[6] ——这是典型的柏拉图主义；球象征着完美、秩序和永恒，是“诸完善的完善体”[7]，是造物主创世的唯一形式。

图1. 观察者所见到的两球宇宙中的恒星运动

“行星”的希腊语原意为“漫游者”，以与相对位置固定的恒星区别。它们的运动更为复杂。一个解释体系是将每颗行星放在与其对应的组合式天球之上。这类天球位于恒星天球的内侧，由几个做不同运动的同心天球（中心仍是地球）构成，各子天球转动的合运动便再现了观测中行星的游弋。日月的运行也可用这种方式有效描述。

为模拟行星的逆行运动，每组天球的数目增加到了四至五个，对其效果的分析也变得十分复杂。但同心球系统的一个致命缺陷在于，它无法解释行星的亮度变化。

新的数学机制诉诸本轮和均轮拯救现象。如图2（a）所示，行星P直接随本轮旋转，同时本轮之心也绕均轮的中心（即地心）转动。为应对其它不规则性，天文学家将均轮的圆心移离宇宙中心，并构造了偏心匀速点（见图2（b））。这些便是占主导地位的托勒密天文体系的基本要素，剩下的工作只是技巧的组合与协调。但这种数理天文学并未说明天体运行的动力因，它的创造者们更关注数学和量化，轮之实存性只是一个次要问题。

由于同处一个时期，亚里士多德将同心球体系纳入了他的宇宙论。在这个世界里，水晶天球层层嵌套直至最外层的恒星天球。月之天球以下的地界充满了生成和死亡，其上的天界亘古不变。恒星天球的转动逐级传递，最终带动最低的月球。

然而，托勒密体系的转轮与亚氏的物理学并不吻合。这产生了天文学与宇宙论的二分。基于亚氏的权威，天球的存在鲜被置疑，更多的尝试是在球壳中寻找本轮、均轮的机械解释。

两球宇宙的经济性、感官上的直接性为其增色不少，托勒密数学也富有成效。在多数学者看来，地球运动的想法仅是一场思维游戏。拒绝后者的一个物理理由在于，倘若地动是真实的，树上的苹果必定不会恰好落在正下方。正如库恩所说：“观察从不会与一个概念图式绝对地不相容。”[10]

中世纪前期的黑暗时代过后，认识到世俗的学问也可为信仰服务，教会开始复兴古代学术。这是基督教对科学的有力推动，尽管教父们护教的保守性也饱受诟病。亚氏宇宙从天到地的等级特征引起了神学家的注意，其中可以找到上帝和天使的位置。虽然因教义而进行了些许修正，新的神之宇宙仍是亚里士多德式的。

在这里，信仰和科学被编织进一个庞大而又高度融贯的世界观中。人类和他们脚下的大地居于世界的中心。这一宇宙体系规定了从泥土升至天穹的精神链条与人之存在的独特地位；对这个世界，它不仅提供了解释，也给予了理解。

传统的裂隙

亚氏物理学从根本上拒斥日心之说，但希腊天文学家并未忽视太阳与五大行星运动的关联。从数学上看，将太阳与其它行星归于同级显得草率。这得益于之前数理与物理的二分。

中世纪对亚里士多德的高密度研究已撕开了预示革命的裂缝。经院哲学家不断发现并讨论亚氏证明的谬误。在这种舆论氛围中，地球运动的可能性在逻辑上得到了考量；哥白尼本人也从未宣称地动说是他的创造。由于历史的久远，经院学者将托勒密体系与亚氏宇宙论间的差异看作同一学说（即“古代学术”）的内部矛盾。在调和无果后，有人开始质疑整个传统；批评家提出了一些局部的替代理论。但是，中世纪晚期思想的支配力量仍是神学上的。

哥白尼时代也是文艺复兴和大航海的时代。虽然人文主义者嘲讽科学，但开拓的精神的确冲击了基督教的严密结构。由于宗教内部的论战和人文主义的世俗兴趣，柏拉图主义得以复兴。美、完善性和简洁的数学关系再次受到关注。

新柏拉图主义与太阳崇拜有一定关联。文艺复兴的作品中不乏对太阳之神性的歌颂；菲奇诺写道，太阳第一个被创造出来并居于天空的中心。显然，只有中心的位置才与揭示善之本性的太阳相配。

革命之始

1543年，哥白尼的《天球运行论》出版——这是一场人类思想之剧变，即“哥白尼革命”的发端。事实上，《天球运行论》是保守与激进的杂糅之物，传统和革新惊人地交织在一起。

在致教皇保罗三世的信（《天球运行论》的序言）中，哥白尼批评古老方法的结果与观测并不完全符合（虽然他继承的数据有许多是错的）。在作为新柏拉图主义信徒的哥白尼看来，旧体系的失败在于没有遵循“可靠的原则”，对偏心圆和偏心匀速点的使用背离了神圣的匀速圆周运动；那些天文学家忽视了宇宙的和谐与对称。

