关于两大宇宙体系

托勒玫和哥白尼这两个名字在前面出现过好几次。现在，我们还要再加上一段由他们主演的雄伟插曲，那就是两大宇宙体系：“地球中心说”和“日心地动说”。听了这段插曲，我们再往下读便会明白，测定恒星的距离在历史上起过多么巨大的作用。

很久很久以前，人们看见日月星辰每天东升西落，很自然地便认为它们都在绕大地旋转，地球则是宇宙的中心。这种看法是很朴素的，丝毫也没有什么邪恶成分。古希腊的大学者亚里士多德（Aristotle，前384—前322）使这种观念变成一种哲学学说，由于他的权威地位，在相当长的时期内，任何人对此提出异议都会被认为要么是疯人呓语，要么是推理中发生了谬误。

其实，亚里士多德本人并不盲从权威。他的一句名言“吾爱吾师，吾尤爱真理”，至今仍为人们乐道。他有许多独创的思想和见解，一生的演讲收集起来约有150卷，堪称当时的百科全书。他不仅谈论科学，还研究政治、文艺批评和伦理学。他传世的著作约有50种，《形而上学》《物理学》《工具论》《政治学》《诗学》等都是其中的名篇。亚里士多德提出了论证大地呈球形的多种方法，最有力的论据是如果你到北方去，那么就会看见新的星星出现在北方的地平线上，而原先可以看见的一些星星则隐没到南方的地平线下。倘若设想大地是平的，那就应该在任何地方都看到同样的那些星星。

亚里士多德赞同毕达哥拉斯的观点，认为天地各受不同的自然规律支配。天上的一切是永恒不变的，而地上的一切都是可变可朽的。他又接受古希腊哲学家恩培多克勒（Empedocles，前495—约前435）的四元素说，主张万物皆由水、土、火、气四种元素构成。这四种元素又由物质的四种基本属性——冷、热、干、湿组合而成。例如冷与湿结合成水，热与干结合成火。四种元素各有归宿，运动就是为了达到归宿。土居于中央，水在其上，空气又在水之上，火则在地上一切物质的最高处。因此，一个主要由土构成的物体如果悬浮在空中就会下落，而水下的气泡则向上升；再如雨要下落，火则上升。另一方面，天体却并不寻求任何归宿，只是做永恒、稳定、均匀的圆周运动，例如日月星辰的东升西落。因此，亚里士多德认为必有一种特殊的“第五元素”——他称之为“以太”，是一切天体的组成部分。然而近代科学证明，这种观念终究还是错了。

中世纪的基督教会利用亚里士多德学说附会自己的教义，使之近乎神圣。后人对亚里士多德的过分奉承，久而久之倒使他成了谬误的象征，甚至被视为科学的敌人。事实上，亚里士多德是一位伟大的学者，后人将他神化而造成的恶果，不应归罪于他本人。

从天文学的角度建立完整的地心宇宙体系的，是古希腊的最后一位伟大的天文学家托勒玫（图22），他在自己的主要著作《天文学大成》（公元130年前后成书，又译《至大论》）中详尽地阐述了这种理论。此书的希腊文原本早已失传，全靠它的阿拉伯文译本流传下来，并于1175年从阿拉伯文转译为拉丁文。在整个中世纪里，欧洲人都将这部书奉为天文学中至高无上的经典。人们正是从托勒玫的著作中，才知道伊巴谷和希腊早期其他天文学家的许多工作。然而，在很长时间内，人们都误以为书中的各种发现都应归功于托勒玫本人，其实他主要还是总结和发展了前人的成果。

图22　托勒玫是古代希腊天文学的伟大综合者

人们对于托勒玫的个人生活其实一无所知，甚至国籍都很难确定：他有可能是埃及人而不是希腊人。除了《天文学大成》，托勒玫还有一部重要的地理学著作，此书以古罗马军团进军欧亚非三洲的情况为基础而写成，并附有精心标记经纬度的地图。但是，在估计地球大小的问题上，托勒玫犯了严重错误：采纳了波西冬尼斯的数据，而没有接受埃拉托色尼的观点。

