3.1　金星盈亏如何敲响地心说的丧钟？

离开了月球，让我们前往这次太阳系之旅的第三站：金星（图3.1）。

金星是太阳系中离地球最近的行星，平均距离仅为4150万千米。因此，它也成了仅次于太阳和月球的天空中第三亮的天体。金星只要花224.7个地球日（一个地球日是24小时）就能绕太阳公转一圈。与此同时，金星的自转速度很慢，需要花243个地球日才能自转一圈。这让金星成了太阳系中极为罕见的一日（即金星日）比一年（即金星年）还要漫长的天体。

金星有一个相当有名的现象，叫金星盈亏。事实上，金星盈亏的发现是科学史上的一件举足轻重的大事，因为它直接促成了地心说的衰落和日心说的崛起。

为了说清楚这是怎么回事，我得先来讲讲地心说和日心说。

很早以前，人类就观察到所有的日月星辰都在周而复始地围绕地球旋转。所以，人类一直认为地球就是宇宙的中心。基于这种观念，公元140年，古罗马大天文学家托勒密（图3.2）提出了一个著名的宇宙学模型，那就是地心说。

图3.3就描绘了地心说的宇宙图像。地球静止在宇宙的中心。而从内向外，依次是月球、水星、金星、太阳、火星、木星和土星。月球和太阳都在围绕着地球作圆周运动。其他五颗行星的运动状态比较复杂：首先，它们都在一个叫本轮的小圆上旋转；其次，本轮的圆心也在一个叫均轮的大圆上绕地球运动。换句话说，这五颗行星的运动轨迹是由本轮和均轮这两个圆周运动组合而成的，看起来很像是公园里的旋转咖啡杯。更外面，则是一个叫作恒星天的巨大球壳，其他的星星全都镶嵌在这个恒星天的内壁上。现代人一般把这个恒星天称为天球。

托勒密的地心说是一个比较完善的科学理论，能够很准确地描述太阳系中所有主要天体的运动轨迹。所以很多中小学教科书里都说，地心说被人们奉为经典，统治了学术界长达1400年之久。

但我要告诉你的是，这种说法并不算特别准确。地心说确实在罗马帝国和阿拉伯帝国被奉为经典。但在中世纪的欧洲，它却长期受到天主教会的冷落。直到公元13世纪，天主教里出了一个非常有名的神学家，叫托马斯·阿奎纳。他认为神学和自然科学并不矛盾，应该用“自然法则”来论证神学的正确性。为此，他仔细地研究了托勒密的地心说，并把地心说整合成了天主教神学体系的一部分。从那以后，地心说才真正地一统天下。

一直到1543年，地心说的统治地位才发生动摇。那一年，一个70岁高龄、即将不久于人世的老人，在他的一个学生的反复游说下，出版了一本书。相信你已经猜到了，那本书就是著名的《天体运行论》，而那个老人就是波兰大天文学家哥白尼（图3.4）。

在这本书中，哥白尼提出了著名的日心说。图3.5就描绘了日心说的宇宙图像。这回，坐镇宇宙中心并保持静止不动的就变成了太阳。从内向外依次是水星、金星、地球、火星、木星和土星，它们都在围绕着太阳作圆周运动。更外面，则是与地心说一样的恒星天。显然，与又是本轮又是均轮的地心说相比，日心说的宇宙图像要简单很多。

其实早在40岁的时候，哥白尼就已经提出了日心说。但他一直都只在一个很小的圈子里宣传自己的理论，而始终不肯把它写书出版。这倒不难理解。当时地心说已经成为天主教神学体系的一部分，质疑它就相当于质疑整个天主教的神学体系。作为一名虔诚的天主教教士，哥白尼当然不愿与整个天主教会为敌。事实上，如果不是由于一名日心说的狂热粉丝，这个理论很可能会被哥白尼带进坟墓。

这个粉丝就是奥地利数学家格奥尔格·雷蒂库斯。此人写过一部关于三角函数的经典著作，其中率先给出了包括正弦、余弦、正切、余切、正割、余割在内的六种三角函数表。公元1539年，他偶然了解到哥白尼的地心说，顿时觉得醍醐灌顶；为此他专门跑到波兰去拜见哥白尼，然后又成为哥白尼一生中唯一的学生。此后的两年，他多次游说哥白尼要把关于日心说的理论写成书，并正式出版，但哥白尼总是坚决反对。不过雷蒂库斯这个人很有韧劲，从来都不曾放弃。在软磨硬泡了整整两年以后，哥白尼终于招架不住，交出了《天体运行论》的全部手稿。

随后，雷蒂库斯就开始寻找愿意资助此书出版的土豪。一年后，他找到了一个这样的土豪，那是一个住在纽伦堡的出版商。这样一来，差点被哥白尼带进坟墓的《天体运行论》终于登上了历史的舞台。

由于《天体运行论》中包含大量的公式和图表，必须得有一个行家来做这本书的编辑。雷蒂库斯自己做了半年的编辑，但他突然被任命为莱比锡大学的教授，不得不中途离开。临走前，雷蒂库斯把编辑的工作委托给了一个朋友，那就是神学家奥西安德尔。

奥西安德尔一看这本书竟然要反对地心说，顿时觉得自己上了条贼船。为了避免殃及自身，奥西安德尔干了一件今天的编辑就算吃了熊心豹子胆也不敢干的事情。他瞒着哥白尼和雷蒂库斯，伪造了一篇《天体运行论》的前言，宣称这部书“并不是一种科学的事实，而是一种富于戏剧性的幻想”。