哥白尼的改革基本集中在数理天文学方面，真正前无古人的是他在地动基础上建立的数学体系。哥白尼赋予地球三重运动，[11] 包括自转、周日运转以及地轴倾角的变动。他期望利用日心和圆周运动驱除前人的混乱。与托勒密天文学不同的是，哥白尼体系可通过观测确定行星轨道的顺序和相对尺度，并可以十分经济地定性解释行星的逆行等问题。

然而在定量方面，哥白尼不得不为了精确性再次引入本轮和偏心圆。结果两个体系都使用了超过三十个轮子，在经济性和准确性上可谓不相上下。戴克斯特豪斯指出，哥白尼体系中太阳的数学地位并非如他自称的那样崇高，“‘日心说’并不能像‘地心说’表达托勒密体系那样表达哥白尼体系的真实特征。”[12]

哥白尼的宇宙论仍是古典的。他在《天球运行论》的第一卷谈到宇宙是球形的，因为球形是“最完美的”，“最适于包容和保持万物”。与托勒密一样，哥白尼也未能给自己的图式提供一个适当的物理基础，他对重力和运动之本质的说明极不协调。这些失败的努力只是为在不摧毁亚氏宇宙的前提下调换地球和太阳的地位。哥白尼也许从未料到他的著作会在若干年后导致古代宇宙的完全崩溃，他认为自己一生中最大的贡献并非太阳的移位，而是偏心匀速点的废除。

库恩评价道：“它（《天球运行论》）是一个制造革命的文本而不是一个革命性的文本。”[13] 这一论述十分中肯。《天球运行论》是一个时代意识形态的旧有结构与涌动暗流的交锋产物，是传统束缚下的厘革。哥白尼吹响了向新世界进军的号角，一场革命才刚刚开始。

批评与接受

哥白尼于《天球运行论》出版的那一年去世，他在生前已被公认为欧洲最杰出的天文学家之一。专业人士难以忽略那集传统之大成的工作；他们发现，对地动持否定态度或保持沉默并不妨碍对哥白尼数学体系的利用。伊拉斯谟·莱茵霍德正是这样得到了影响颇广的《普鲁特尼星表》（Prutenic Tables）。天文学家对地动的排斥有所缓解，但明确表态的支持者仍然屈指可数。在托勒密体系和哥白尼体系之间做出选择更多是一个兴趣问题。对于看重定性之简洁的天文学家来说，哥白尼体系在实践上的笨拙并未掩盖其审美方面的吸引力，世界图景表观上的简化与和谐便是真理性的证据。反方的论据同样充分，所谓“可靠的原则”并未带来实用的简单与精确。

来自天文圈之外的声音大多无丝毫的犹豫——哥白尼的学说荒谬且渎神。许多诗人、哲学家和通俗作家都对其发起了猛烈的攻击，新教领袖们更是将《圣经》中关于大地静止的言辞当作强弓劲弩。如果地球仅是一颗普通的行星，人类怎样仰望上帝和神圣呢？

实际上，哥白尼逝世后的60年里，天主教的反对远不如新教激烈，1600年被烧死的布鲁诺并不是科学的殉道者，教会对他的责难来自其异端的神学思想而非哥白尼的学说。毕竟新教把《圣经》视作唯一的权威，而天主教会在14到16世纪期间并未强制宇宙观念的统一；著名的红衣主教库萨的尼古拉在15世纪曾提出“无界的宇宙”并拒斥宇宙的等级结构，[14] 惩戒未曾因他思想的广泛传播而降临。

但在1610年以后，由于宗教改革对教会内部的震荡以及哥白尼体系带来的神学后果愈发严重，支持哥白尼学说终于成为教会口中的罪行。教会对其开放传统的逆转使许多天主教徒感到震惊，这一介入对天主教科学和教会的声誉产生了极大的损害，1633年对伽利略的逼迫更使教会成为了众矢之的。

《天球运行论》发表后的一个世纪中，除了第谷·布拉赫（1546-1601），开普勒（1571-1630）、伽利略（1564-1642）等著名科学家都是哥白尼的拥护者，或者说正是对日心说的支持才使他们可能闻名于世。在很大程度上，他们的选择始于新柏拉图主义所期许的简洁与和谐。

科学哲学家拉卡托斯否认科学以外的精神对这场革新的重要性；在他看来，哥白尼纲领的优越性仅存于科学内部，比如它对行星轨道的说明更具解释力。但对于那个时代而言，“内部”一词是模糊的。哥白尼-伽利略时期的科学并没有完全清晰的边界，协调美的观念仅属于近现代物理学的“内部”，以现代科学的成熟图式分析早先的发展只会带来歪曲的简化。

从两球世界到牛顿宇宙

第谷·布拉赫可以说是16世纪后半叶的天文学权威。尽管对哥白尼的抵制延缓了革命的进展，但他的工作却发挥了巨大的作用。第谷发明了自己的新体系——地球再次回到恒星天球的几何中心，作为亚氏宇宙之要素的水晶天球却被抛弃。