《天文学大成》中确立的地心宇宙体系，最主要的内容是：地球静止于宇宙中心，日月星辰均绕地球转动；每个行星以及月亮各在自己圆圆的“本轮”上匀速转动，本轮就是这种运动的轨道；同时，本轮的圆心又在更大的圆周——所谓的“均轮”——上绕地球匀速转动。不过，地球倒并不恰好在均轮的圆心，而是偏开一定的距离。换句话说，这些均轮其实都是一些偏心轮。日、月、行星除了沿着如上所述的轨道运动外，还与满天的恒星一起，每天绕地球转一圈，造成了它们东升西落的周日视运动。托勒玫巧妙地选择了诸行星均轮与本轮的半径比率、行星在本轮与均轮上的运动速度，以及本轮平面与均轮平面相交的角度，终于使推算出来的行星动态与观测到的实际情况大体相符。当时的仪器不可能获得更高的观测精度，这使托勒玫的理论显得相当成功（图23）。

图23　托勒玫地心说示意图

尽管托勒玫本人是无辜的，然而后来的宗教势力却发现地心体系对它们的教义颇为有用。于是，教廷便利用地心说来维护它的说教：上帝创造了人类、日月星辰乃至天地万物，而创造出天地万物的目的又是为了供人役使，所以人类应该居于宇宙中心。罗马天主教廷长期全力庇护地心说，对它的任何怀疑均被视为异端邪说。地心说一直统治了1000多年，要冲破这重桎梏不仅需要强有力的科学证据，而且还需要极大的勇气。

随着天文观测仪器的改进和观测水平的提高，在托勒玫之后的漫长岁月中，人们渐渐发现，按托勒玫理论推算出来的行星位置与天文观测得到的实际情况差得越来越远了。于是，托勒玫的追随者们不得不在本轮之上再添上更小的小本轮，以凑合观测的结果。这样圆上加圆、圈上添圈，结果把整个行星运动的图景搞得复杂不堪，却还是不能解决根本问题。因为无论它如何独具匠心，终究只不过是一件经不起实践检验的精雕细琢的工艺品罢了。

直到16世纪，近代天文学的奠基人、波兰天文学家尼古拉·哥白尼，在前人和自己的大量天文观测的基础上，系统地提出了宇宙体系的“日心地动说”。这就是说，地球并不是宇宙的中心，它仅仅是一颗普通的行星，在自己的轨道上不停地环绕太阳旋转，每转一圈就是一年。月球是地球的卫星，它在以地球为中心的圆形轨道上每个月绕地球转一圈，同时又随着地球一起绕太阳公转。所有的恒星都比月亮、行星和太阳远得多（图24）。

图24　哥白尼日心说示意图

哥白尼是1473年2月19日诞生的，出生地是波兰维斯瓦河畔的托伦城。他10岁时丧父，由舅父瓦琴罗德（从1489年起瓦琴罗德出任瓦尔米亚主教）抚养，接受了良好的教育。他在克拉科夫大学就读到约1495年，学过天文学、数学和地理学。1496年秋，哥白尼进入意大利的博洛尼亚大学，攻读教会法规；后来在帕多瓦大学攻读医学；1503年5月，他取得了费拉拉大学的教会法规博士学位。不久哥白尼从意大利回到波兰，在瓦尔米亚定居。此后除了一些短期旅行外，再未离开过那里。

哥白尼花费30多年的心血，完成了阐述日心学说的不朽巨著《天体运行论》。正如恩格斯指出的那样：哥白尼用它“来向自然事物方面的教会权威挑战。从此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”。因此，我们可以说《天体运行论》是“自然科学的独立宣言”。

哥白尼明白，他的书一旦发表，必定会招致多方面的麻烦。主要攻击可能由两类人发起：顽固的哲学家们必定坚持亚里士多德的主张，他们决不会从“地球是宇宙的固定中心”这块阵地上后退一步；另一类人是宗教的卫道士，他们一定会搬出《圣经》，它明白地指出大地是静止不动的，据此便可以给哥白尼定下离经叛道的大罪。

哥白尼对于是否公开发表《天体运行论》一书十分犹豫，最后在朋友们的苦心劝说下，才下决心将手稿送出去付印。为了躲避教会的迫害，他干脆在序言中单刀直入地说这本书是献给当代教皇保罗三世的。这真不失为一个先发制人的好办法。

1542年秋，哥白尼因中风而半身不遂。1543年，《天体运行论》在德国纽伦堡出版。据传，同年5月24日，当一本刚印好的《天体运行论》送到哥白尼的病榻前时，他已经到了向人世告别的最后一刻了（图25）。

《天体运行论》共分6卷，已被译成世界各国多种文字。1992年，中国首次出版《天体运行论》的中文全译本。《天体运行论》的第一卷“宇宙概观”是全书的精华，从多方面论证了太阳是宇宙的中心，地球是环绕太阳运行的行星，并解释了四季循环的原因。后面几卷分别详细讨论各种天体运动的情况，并提出预报天体未来位置和运动的方法。起初这部书没有受到罗马教廷的注意，因而流行了70年左右。它猛烈冲击了反动腐朽的宗教统治，在思想界引起的影响甚至超出哥白尼本人的预料，这自然会招致教会的仇视和恐惧。

