地球与太阳运动轨迹动画

　　作者：哥白尼（波兰）

　　成书时间：1543年

　　推荐版本：科学出版社1973年版

　　【作者简介】

　　尼古拉·哥白尼（Nicolaus Copernicus,1473—1543年），伟大的波兰天文学家，日心说的创立者，近代天文学的奠基人。

　　1473年2月19日，哥白尼出生于波兰维斯瓦河畔的托伦城的一个商人家庭中。哥白尼父亲早逝，一直由作为主教的舅父抚养。1491年至1495年，哥白尼进入克拉科夫大学学习。1496年去意大利求学。哥白尼在意大利先后进入博洛尼亚大学、帕多瓦大学和费拉拉大学学习和研究法律、天文学、数学、神学和医学，他同时还学会了希腊文。当时意大利工商业很发达，是文艺复兴的发源地，哥白尼在那里受到古希腊哲学的有关日心说的启发，并且接受了文艺复兴的新思想，这些都为他日后创立日心说奠定了思想基础。1499年，26岁的哥白尼担任了罗马大学的天文学教授。1500年11月6日，他在罗马做了月食观察，证实了地动说的正确性。1503年，哥白尼完成舅父的委托，获得了教会法规博士学位。但实际上这段时间内，哥白尼的主要精力依然放在天文学和数学的研究上。

　　哥白尼学识渊博，不仅在天文学方面做出了突出的成就，他同时也是一位出色的医生、社会活动家、数学家、经济学家和画家。1506年，哥白尼从意大利返回波兰后，他就在舅父手下做私人医生和秘书工作，经办教区的外交事宜，并开始担任神甫职务。在此期间，哥白尼还利用业余时间行医，免费为贫苦人治病，他的医术受到当地的普遍夸奖。此外，哥白尼还精通拉丁文和希腊文，对古希腊罗马文学也颇有研究；他还是一位画家，做过自画像；他曾经绘制过埃尔门兰德地区的地图，设计过埃尔门兰德各城市的自来水；哥白尼同时也是一位出色的数学家，他的巨著《天体运行论》附录里，就发表过他的球面三角论文。

　　当然，哥白尼在科学上的重大贡献主要是天文学方面的。《天体运行论》的出版冲破了宗教神学的思想束缚，是近代科学发展史上的里程碑，这部著作也成为哥白尼的代表作。

　　【内容提要】

　　《天体运行论》是一部不朽的著作。恩格斯对这部书给予了很高的评价，指出作者用这部书来向教会权威挑战，从此以后，自然科学便开始从神学中解放出来，科学的发展从此便大踏步地前进。

　　从地球运动的假定出发，经过长期的、反复的观测，作者终于发现：如果其他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穹本身，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。在该书中，作者叙述了地球的运动，各星轨道的位置以及宇宙的总体结构，其他行星运动与地球运动的关系，把其他星体运动都和地球运动联系起来，从而说明其他行星和天球的运动和现象。

　　作者并不是一个想要推翻全部传统天文学观念的革新派，而是一个抱有纯真无瑕的正统信仰的人。从公元前2世纪起，人们就用托勒密的地心说理论来描述天体的运行。托勒密的主要著作叫《天文集》，其主要内容就是阐述地球是宇宙的中心，静止不动，而太阳、月亮、众星绕地球运动。对于当时有人提出的地球运动的思想，托勒密不得不承认这种思想的合理性：“从星空宇宙现象上来看，对于这种思想的简单性，没有什么可以提出反对的。”但他却用自己设想的所谓“力学原理”去非难地球运动的理论：“假定地球带着其他所有生物共同运动，那么很显然地，由于自己的重量大，它一定超越其他重物的前面而把所有生物和其他在空中没有任何支撑的重物一齐抛掉，最后它自己也会很快地从天上掉下来。”托勒密是从亚里士多德“一切重物都趋向中心”的僵硬教条出发，把地球作为宇宙的中心，固定不动，并加以系统化的说明。托勒密地心体系的七个轨道圈层中，太阳和月亮是直接绕地球运转的。而水、金、火、木、土五大行星则都有其“本轮”轨道，这五个本轮的中心又按各自的轨道绕地球运转，本轮中心的轨道称为“均轮”。托勒密的模型恰恰论证了基督教教义，上帝在第六天创造了人，人在宇宙中占据着突出的中心位置，即宇宙的中心。但这是个极复杂的体系。

