哥白尼革命

如果万能的主在创造万物前咨询一下我的意见，我会建议他把世界造得简单些。

——阿方索十世（Alphonso X）［21］

托勒密的地心宇宙模型，是一个错综复杂的人类观念的产物。它并不正确，但其传承者们想出了很多方法来调整观测结果与理论预测不相符的问题，这使得该项理论顺利地一直流传到15世纪。这种“灵活性”的特征，让“本轮”这个词成了形容不靠谱或过于繁杂的科学理论的贬义词。如果你需要不断往一个理论中加入新的细节才能适应新的观测结果，那说明你的理论解释能力极为有限。举个例子，假设你提出了一个关于汽车的新理论，预言所有的汽车都是红色的，但星期一你一出门，看到了一辆黑色的车，你就把理论修改为“所有汽车都是红色的，只不过星期一有些车是黑色的”。一上午，很多红色和黑色的车呼啸而过，理论到此为止都很有效，但到了下午，麻烦来了：一辆绿色的车经过了你的视野。好吧，星期一所有汽车都是红色或黑色的，只不过下午有些车可能是绿色的。看到这里你就能感受到了，这就很像不断提出新的本轮来修正自己的托勒密宇宙模型。每个后来发现的新事实都要逼迫着理论做出小修正，以保证一开始提出的假设的正确性。这种过程累积到一定程度，你就会意识到这样下去是不行的，必须推倒一切从头再来了。

当然，这个例子有些夸张，托勒密的理论要比这个例子复杂得多。每加入一个新的本轮，都只是对整个理论引入一个更小的修正，却能更精确地解释观测到的运动细节。从这个角度上看，托勒密的宇宙模型可以被视为人类史上第一个起作用的收敛近似模型的例子。每次修正都比上一次更小，却能与实际观测现象吻合得更好。［22］托勒密的理论在大多数情况下都能起到很好的作用，只不过它描述的宇宙图像是错误的，它把地球而非太阳放在宇宙的中心。要想推翻这个理论，需要找到非常有说服力的案例才行。

尼古拉·哥白尼（Nicolaus Copernicus）通常被视为一个革命者，是他将人类从宇宙中心的王座上拉了下来。但事实其实更复杂，也没有那么多戏剧性。即使他真的是一个革命者，也只是个心不甘情不愿的革命者。［23］哥白尼最知名的著作《天体运行论》（De revolutionibus orbium coelestium）在1543年他快要去世的时候才付印出版，这本书在当时的影响也很微弱：印数本来就不多，能读到的人就更少了。然而，哥白尼的观点后来还是成了改变人类宇宙观的聚焦点，它最终推翻了古老的托勒密地心宇宙模型，奠定了日心模型——这一模型一直流传到今天。［24］

16世纪初印刷技术的进展让哥白尼得以在书里即时讨论的地方嵌入图表，而他著作中最知名的图表（见图1.9）就展现了一个以太阳为中心的简单的太阳系模型。最外层的圆圈代表“固定恒星层”，它处于我们的太阳系之外。从外向内依次是土星、木星、火星、地球（以及绕地球运转的我们的近邻月球）、金星和水星，它们都围绕着中央的太阳（图中的“Sol”）做圆周运动，月亮则围绕着地球做圆周运动。

图1.9　哥白尼在1543年发布的太阳系日心图。该图以拉丁文标记，并向我们展示了以太阳为中心的同心球体。恒星的固定外球（I）围 绕着旋转球（II—VII），其中包含了土星、木星、火星、地球（旁边标记为月牙形的是月球）、金星和水星的轨道。

哥白尼的日心体系和托勒密的地心体系并不是16到17世纪仅有的两个行星模型。图1.10摘自乔万尼·里乔利（Giovanni Riccioli）1651年的著作《新天文学集大成》（Almagestum Novum, “The New Almagest”），［25］它很好地总结了后哥白尼时代天文学家可以采用的世界体系，共包括了6种不同的太阳系模型（标为I到VI）：

模型I是托勒密的地心体系，地球处于中心，太阳在水星和金星的轨道之外围绕着地球运动。

模型II是柏拉图体系，地球也处于中心，太阳和其他行星围绕着地球运动，不过太阳的轨道在水星和金星之内。

模型III被称为埃及体系，其中水星和金星围绕着太阳运动，而太阳与其他行星一道围绕着地球运动。

模型IV被称为第谷体系，由伟大的丹麦天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brahe，1546—1601）提出。他认为地球固定不动，位于宇宙的中心，月球和太阳围绕着地球运动，但其他行星围绕着太阳运动。因此，水星和金星的轨迹一部分位于地球和太阳之间，而火星、木星和土星则完全位于地球和太阳的外部。

模型V被称为半第谷体系，是由乔万尼·里乔利自己发明的。在这一模型中，火星、金星和水星围绕着太阳运动，而太阳则和木星、土星一起围绕着地球运动。里乔利想把木星和土星同水星、金星以及火星区分开，因为前者像地球一样有卫星，而后者没有（当时火星的两个卫星还没被发现），因此，它们的轨道应该是以地球为中心，而不是太阳。

图1.10　乔万尼·里乔利在其1651年的著作《新天文学集大成》中绘制的6种主要宇宙模型。

模型VI就是我们刚刚在图1.9中看到的哥白尼体系。

看了这么多古代天文学家的宇宙观以后，我们或许能得到一些启示。仅仅通过观察宇宙是很难真正理解它的，我们被局限在地球——一颗中等年龄恒星周围的一颗行星的表面，我们在夜空中观察到的东西也就很大程度上取决于我们所在的地球表面的位置、观测的时间，以及内心关于“我们应当处于万物的什么位置”的先入之见。我们的世界观预先决定了我们的宇宙模型。

在我们的宇宙观成长的同时，这些问题也变得越来越明显。为了人类社会的进步和发展，我们需要描述并预言我们可见的这部分宇宙中的天体运动，但我们最终还是想要知道整个宇宙是什么样。而在这条路上的关键一步，来自18世纪的天文学家。我们将在下一章讲到他们。