从哥白尼到伽利略

手持植物学论文的学者

作者：威廉·莫雷勒斯（荷兰人，1623？—1666 年）

此图上的学者或许是乌得勒支大学的一位新博士。那位默默无闻的画家威廉·莫雷勒斯 17 世纪时就在这所大学工作。这位成功的学位攻读者，头戴桂冠，自豪地展示他的论文，上面那几个拉丁字宣告：“任何植物都表明上帝的存在。”这个时代，许多尚不为人所知的植物，从世界各地被带到欧洲；对这些植物，人们怀有日臻浓厚的兴趣。这里提供了一个例证。［Toledo Museum of Art. Purchased with funds from the Libbey Endowment， Gift of Edward Drumond Libbey. （1962.70）］

托勒密体系远古以来，自从希腊人托勒密在公元 2 世纪编纂了古代天文学以后，有文化的欧洲人向来坚持一种我们称为“托勒密体系”的宇宙观。根据这种观点，宇宙是一组同心圆球体，即一系列球，球中有球，一个套一个，球心同一。最里面的球就是地球，由我们踩在脚下因而十分熟悉的又坚硬又结实的泥土物质构成。其他的球体，依次围绕着地球，全都是透明的。它们就是诗人告诉我们的“水晶球”，它们的和声就是“天籁之音”。这些球通通都绕着地球转，每个球都含有一个发光的天体，天体像宝石似的镶嵌在球内，随着透明球体的运动，环绕地球移动。最接近地球的是月亮这一球体；后面依次是水星球和金星球，然后是太阳这一球体，继而就是外层行星球。最后就是那个最外层的球体，里面镶嵌着所有的恒星，这些星宿每天全都围绕地球移动，蔚为壮观。但星宿与星宿之间却胶着不动，因为都被牢牢地挂在同一球体里。通常认为，嵌有恒星的球体之外，是“最高天”，即天使和长生不老诸神的住所；不过，这可不是自然科学研究的范畴。

凡人站在地球上，翘首仰望长空，便有囿身于一个穹庐之感，觉得穹庐的中心就是自己所站的位置。白天，澄空湛蓝，放眼眺望，委实可看到上述的水晶球体；入夜，繁星点点，可看到随着众球移动的天体。一切都在好像并不那么惊人的遥远之处绕着人在转动。通常认为，这些天体具有与地球截然不同的物质和质量。地球是由沉甸甸的杂质构成；恒星、行星、太阳和月亮似乎是由纯洁而闪亮的光，或起码是一种明亮的稀薄物质构成，这种物质与它们随之移动的水晶球一样精细。宇宙堪称是一座等级制度宝塔，越往高处，越加完美。天比地球纯净。

这一体系与实际外表相符，今天若不是有了科学知识的启迪，仍会令人置信不疑。对这一体系，还曾使用严谨的数学术语作出系统阐述。自希腊人以来，对观测到的天体运动逐渐采用了复杂的几何学来解释；这门复杂的几何学，在中世纪更日趋复杂。托勒密体系是一个数学体系。正是出于纯数学的理由，它才首先得到人们的重新考虑。中世纪末，在 14 世纪和 15 世纪时，人们又对数学大感兴趣，又专心研究起毕达哥拉斯和柏拉图哲学的传统信条来了。从这些哲学里，可以发现这一教条：数字也许是揭开自然奥秘的最后钥匙。字里行间，贯穿着一则玄奥的信条：简明比复杂更有可能是真理的标记；一个比较简单的数理说明胜过一个复杂得多的数理说明。

尼古拉·哥白尼这些思想启发了尼古拉·哥白尼，他生在波兰，是日耳曼人和波兰人的后裔。他到意大利求学深造以后，撰写了《天体运行论》这部划时代的著作。此书是在他去世后的 1543 年出版的。在书中，他认为太阳是太阳系和整个宇宙的中心，地球是众行星之一，在太空中环绕太阳运转。在此之前，曾经有过几个茕茕孑立的思想家考虑过这个观点。哥白尼用数学进行了一番论证。对他来说，这纯然是一个数学问题。以往，有关天体运动的知识越是详尽，随着岁月的流逝，就越有必要增添“均轮”和“本轮”，从而使托勒密体系越加复杂。⑨正如弥尔顿后来所表达的那样，宇宙成了：