　　从经院哲学的立场来看，这个极复杂的体系显然背离了被奉为经典而不能违背的亚里士多德物理学体系。在那个体系中，宇宙体系被描述为同心球。哥白尼希望能用新的方法解决这个矛盾。他抱着真诚的正统信仰，从对旧理论不能始终遵循确定的原则，因而无法推断宇宙的形状及其各部分永恒的对称性的质疑与批判，开始了他的探索。他认为可观察的世界，应是上帝意志活动的象征。从表观上错综混乱的现象背后找到对称和秩序，便是对上帝意志的一个证明，是对上帝的尊敬。在《天体运行论》的序言中他写道：“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，……”为了找到解决这一矛盾的途径，“我不辞辛苦地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派不同的假说。结果，在西塞罗的著作中发现了海西塔斯逼真地描写过地球的运动，后来又在普鲁塔尔赫的著作中看到还有别的人也赞成与之类似的见解……这就启发了我也开始考虑地球的运动。”作者在第一卷中简要介绍了日心学说的基本观点，是全书的总纲。论述了地球的运动、各星球轨道的位置、宇宙的总体结构，论证了为什么地球也是一个行星，并解释了四季循环的原因，回答了对地动说的种种责难。作者大胆地提出：“太阳是宇宙的中心，所有行星都围绕太阳运转；地球不是宇宙的中心，而是绕太阳运转的一颗普通行星。”“人们每天看到的太阳由东向西运行，是因为地球每昼夜自转一周的缘故，而不是太阳在移动。”“天上的星体的不断移动，是因为地球本身在转动，而不是星体围绕着静止的地球转动。”“火星、木星等行星在天空中有时顺行，有时逆行，是因为它们各依自己的轨道绕太阳转动，而不是因为他们行踪诡秘。”“月亮是地球的卫星，一个月绕地球转一周。”

　　关于“地动”还是“天动”，作者的思考是机智而辩证的。他认为，关于各个天体运动表观上的种种不均匀性，这是由于地球不处于它们运转的圆心，而是离宇宙中心有一段距离所致。因此“必须首先仔细地研究地球在天空中的地位，以免舍近求远，本末倒置，错误地把地球运动造成的现象当成天体运动的结果”。他指出，“如果不是假定天穹，而是地球从西向东转，那么所有严肃地思考的人就会发现，我们的结论是正确的。天穹包容万物，为什么要把运动归于包容者而不归之于被包容的东西呢？”他还根据“天比地大，其大无比”的事实进行论述：“实际上，如果庞大无比的宇宙24小时转一圈，而不是它的小小的部分———地球在转，那就太奇怪了。”他引用维尔吉尔史诗中的名句“我们离港向前航行，陆地和城市后退了”作比喻而诘问道“为什么不能承认地球的完全自然的、并同自己的形状相适应的运动，而需要假定整个宇宙（它的极限是不知道的，也是不可能知道的）在转动呢？”他由此断言：“地球肯定不是行星轨道的中心。并且可以说，地球除了周日旋转外还有另一种运动。”这几段话中包含了相对运动的观点，显然，作者已经意识到，运动是以某物为参照系而言的。

　　作者指出，托勒密体系之所以繁琐，在于他把地球的三种运动（自转、公转和地轴的回转）都强加给每一个天体，这样每个天体都加了三个圈，因而使宇宙体系人为地复杂化了，以至于在托勒密的体系中要有80个圈。这就使一些十分聪明的人也难免要头晕目眩了。作者具体说明了地球的三种运动：第一种是“地球自西向东绕轴昼夜自转”，由于这种运动，使整个宇宙看起来都作沿“回归圈”的反向运动；第二种是“地心同地球上的一切物体的周年旋转，在金星与火星轨道间的黄道上从西向东运行”，由于这种运动，使太阳看起来好像在黄道上作相似的运动；第三种是“倾斜面的运动”，即赤道面或自转轴相对于日———地联线的运动，它同第二种运动合成的结果，使自转轴相对于恒星天球的方向不变，这个合成运动即现在所说的地球的公转。作者认为，古人为了建立一种地球静止于宇宙中心的体系而把地球的三种运动加给了每一个天体，这使他们的宇宙体系不必要地复杂化了。作者根据地球的三种运动与各个天体固有的自身运动，简单而统一地解释了从地面上观察到的天体的环日运动，太阳、月亮运动的快慢变化，行星运动中的逆行、驻留和偏南偏北的运动，二分点的岁差现象等，这不能不说是一种思维方法上的革命。