第谷体系是一个折中方案，它没有牺牲哥白尼体系的和谐性，也避开了物理学和神学层面的指责。许多非哥白尼派的天文学家都退向了第谷体系，但他们同时也接近了哥白尼的图式。

第谷更重要的成就是对天文观测的极大推动。更精准的仪器在他的天才之手中诞生，以往的错误被纠正。可靠、丰富的全新数据把欧洲天文学从古代数值的晦暗中解放了出来。这为开普勒的创造奠定了不可或缺的基础。

对约翰尼斯·开普勒这个狂热的新柏拉图主义者来说，哥白尼没有觉察到他伸手可得的财富，《天球运行论》中的数学技巧仍停留在过于接近古代传统的地方。经过一系列艰苦异常的尝试后，开普勒发现椭圆轨道理论与新的观测数据符合得很好，偏心圆和本轮自然成了多余之物。这是惊人的创举！因为它否定了自古以来神圣的运动均匀性。

在开普勒的身上，我们看到了对简明数学规律的执着。正是开普勒的三大定律让哥白尼图式隐含的经济性与丰富性显现了出来。其实，开普勒的研究过程也混合了猜测、想象，行星被太阳发出的“运动精气”推动的想法给他的第二定律带来了重要启发。我们再次看到，科学是复杂的。

1609年，伽利略首次使用望远镜观察天空，这一观测也为哥白尼学说带来了证据。除了行星运动精细化提供的证明，月球环形山和太阳黑子的发现直接与天界的完美性、永恒性相冲突。木星卫星的存在更是激发了人们对新世界的想象——竟然还有其它环绕的天体系统，这是托勒密和哥白尼都不曾想到的。

旧的世界图式的确式微了。到17世纪中叶，重要的天文学家几乎都皈依了哥白尼主义。

17世纪是人类科学群星的闪耀之时，近代物理学的礼花已在夜空中绽放，原子论和机械论的思想交相辉映。1687年，《自然哲学的数学原理》首次出版。牛顿完成了“天上”与“地下”的统一，上帝在绝对时空中统治着这个钟表一般的无限宇宙。虽然这并不是哥白尼式的宇宙，但哥白尼革新所提出的问题都得到了解决。世界的图像已然改变，人类的宇宙概念、人之地位以及人与神的关系都被重塑。人类理性发现了自然的秩序，科学之威力显然超越了神话。至此，这场始于哥白尼，终于牛顿的革命落下了帷幕。

科学史家I·伯纳德·科恩评论道：“以牛顿的《原理》（1687）为顶峰的17世纪物理学所取得的伟大进展，并非起源于哥白尼那圆套圆的复杂体系，而是起源于新的开普勒体系……。如果说天文学中有过一场革命的话，那么，这是一场开普勒和牛顿的革命，而绝不是什么不折不扣或确凿无疑的哥白尼革命。”[15]

科恩明显忽略了一点，开普勒和牛顿所解决的正是哥白尼想解决的问题。哥白尼主义改变了天文学家的视野，动摇的传统亟需替代。如果说开普勒定律是哥白尼革新在数理天文学上的直接顶峰，牛顿世界则是一个统一的思想模式，尽管后者的来源不仅限于哥白尼主义。哥白尼革命的起讫之所以跨越近一个半世纪，是由于科学革命并非只是创造性理论的提出而更在于崭新的研究范式和世界观的建构。

再谈科学革命

看完对科学史的叙述，我们也许会感到“科学革命”的概念被稀释了。科学的发展中充满了连续性，正如戴克斯特豪斯所谈到的：“保守与革新的结合典型地刻画了科学思想发生彻底变化的方式，通常使用的‘革命’一词根本不能完全概括它。”[16]但这并不是我们拒绝“科学革命”的理由。

科学在不断地连续变化，变动的幅度仍是一个有意义的指标（我们这里的指标便是世界观的变革），微观的联系与宏观的分立并不矛盾。因此，革命是确实存在的。

从另一方面讲，理解需要概念的引导，“科学革命”正体现了人类对自己文明成果的领会与肯定。即使有来自史实的反驳，更有效的是修补而非放弃。

科学革命是一个接力的过程，人类的科学革命不可能由个人完成。在对科学本身的研究中，尤其是对那个科学还尚未成熟的时代而言，关注历史性和开放性应成为一种趋势。以前的科学并不像现代这样封闭，科学毕竟也是人的科学，科学与宗教、哲学以及社会文明演变的关系会是一个有趣的故事。

参考文献：

[1] 哥白尼著，张卜天译，《天球运行论》，商务印书馆（2016）

[2] 伊·拉卡托斯，《科学研究纲领方法论》，上海译文出版社（1986）

[3] 托马斯·库恩，《哥白尼革命——西方思想发展中的行星天文学》，北京大学出版社（2003）

[4] H·弗洛里斯·科恩，《科学革命的编史学研究》，湖南科学技术出版社（2012）

[5] 柏拉图著，谢文郁译，《蒂迈欧篇》，上海世纪出版集团（2005）

[6] 赵敦华，《基督教哲学1500年》，人民出版社（1994）