图25　哥白尼在人生的弥留之际，终于看到了刚刚印好的《天体运行论》，他为这部巨著付出了毕生的心血

意大利杰出的哲学家和思想家乔达诺·布鲁诺（Giordano Bruno，1548—1600）坚定地捍卫并发展了哥白尼的思想。他还写了许多抨击基督教和《圣经》的作品，因而被押送到罗马的宗教裁判所。他被幽禁8年，接连不断的审问和拷打也持续了8年。但是布鲁诺决不退让一步，最后终于被宗教裁判所判决为异端，被烧死在罗马的鲜花广场上。

这时“日心说”和“地心说”的斗争已经充满刀光剑影。起初，有些天文学家和数学家认为哥白尼的理论只是一种巧妙的，甚至偷懒的计算方法，它推算和预告天体的运动状况要比托勒玫体系简捷方便。托勒玫派不时出击，要摧垮“日心地动”这种“危险的”新理论。然而，布鲁诺死后不过八九年，情况竟然开始大变了。一种新的仪器武装了天文学家的眼睛，用它看到的一切也武装了科学家与唯物主义哲学家的头脑。这种“洞察宇宙的眼睛”，便是天文望远镜。

最早的天文望远镜是意大利科学家伽利略（Galileo Galilei，1564—1642）于1609年发明的。他把一块凸透镜和一块凹透镜装进一根直径4.2厘米的铅管两端，让凹透镜在靠近眼睛的一端，用作“目镜”；凸透镜则靠近被观测对象的那一端，用作“物镜”。伽利略的望远镜利用透镜对光线的折射来成像，因此称为折射望远镜。半个多世纪以后，英国科学家牛顿又发明了利用反射镜面成像的反射望远镜。

1609年，伽利略将自制的人类历史上第一批天文望远镜指向天空，人们的眼界顿时变得大为开阔了（图26）。伽利略看见月亮像地球一样，坑坑洼洼坎坷不平，它的表面布满了环形山。就在地球近旁，便有这么一个与其相仿的世界，这无疑降低了地球在宇宙中的特殊地位。伽利略又看到太阳上不时出现大小不等的黑斑——太阳黑子，它们日复一日地从太阳东边缘移向西边缘，这明白地告诉人们，巨大的太阳竟然在不停地自转着，那么，远比太阳小得多的地球也在自转还有什么可以大惊小怪的呢？但是，托勒玫派的理论基石却正好与此相反，他们主张地静天旋。

图26　伽利略正在用自制的望远镜进行天文观测

1610年1月，伽利略从他的望远镜中看到，有4颗卫星正环绕着木星转动，这简直就是太阳系的缩影；它也明白无误地告诉人们：天体确实可以并不绕着地球转动。伽利略又看到，金星原来也像月亮一样有圆缺变化，而且蛾眉状的金星比接近“满月”状的金星要大得多，这正好说明金星是环绕太阳，而不是环绕地球旋转的。

伽利略将他的望远镜指向银河，看到银河原来是由密密麻麻一大片恒星聚集在一起形成的，他还看到了更多更暗的星星。由此可见，宇宙绝不像托勒玫时代的人想象的那么简单。

上述所有这一切，都异常有力地支持了哥白尼的新学说。伽利略本人宣传哥白尼学说的活动使教会深感惶恐，因此罗马教廷审讯了伽利略。1616年3月5日，罗马教廷将《天体运行论》列入禁书目录。1633年，宗教法庭宣布伽利略为罪人，指定他居住在佛罗伦萨郊区，不得离开。他在那儿一直受到监视，直到1642年去世。

然而，革命的新生事物是禁止不了的，日心学说依然在斗争中成长前进。1618年，开普勒以日心学说为基础，总结出行星运动的三大定律；再过半个多世纪，牛顿又在开普勒行星运动定律的基础上发现了万有引力定律。正是万有引力，使熟了的苹果从树端落到地面，使向上抛的石头又回到手中；也正是万有引力，使月球绕着地球打转，又使地球和其他行星环绕着太阳运行不已。

每一个新发现都成了日心说的一次新胜利。哥白尼的反对者们且战且退，然而，他们还据守着最后一个“牢不可破”的顽固堡垒，这便是“恒星为什么没有‘视差位移’”。它正是我们接下去要谈论的主题。