哥白尼和他的《天体运行论》

尼古拉·哥白尼（Nicolas Copernicus，1473－1543），1473年2月19日诞生于波兰托伦的一个富商之家。10岁丧父后，由其一位兼任主教的舅父抚养。其后多年在波兰的文化中心克拉科夫学习数学和绘画。

图6.3　哥白尼肖像

1496年起哥白尼到意大利游历，十年内先后在波洛尼亚、帕多瓦和斐拉拉等三所大学里攻读医学和宗教法规。在波洛尼亚期间，哥白尼与该校天文学教授迪·诺瓦拉（de Novara，1454－1504）有密切的接触，后者正是在自然哲学中复兴毕达哥拉斯思想的领袖。

当时的意大利是欧洲文艺复兴的中心，学者们向古希腊的遗产汲取思想的源泉，并在自由的氛围里对诸多现存的僵化学说和制度提出批评和挑战。在天文学上，托勒密的学说就是这样一种被批评的对象，人们讨论它的错误和改进它的可能性。

为了更准确地描述和预测行星的运动，托勒密的后继者们引入了越来越多的本轮，其体系的复杂程度大大背离了毕达哥拉斯派的柏拉图主义所追求的数学上的简单和完美性。哥白尼在思想上倾向于毕达哥拉斯派，认为天体应该有简单完美的运动，也应该有简单完美的数学描述。在哥白尼看来，托勒密体系在这一点上还不能算“合格”。尤其是托勒密引入的对点，使得天体不再作匀速圆周运动。所以他想到如果宇宙的中心是太阳而不是地球，那么对天体运行的理解和描述就可能会简单得多，同时也能遵守希腊人的完美运动原理。

1505年哥白尼返回波兰，任弗洛姆布克天主教堂的教士。在繁杂的行政事务工作之余，他开始思考如何把宇宙中心移到太阳上去。从1512年起他开始在新假说基础上推算行星的位置。1530年左右哥白尼将他的学说写成概论，以手稿的形式在欧洲学者间广泛流传。这份名为《关于天体运动假说的要释》的手稿包含一个“绪论”，然后依次是“论天球的序列”、“论太阳的视运动”、“论运动的均匀性不应对二分点而应对恒星决定”、“论月亮”、“论三颗外行星——土星、木星和火星”、“论金星”、“论水星”等章。在绪论中，哥白尼明确指出：“托勒密的理论虽然与数值计算相符，但也引起了不少疑问。的确，这种理论是不充足的……天体既不是沿着载运它的轨道，也不绕着它自身的中心在作等速运动。因此，这样的理论，既不够完善，也不完全合理。”这里哥白尼承认托勒密体系对天体位置的预测是有效的，但是违背了希腊天文学和哲学中的完美运动原理。哥白尼接着说：“我注意到了这一点，于是就常常想，能不能找到这些圆的一种更合理的组合，用它可以解释一切明显的不均匀性，并且如同完美运动原理所要求的，每个运动本身都是均匀的。当我致力于这个无疑是很困难的而且几乎是无法解决的课题之后，我终于想到了只要能符合某些我们称之为公理的要求，就可以用比以前少的天球和更简便的组合来做到这一点。”

哥白尼所说的公理共有7条，按照下列次序排列：

第一条：对所有的天体轨道或天球不存在一个共同的中心。

第二条：地球的中心不是宇宙的中心，而是重力中心和月球轨道的中心。

第三条：所有的天体都绕太阳旋转。太阳俨然是在一切的中央，于是宇宙的中心是在太阳附近。

第四条：日地距离和天穹高度的比小于地球半径和日地距离的比。因此，与天穹高度比起来，日地距离就是微不足道的了。

第五条：天穹上显现出的任何运动，不是天穹本身产生的，而是由于地球的运动。正是地球带着周围的物质绕其不动的极点作周日运动，而天穹和最高的天球始终是不动的。

第六条：我们看到的太阳的各种运动，不是它本身所固有的，而属于地球和其所在的天球。就像任何别的行星一样，地球和其所在的天球一起绕着太阳运动；这样，地球就具有几种运动了。

第七条：行星的视顺行和逆行不是它们在运动，而是由于地球在运动。因此，只要用地球运动这一点就足以解释天上见到的许多种不均匀性了。

最后哥白尼还不忘强调了一下：“大家不要以为，我们是和毕达哥拉斯学派一样草率地主张地球运动说；在我关于圆的论述里人们会找到严格的论证。”^[2]但是哥白尼迟迟不公开正式发表他的详尽的严格论证。后来在数学家雷梯库斯（Rheticus，1514－1574）的强烈要求下，哥白尼最终同意出版他的全部论证。传说第一本书送到哥白尼手里几小时之后，他就与世长辞了，那是1543年5月24日。

该书的初版被冠以《托伦的尼古拉·哥白尼论天球的运行（共六册）》这样一个名称，后来一般简称为《天体运行论》（严格的叫法应该是《天球运行论》）。《天体运行论》的手稿曾经佚失了二百多年，1873年在托伦根据重新发现的手稿出了“世俗版”，这是该书的权威版本。

