艰苦探索四十载

长期以来，天文学阵地是由教皇钦定为正统的、公元2世纪创立的托勒密的地心说所统治。地心说开始是由公元前4世纪希腊哲学家亚里士多德提出的宇宙理论，认为地球是静止不动的宇宙中心，日月星辰都围绕着地球旋转。托勒密继承了亚里士多德的基本观点，而且又有所发展，建立了以地球为中心的宇宙几何模型。在这个模型中，天体的轨道不是简单的同心圆，而是圆上滚圆，行星在一个小圆上运动，小圆的中心又沿着一个大圆围绕地球运行。地球也不在大圆的中心而是在稍偏离的位置上。这些圆分别被称为本轮、均轮和偏心轮，三位一体，做均匀的圆周运动。这些精心设计是为了使这个模型符合天体（特别是行星）的不规则的视运动。

地心说虽然曾和当时的天文观测相当吻合，在计算行星位置时也有一定的精确度，而且在指导当时人们的实践活动中也发挥了一定的作用，但它毕竟不是正确的科学理论。随着天文观测的日益精确，人类终究要用科学的理论来代替它。哥白尼就承担起了建立新的科学理论的任务。

1473年2月19日，哥白尼出生在波兰维斯瓦河畔的托伦城。他从小就非常勤奋好学。1491年，他在克拉科夫大学学习期间，又酷爱天文学，他钻研了托勒密的宇宙体系，掌握了天文观测的方法。1494年，当哥白尼即将大学毕业离开克拉科夫准备到千里迢迢的意大利去求学时，他舍不得离开他的老师——天文学教授沃依策赫。当他到老师家去辞行时，教授的好朋友、意大利革命诗人卡利马赫也在这里。卡利马赫过去经常听到沃依策赫称赞哥白尼的才学，听说哥白尼要去他的故乡意大利去留学，今天特地来送行。三人刚坐定，卡利马赫就问哥白尼：“你说说，目前天文学上的根本问题在哪里？”哥白尼听到这突如其来的一问，坐在那里呆呆地发愣。但他并没有畏惧，他渐渐地领悟到，这不正是自己日夜冥思苦想的问题吗。

哥白尼从容地讲起神学家认为地球静止不动的4条理由，然后从口袋里掏出一张托勒密的星象图，上面画着大大小小的圆圈，中央是个小圆点，它就是宇宙的中心——地球。地球周围有七八道逐渐扩大的圆圈，是星体运行的轨道。离地球最近的是月亮，稍远一点的是水星和金星，然后是光度最亮的太阳，再远就是高出太阳的3颗星体——火星、木星和土星。哥白尼向老师和卡利马赫说：“这份星象图也是错误的。应该把它颠倒过来，让太阳静止不动，叫地球围绕着太阳旋转。这样，月落日升现象才能得到更合理的解释。”卡利马赫兴奋地鼓励哥白尼：“你去解放太阳吧，去转动地球吧！”沃依策赫说：“你的确抓住天文学的根本问题了。卡利马赫说得对，你要把这个问题抓得牢牢的，从头开始，开辟天文学的新天地。”

1496年秋天，哥白尼来到了意大利北部的博洛尼亚大学学习教会法。但是他对天文学和数学更加热心。在博洛尼亚，学术活动更为活跃，哥白尼经常参加学校里的各种活动，阅读了古希腊天文学原著，并结识了博洛尼亚大学天文学教授、博洛尼亚文艺复兴领导人之一——多米尼克·玛利亚。他对哥白尼的天文学研究有相当大的影响。他们两人经常一起研究月球理论和观测星象，想通过实际观测来揭开托勒密学说和客观现象之间的矛盾。他们发现，托勒密对月球的解释会得出一个荒谬的结论：月亮的体积时而膨胀，时而收缩，满月是膨胀的结果，新月是收缩的结果。怎样才能证明这个理论的荒谬性呢？

1497年3月的一个星空闪烁、夜色晴空之夜，他们进行了一次著名的观测。遥远的天际高高地悬挂着一弯新月。他们站在圣约瑟夫教堂的塔楼上，观测金牛星座的亮星“毕宿五”，看它怎样被逐渐移近的蛾眉月所掩没。星辰开始发出闪烁的光芒，他们两人几乎同时抬起头，用熟练的目光去寻找那颗闪亮的红色的星，并且很快就找到了它。朝着这颗星星的方向，半边上弦月正在浮游过来，游得很慢，可是毫不迟疑地在向它靠近，任何力量也扭转不了它的航程。落日的余晖尚未完全散尽，西边的天际闪现着紫红相间的一抹彩虹。广阔的天穹湛蓝纯净，清澈不染，仿佛一个巨大的深邃的舞台拉开了帷幕，展示出一个无底的深渊。整个宇宙好像在期待着什么重大事情似的，显得非常庄严肃穆。两个天文学家一言不发，细心地拨准仪器动手测量。时光不知不觉地流逝，明朗的上弦月已经靠近那颗红色的亮星。亮星仿佛是害怕半边月的光辉似的，显得有些惊慌畏缩。玛利亚和哥白尼看了看塔楼下面，整个城市已经进入了梦乡。