一部划时代的科学巨著，就这样被歪曲成了一种奇技淫巧。

不过奥西安德尔的做法也不是完全没好处。《天体运行论》顺利通过了罗马教廷的审查，没有被列为禁书。

好了，现在有两个关于宇宙的理论：地心说和日心说。到底哪个对呢？大半个世纪，学术界一直对此争论不休，却一直争不出个所以然。直到17世纪初，一个科学巨人的横空出世，才打破了这个僵局。此人就是被后世称为“现代科学之父”的伽利略（图3.6）。

公元1564年，伽利略出生在意大利的比萨市。他的父亲是当地的一个小有名气的音乐家。17岁那年，伽利略考入了比萨大学；遵照父亲的意愿，他选择了学医。但没过多久，一个意外的事件彻底改变了伽利略的人生轨迹。

有一天，伽利略走进了比萨大学的一个教堂，注意到里面有一盏不断摆动的吊灯。通过与自己的脉搏跳动进行对比，伽利略发现无论这盏吊灯的摆动幅度是大是小，它摆回到最低点所花的时间都相同。换句话说，像这种不断摆动的物体，就可以用来计量时间。伽利略的这个发现被称为“单摆原理”。后来人们正是利用这一原理，造出了世界上第一台摆钟。

发现了单摆原理以后，伽利略就放弃了学医，而把主要精力都集中在了物理学的研究上。很快，他就在物理学界崭露头角。由于在力学领域的卓越贡献，伽利略在25岁就当上了比萨大学的教授。又过了三年，他被挖到了位于威尼斯的帕多瓦大学。正是在美丽的威尼斯，伽利略登上了自己学术生涯的巅峰。

公元1608年，一个荷兰眼镜店老板偶然发现用两块前后放置的镜片可以看清远处的物体，进而造出了人类历史上的第一架望远镜。这个消息传到了意大利，立刻引起了伽利略的浓厚兴趣。1609年，伽利略制造了一个质量更好的望远镜，能把远处的物体放大好几十倍。然后，他又做了一件意义非凡的事情：把望远镜指向了太空。这个举动后来让伽利略获得了一个荣誉称号：观测天文学之父。

在我看来，伽利略第一次用望远镜仰望太空的心情，应该和阿里巴巴第一次发现满山财宝的心情差不多。利用自己制造的望远镜，他发现了很多人类前所未见的景象。在这次的太阳系之旅中，伽利略的所有发现都将是我们讲述的重点。其中有一个发现，直接导致了地心说的衰落和日心说的崛起，这就是我们前面提到过的金星盈亏。

什么是金星盈亏呢？我们不妨用月球做一下类比。

众所周知，月球是有盈亏的。为什么月球会有盈亏呢？因为月球本身不发光，只能反射太阳光。由于月球一直在绕着地球旋转，它既可以跑到地球和太阳之间，也可以跑到地球的背后。如果月球跑到了地球和太阳之间，它就会把后面射来的太阳光挡住，进而让我们无法看到它，这就是月球的“亏”；如果月球跑到了地球的背后，它就可以完全地反射太阳光，进而让我们看到一轮最圆的明月，这就是月球的“盈”。

与月球不同的是，金星不可能跑到地球的背后。不过，它有可能跑到太阳的背后。如果金星跑到了地球和太阳之间，它就会挡住后面射来的太阳光，让我们看不到它，这就是金星的“亏”；如果它跑到太阳的背后，就可以完全地反射太阳光，让我们看到一个最圆最亮的金星，这就是金星的“盈”（图3.7）。

知道了金星盈亏的概念，我们就可以来讲讲如何判断地心说和日心说的对错了。问题的关键在于，金星到底是在绕地球还是在绕太阳旋转。

数千年的天文观测表明，如果以地球为顶点，分别向金星和太阳连线，所得到的角度最大也只有48.5度。换句话说，金星一直都在太阳周围活动。在地心说中，金星一直在绕着地球转；要想解释金星总在太阳周围活动的观测结果，金星和太阳就必须以差不多的角速度围绕地球旋转。在这种情况下，金星就只能一直处于地球和太阳中间，永远不可能出现“盈”的状态。而在日心说中，金星一直绕着太阳转，所以能自然而然地解释为什么金星总在太阳周围。更重要的是，在这种情况下，金星可以很轻易地跑到太阳的背后，从而出现“盈”的状态。因此，通过观察金星能否出现“盈”的状态，就可以确定它是否能绕到太阳的背后，进而判断地心说和日心说的对错。

在发明望远镜之前，人类只能用肉眼去仰望星空；这种观测条件，根本就不可能发现金星盈亏。公元1610年，伽利略用他自制的望远镜，真真切切地看到金星确实出现了“盈”的状态；在一封寄给朋友的信中，伽利略富有诗意地写道：“爱之母（金星）正在效仿辛西娅（月亮女神）的风姿。”同一年，他把这个发现写进了自己的传世名著《星际信使》，从而敲响了地心说的丧钟。

我们来做个总结。过去很长一段时间，人类一直信奉托勒密的地心说；在地心说中，地球静止在宇宙的中心，其他的所有天体都在围绕地球旋转。公元1543年，哥白尼在雷蒂库斯的反复游说下，出版了《天体运行论》。在这本书中，哥白尼提出了日心说，认为真正静止在宇宙中心的是太阳，而其他的所有天体，包括地球在内，都在围绕太阳旋转。大半个世纪，学术界一直无法确定到底哪个理论是对的。直到公元1609年，伽利略用他自制的望远镜发现了金星盈亏，从而证明了金星的的确确是在绕太阳旋转。这个划时代的伟大发现，敲响了地心说的丧钟。

除了金星盈亏，还有一个与金星息息相关的观测，也在天文学的历史上留下了浓墨重彩的一笔。那就是金星凌日。