从地心说到日心说

从地心说到日心说

行星沿着椭圆形轨道运动，但它们的运动似乎并不总是保持一致。所有的行星大致都朝着一个方向运动，可有时，一些行星会暂停并沿反方向运动一段时间。对于古人来说，这种逆行是一大谜题。对这种行为的解释是，地球也是一颗行星，同其他行星一样，它也绕着太阳运行。古人所谓的暂停和运动不过是一种从地球视角出发所观察到的现象。当火星跑在地球前面时，它在天空中向东运动；当地球追上火星时，它会换个方向运动。因此，逆行不过是一个简单的地球运动效应。但我们的祖先不会这样看，因为他们迷信地球是宇宙的中心，是静止不动的。正因为他们认为地球是静止的，因此也就会认为自己所观测到的运动也一定是真实的。于是，古代天文学家往往会用行星的内在运动解释逆行现象。具体来说，他们会设想一个由两种圆圈构成的复杂系统；行星沿着一个小圆转，小圆的圆心再绕着地球转。

这些小圆被称作“本轮”（epicycle）。行星的本轮绕行周期是一年，这是因为这些本轮本质上就是地球绕日运动。另外一些参数调整引入了更多的圆。最终，整套行星运动系统需要55个圆。通过调准各个大圆的周期，天文学家托勒密将整个模型调整到相当好的精度（见图2-1）。几个世纪后，伊斯兰天文学家们对托勒密模型进行了进一步微调。到了第谷时代，这个模型可以以千分之一的精度预测行星、太阳和月亮的位置，且该模型的预测与第谷的观测相符。从数学上说，托勒密模型相当美丽。千年以来，天文学家和神学家们对它的前提假设毫无质疑。怎么可能说他们错了呢？毕竟，模型得到了观测的验证。因此，我们可以从这段历史中得到这样一个教训：数学上的美或实验上的验证，都无法保证一个理论所依赖的基本观点可以描述我们的现实世界。有时，对自然模式的解码会将我们引入歧途；有时，在个人层面或社会层面上，我们会自我欺骗。托勒密或亚里士多德的科研态度，毫不逊色于当代的科学家。他们只是不走运。在他们面前，多个错误的前提假设交织出一个运行良好的模型。对于这样的自我欺骗，实在没有什么解药。我们唯一可以做的是不断推动科学的前进，最终，其中的错误会自我显现。

图2-1　托勒密宇宙模型原理图^[4]

哥白尼最终解释了为什么本轮的周期都一样，为什么本轮都绕着太阳轨道运行。他赋予地球以行星身份，并将太阳放到了宇宙的中心。这一举动简化了托勒密的模型，却使得古代宇宙观无法继续生存。如果地球同其他行星一样，在天堂中穿行，那么尘世与天堂到底还有什么区别？

哥白尼是一个消极的革命者，他错失了其他一些线索。其中的一大线索是，在将地球的运动纳入计算之后，行星的轨道依然不是一个完美的圆。哥白尼无法脱离天体必须沿着圆运动的想法，为了解决这一问题，他还是使用了托勒密的方法，只是将所需圆的数量降至14个。哥白尼之所以引入本轮这一概念，也是出于理论符合观测数据的需要。

在行星中，火星的轨道偏离圆形最多。第谷给开普勒布置了一个课题，让他解释火星的轨道。这是开普勒的幸运时刻，也是科学的幸运时刻。离开第谷后又过了许多年，开普勒终于发现火星的轨道是椭圆形，而不是圆形。

在现代的读者看来，这一发现似乎算不上科学革命。在地心说中，行星相对于地球的轨道总是由两个不同周期的圆形轨道组合而成，因而总是不闭合的。只有当我们绘制它们的绕日轨道时，这些轨道才是闭合的。只有在轨道闭合之时，问轨道的形状如何才会显得有意义。这样看来，日心说深化了世界的和谐。

在我们了解行星的轨道其实是椭圆形之后，托勒密理论被彻底粉碎。一大堆新问题摆在我们面前：

●为什么行星沿着椭圆形轨道运行？

●为什么行星不能在天空中随机漫游？

●是什么使行星保持运动而不是静止？

对此，开普勒作出了一个大胆的猜想，这个猜想随后被证明半对半错。开普勒认为，源自太阳的力使得行星沿特定轨道绕行；太阳好似一条旋转的乌贼，它的触手推动着行星，使它们绕着太阳运动。这是有史以来第一次有人提出行星所受的力源自太阳。可惜，开普勒把力的方向搞错了。