图6.4　哥白尼的日心体系

哥白尼学说的革新内容主要在《天体运行论》的第一册中得到描述。在这内容丰富的第一册中哥白尼描绘了他的宇宙图景：太阳位于宇宙的中心，水星、金星、地球带着月亮、火星、木星和土星依次绕着太阳运行，最外围是静止的恒星天层。根据这幅宇宙图象，哥白尼可以很简洁地解释行星视运动中的“留”、“逆行”等现象，以及水星和金星的大距。而在托勒密体系中，为了解释同样的现象，需要引入许多特设的假定，从而破坏理论的完整性。

哥白尼声称他的宇宙体系比托勒密体系优越，是因为他的体系更简单和完美。这点在《天体运行论》的第一册中得到了淋漓尽致的体现，但从第二册开始直到第六册中的论述却在简单和完美性方面打了折扣。在具体描述和推算行星的运动时，哥白尼也不得不引入偏心圆和本轮，从而在数学上，太阳不能理直气壮地成为行星的绕转中心了。因此通常称“哥白尼”体系为“日心说”是不严格正确的。另外，哥白尼共引入34个本轮来推算行星的运动，这比托勒密体系最多时的80个本轮少多了，但是推算工作仍不能称简单。或许我们对哥白尼声称的其学说的简单性可以这样来理解：只有在对行星运动进行定性描述时，它才是简洁的、和谐的。

毋庸讳言，哥白尼从托勒密那里获益匪浅，他从《至大论》中得到了许多观测数据和几何方法，以及编制星表的资料。有些问题的处理完全因袭《至大论》。哥白尼甚至比托勒密还接近古希腊的天文学家和哲学家，他坚持用匀速圆周运动这种天体所应有的“完美运动”来描述行星的运动。以至于当代一些学者评论说，《天体运行论》与其说是在解释宇宙，还不如说是在解释托勒密。

《天体运行论》初版的序言称该书只是提供了一种解释行星运动的数学方法。据考证，这篇序言不是出自哥白尼原意，而是监督该书出版的路德派教士奥西安德擅自加入的。把哥白尼体系看成是一种数学模型，还是一种宇宙的真实图景，这将直接影响教会对《天体运行论》的态度。

《天体运行论》出版之后，有少数数学家接受了哥白尼的学说，而一些著名学者则明确表示反对地动说。因此哥白尼学说的影响还很有限，并未构成对纳入经院学派的托勒密学说的冲击。并且按照当时的物理学和天文学知识还无法理解地球在运动这一事实。哥白尼学说遭受着各种“合理”的责难。如果地球在绕太阳运动，那么应该可以观测到恒星的位置有一个周年的变化，上抛的物体不该掉到原地，地球有被瓦解的危险等等，对这些问题的解答确实要等到物理学和天文学进一步发展之后。

在无法获得观测事实支持的情况下而接受一种学说，多少带有一点信仰的成分。伽利略就是这样一位哥白尼学说的信仰者。但伽利略除了信仰之外，还进行有说服力的研究，他的许多物理学和天文学发现都直接驳斥了亚里士多德派的物理学和托勒密的天文学，从而对哥白尼学说形成有力的支持。因此当伽利略满腔热忱地宣传哥白尼学说时，亚里士多德派占多数的学术界便催促教会采取措施，在1616年禁止了伽利略说话，并由红衣主教贝拉明宣布哥白尼学说是“错谬的和完全违背圣经的”，《天体运行论》在未改正之前不许发行，哥白尼学说则可以当作一个数学假说来讲授。

图6.5　恒星周年视差示意图

当然，科学界对哥白尼学说的接受不必理会教庭的裁决，也不必等到证明地球是在绕日运动的直接证据的发现。伽利略如此，开普勒如此，后来的笛卡尔和牛顿也是如此。正是这些科学巨匠的权威确立了哥白尼学说的地位。事实上1822年教庭正式裁定太阳是行星系的中心的时候，直接证明地球在绕太阳运动的证据并没有被发现。直到1838年白塞尔用精密的仪器发现了恒星周年视差之后，才直接证明了地球确实是在绕太阳运动。

从科学史的角度来看，哥白尼的地动思想不是什么独创。因为在古希腊天文学体系当中，并不是所有的体系都是“地心系”的。萨摩斯的阿里斯塔克在综合毕达哥拉斯和赫拉克雷迪斯的一些观点的基础上就提出过日静地动的思想。然而在托勒密体系已经被教会钦定为唯一正确的宇宙学说之后，哥白尼再提出一个地动日静的学说，并在几何严格性方面堪与托勒密体系相匹敌，确实需要非凡的见识和勇气。从某种程度上说，哥白尼学说在思想方法上给予后人的深刻启发，甚至大于它在天文学上的影响。

科学哲学家总结哥白尼革命的意义时说，首先它是天文学基本概念的革命，其次它是人类认识自然界的一次巨大飞跃，第三它引起西方人在价值观念上的转变。但也有人把哥白尼革命的意义仅仅局限于天文学方面，只是把天球和天体的周日和周年运动归结为地球绕自转轴转动和绕太阳公转的反映而已。