　　在作者将转动的主体作了一个颠倒以后，他充满信心地说：“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：如果其他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做计算，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穹本身，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。”这样，作者就提出了他的太阳系结构的总排列：最远的不动的恒星天球，构成了其它天体的位置和运动的参考背景；然后由远而近依次为土星、木星、火星、地球、金星和水星，它们都画出以太阳为圆心的同心轨道；“中央就是太阳。在这华美的殿堂里，为了能同时照亮一切，我们还能把这个发光体放到更好的位置上吗？太阳被称为宇宙之灯，宇宙之心，宇宙的主宰。……太阳好像是坐在王位上统率着围绕它转的行星家族。”

　　作者认为，所有的行星，包括地球在内，都是围绕太阳这个中心旋转的。惟独月亮是绕着地球为中心的轨道运行的。他说：“我们不能把月亮同地球分开。”作者指出，地球是带着月亮一起，在其他行星轨道之间，沿着一定轨道绕太阳运行的。因此作者把月亮叫做地球的“卫士”或“侍从”。后来演化成为“卫星”，一直沿用到现在。

　　在《天体运行论》第一卷中有一段关于原子的论述。作者指出：“所谓原子，是最细微的，不能再分的微粒，它们重叠地或是成倍的相聚在一起，但由于它们看不见，所以并不立即形成看得见的物体，可是它们的数量可以增加到这种程度，足够累积到可以看见的大小。”这是近代原子-分子学说产生之前为数不多的关于原子存在及其与宏观物质之间关系的珍贵论述。

　　作者在其巨著中强调：“我个人相信，重力不是别的，而是神圣的造物主在各个部分中所注入的一种自然意志，要使它们结合成统一的球体。我们可以假定，太阳、月亮和其他明亮的行星都有这种动力，而在其作用下它们都保持球形。”这无疑对牛顿创立万有引力定律和研究宇宙动力学问题，也是一个很重要的启示。

　　《天体运行论》的出版引起了轩然大波，以作者的日心论观点为一方，以托勒密的地心论观点为另一方展开了长期的斗争。这不只是学术上的论争，而且也是科学和神学、唯物主义和唯心主义、辩证法和形而上学两种宇宙观和两条认识路线的斗争。许多伟大的科学家为了捍卫真理而献出了生命：布鲁诺被烧死在罗马鲜花广场；伽利略被宗教法廷宣判终生监禁。然而现代天文学的发展不仅证明了日心说对地心说的胜利，而且早已超越了作者的学说。但这一切进步，都是从作者开始的。作者关于地球运动的思想，是重大的划时代的科学成果。

　　精彩语录

　　1、在人类智慧所哺育的名目繁多的文化和技术领域中，我认为必须用最强烈的感情和极度的热忱来促进对最美好的、最值得了解的事物的研究。这就是探索宇宙的神奇运转、星体的运动、大小、距离和出没以及天界中其他现象成因的学科。

　　2、实际上，如果庞大无比的宇宙二十四小时转一圈，而不是它的小小的一部分———地球———在转，那就太奇怪了。如果说，中心不动而中心附近的部分运动较慢，那也不能说明地球在宇宙中心静止不动。3、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（等速平行运动是不能互相觉察的）。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，也会显得地外物体作方向相反的运动。

　　4、天体的这种旋转运动对于球来说是固有的性质，它反映了球形的特点。球这种形状的特点是简单、没有起点、也没有终点，旋转时不能将各部分相区别。而且球体形状也正是旋转作用本身造成的。5、当船舶静静地行驶，船员们从外界每件事物都可看到船的运动的反映。而在另一方面，他们可以设想自己和船上一切东西都静止不动。与此相同，地球的运动无疑地会产生整个宇宙在旋转这样一种印象。

　　6、因此，我敢断言，这个以月亮和地球中心为界的整个区域，在其他行星之间每年绕太阳一周走出一个很大的圆圈。宇宙的中心靠近太阳。