天体套天体，上面乱涂乱抹

中心的、同心的均轮和本轮。

对于解释已知的天体运动，哥白尼却无需过多使用上述种种假设的结构图。在数学上，太阳中心说，即日心说，比人们向来坚持的地球中心说，即地心说，要简单一些。

哥白尼学说长期被当作一种假说，仅为行家知道。是否采纳这一学说，大多数天文学家曾一度犹疑不决，拿不定主意，因为他们从已有的证据来看，觉得对于流行的思想没有必要来那么一番雷厉风行的调整。第谷·布拉赫在哥白尼随后的几代人中，是天体实际方位和运动的最伟大权威，他从未全盘采纳过哥白尼体系。但是，他的助手兼门徒约翰·开普勒，总结了第谷的确切的观察资料，不仅采纳了哥白尼学说，而且还有所发展。

约翰·开普勒开普勒是德意志人，一个对数学颇有癖好的神秘主义者、业余星占学家和科学天才。哥白尼向来相信众行星环绕太阳运动的轨道是正圆的。第谷指出，这一信念跟观测到的事实不符。正是开普勒发现，众行星的轨道是椭圆的。椭圆形跟圆形一样，是个抽象的数学图形，具有可知的属性。开普勒证明，一个行星沿着其椭圆轨道运动，越靠近太阳，就移动得越快。他还证明，绕日运转的那几个行星的公转周期因这些行星和太阳之间的距离不同而有所不同。

对所涉及的数学知识，大多数人是无从理解的，但是，要了解开普勒行星运动定律的令人震惊的内涵，那倒是可能的。开普勒指出，第谷观测到的由执拗的事实构成的实际世界与哥白尼推测出来的精确和谐的纯理性世界，彼此其实没有什么矛盾；说实在，两者倒是十分吻合的。至于为何如此，他可不知道；这是数字的奥秘。对于汗牛充栋的尚未作解释的资料，他经过去芜存菁，提炼成几句简明的定律。他证明了时空之间的一种恢宏的数理关系。而且，他用十分明晰的公式阐述了众行星的运动；这些公式，任何一个有能力的人都可以随意查证。

伽利略下一步科学工作是由伽利略做的。到此时，天体是由什么东西构成的这个问题，几乎未受触动。的确，人们不但根本没把它们当作实体，反而当作球体。只有太阳和月亮才有尺寸；恒星和行星只是光点而已。哥白尼和开普勒的学说，与托勒密的一样，都可以应用到运动着的非实体的发光体。1609 年，伽利略制造了一架望远镜。朝天空望去，他发觉月亮有崎岖不平和显然是多山的表面，似乎与地球一样也是用同一种物质构成的。无论月亮圆缺盈亏，他都清清楚楚看到月亮的暗面，注意到月亮不管在哪个方位，都只是反射太阳光而已。他从而断定：月亮本身并不是一个发光体，这再次表明月亮可能是由类似地球的物质构成的。他看到太阳上的黑点，似乎太阳并非纯净完美的。他发现使用望远镜观察时，众行星都有显而易见的宽度，但恒星仍照旧是光点，好似远得难以测量。他还发现，木星有几个卫星，它们像月亮环绕地球运行那样绕着木星转，可说是木星的月亮。这些发现使他确信哥白尼学说的正确性。总之，这一学说，他业已采纳了。这些发现还表明，天体可能与地球一样，都是同样的物质——在太空中移动的物质团。反之亦然，把地球当作一种自身绕日运转的天体，也就变得容易多了。于是，天地之别正在消失。这对以往一切哲学和神学，可说是当头一棒，打得厉害。有些行家怕得要命，不敢透过望远镜眺望；伽利略遭受教会的谴责，还被迫佯作声明，悔过改念。

再者，开普勒业已发现阐述行星运动的数理定律，伽利略则已发现阐述地球上物体运动的数理定律。以往，人们总是认为，有些物体本质上比其他物体重，重的物体比轻的物体落地快。1591 年，传说伽利略在比萨斜塔上同时丢下一个十磅重的物体和一个一磅重的物体。是否有过这回事，至今还有人提出疑问。但无论如何，伽利略已经证明，尽管以前对此问题有过种种的猜测，两个重量不同的物体，当把大小不同或形状不同而产生不同的空气阻力的影响排除在外时，是同时落到地上的。他对动力学即物体运动学的进一步研究，花了好多年时间才完成。他得设计更为精确的方法来测量瞬时间隔，得发现用来估计空气阻力、摩擦和自然界其他惯常障碍的方法，得用抽象的数学术语去想象纯运动或绝对运动，去思考力和速度。他使用了惯性这一个崭新的概念。有了这一概念，只需要解释运动的变化，而不用去解释运动的产生。它免去往昔哲学认为运动需用一个“永远存在的推动者”的麻烦。