时候到了。“毕宿五”一下消失了，就像一滴落在烧红的铁砧上的露珠。但在消失的地方，并不是在半边月亮的后面，而是在它的另一个半边月的后面，是圆月缺蚀的阴影部分把它掩盖了。由此看来，月亮虽然有了亏缺，大小却没有改变。两个人警觉地在仪器旁观测了一阵，然后就跑下楼梯回到屋里。哥白尼用颤抖的手把记录本抱在胸前。两个人扑到桌边，一直算到天亮。准备好的早餐已经热了好几次，他们根本就没想起来吃。从演算的结果来看，月亮距离地球的远近，在亏缺或盈满时完全一样，大小并没有改变。确凿的事实证明了托勒密的月球理论是错误的。他们从这里打开了一个缺口。

但仅仅证明月亮大小不变还是远远不够的。要想建立起一个完整的日心说的科学体系，还需要做进一步的研究。哥白尼如饥似渴地钻研那些未曾受到中世纪神学污染的古代著作，从中获得了极大的收益和长进。他从意大利回来后，就在弗隆堡大学当牧师。在最初的6年里，他在教堂的箭楼上建立了一个小天文台，自制了一些四分仪、三角仪、等高仪等观测仪器，在这里进行观测达30年之久。他的划时代的伟大著作——《天体运行论》——就是在这里完成的。在他的著作里，他曾引用了自己做过的27次典型观测资料，其中包括日食、月食、行星冲日、黄赤交角、春分点的移动等各类天文现象。这些观测资料为他的日心说提供了强有力的事实证明。

哥白尼通过深入细致的观测，又进行了精心的分析，终于找到了解决问题的钥匙——运动的相对性。当船只平静地驶出港口时，船上的人却觉得船只和自己是静止不动的，而陆地和城市却在慢慢地向后退去。哥白尼借助这个例证指出深刻的道理：“无论观测对象运动，还是观测者运动，或者两者同时运动但不一致，都会使观测对象的视位置发生变化。要知道，我们是在地球上看天穹的旋转；如果假定是地球在运动，就会显得地外物体做方向相反的运动。”由此他向人们揭示了天体运动的奥秘：原来日月星辰的运动实际上是地球自转的反映；行星运动的不规则实际上是地球公转的反映。他指出：我们看到行星的速度时快时慢，运动方向时东时西，它们和地球的距离时远时近，这正说明地球不是行星的中心。不是日月星辰围绕着地球转动，而是地球围绕着太阳转动。

哥白尼还从天文观测中得知：金星的逆行是584天一次，而逆行只有金星经过地球时才能见到，所以584天就是它在绕日旋转时与地球会合后的周期。而584天中，地球则选择了584/365=1+219/365转。由于假设金星是内行星，轨道较地球小，它在轨道上一定是选择了2+219/365转即949/365转，才能刚好与地球会合。而这个旋转数正是在584天中完成的。因而它绕自己轨道旋转一周所需要的时间为584÷949/365=225天。同理，水星在恒星背景上的逆行周期为116天，即它116天与地球会合一次，地球选转了116/365圈，水星则完成了1+116/365=481/365圈。那么它绕自己轨道运行的时间则为116÷481/365=88天。一般说来，行星旋转的周期越短，其轨道必然小，得出水星距太阳最近，金星次之，地球更大一些。于是，哥白尼完全以观察天体的运动规律出发，从日心说得出了各个行星和太阳之间的距离。下表是《天体运行论》一书中所列举的数字：

这样，哥白尼第一次以天文学为突破口，努力从自然界的事实出发去探寻自然界的运动，从而建立了一个和谐的宇宙模型。这个模型只是按照天体的运动状况来决定它们的位置和秩序，而其中任何行星尺寸和相对位置的变化都将破坏这个体系，它们的相对尺寸和运动都是互相制约的、和谐的。它是人们对自然界认识的一次质的飞跃，是人类科学思想史上的一次伟大的革命。而托勒密地心说的宇宙模型则与天体运动的客观实际情况相去甚远。这个宇宙体系和其他任何科学真理一样，在它诞生时起就免不了存在着缺陷和问题，使它在发展和成长过程中经历了不小的磨难。今天看来，这个体系基本上是正确的，它以最强大顽强的生命力，经历了100多年的搏斗，成为人类最光辉、最伟大的学说之一。