第三部分 十六、十七世纪的科学革命 第十二章 哥白尼的世界体系
十五世纪观测天文学的复兴和航海技术有关系，也和旧儒略历的改革有关系，这个旧历法已经跟不上太阳年了。这个天文学的复兴运动是以维也纳大学的乔治？普尔巴赫（George Purbach，公元1423－1461）开始的，特别是还有他的学生约翰？缪勒（Johannes Müller，公元1436－1476）。缪勒曾经去过意大利从希腊原文学习托勒密的天文学。缪勒在纽伦堡定居下来后，和他的朋友兼赞助人柏那德？瓦尔特（Bernhard Walther，公元1430－1504）一起进行天文观测；瓦尔特是个富商，而且造了一座私人的天文台。瓦尔特还有他自己的印刷所，所以两人一同编印航海历书，他对西班牙和葡萄牙的航海者有极大的帮助。缪勒是第一个改正天文观测中光线通过大气的折射差，也是第一个在天文学上使用机制钟的。后来他去罗马想要改革历法，但是还没有改革成功就去世了。他的那些天文观测工作由瓦尔特和他的一位艺术家朋友阿尔布莱希特？丢勒继承下去，所以在尼古拉？哥白尼（Nicolas Copernicus，公元1473－1543）开始他的工作时，就已经有相当大的一部分准确的近代观测资料供他采用了。
哥白尼是一个殷实商人的儿子，他父亲在维斯杜拉河托伦城的老汉撒镇还担任过市政官吏。可是哥白尼到了十岁时父亲就死了，由他的舅父卢卡斯？瓦采尔罗得领养过来。瓦采尔罗得在公元1489年当了艾姆兰的主教。哥白尼在公元1496－1506年间赴意大利求学，回来后在波罗的海边的佛劳恩堡担任牧师职务；公元1512年，他舅父死了。哥白尼在佛劳恩堡三十年中的活动是多方面的，涉及医学、财政、政治和宗教事务等方面，但是他最关心的好象就是世界的新体系问题。这个问题在他还是个年轻人时──可能就是在意大利求学的时期──就已经想到了。
他的新世界体系把太阳放在宇宙的中心，并规定地球有三种运动，一种是在地轴上的周日自转运动，一种是环绕太阳的周年运动，还有一种是用以解释二分岁差的地轴的回转运动。哥白尼写了一本叫做《短论》的小册子，阐述他的学说，这书约于公元1530年起便以手抄本的形式在他的友人中传阅。知道他学说的人逐渐多了起来，并吸引了维腾贝格一位数学家乔治？莱蒂克斯（George Rheticus，公元1514－1576）的注意。莱蒂克斯和哥白尼一同研究了两年，并在公元1540年第一次将哥白尼学说印成书本形式出版。到了公元1543年，哥白尼自己出版了他的主要著作《天体运行》。
这本书是在纽伦堡印刷的，主持这件事的先是莱蒂克斯，后来是一个路得派的牧师安德莱斯？奥席安德（Andreas Osiander）。奥席安德在哥白尼这部书前面添了一个短短的前言，说这种新学说不一定就对，但是在解释天体的表面运动和预言它们的未来方位上，不失为一种方便的数学方法。哥白尼本人并不同意这种见解，他认为自己的世界体系是真实的，因为他讨论的一些问题，如关于反对地动说的物理学理由等，都不属于数学性质；如果他的学说被认为是假说性质，这类问题就不需要加以考虑。
哥白尼用以支持他的学说的论据，主要属于数学性质。他认为一个科学学说是从某些假说引伸出来的一组观念。他认为真正的假说或者定理必须能够做到下面两件事情：第一，它们必须能够“解释现象”，就是说明天体所观测到的运动。第二，它们必须不能违背毕达哥拉斯关于天体运动是圆周的和均匀的论断。在哥白尼看来，一个和观测结果不符的假说的缺点，再没有比违反天体运动是圆周的和均匀的论断更严重的了。
哥白尼认为托勒密的体系“不够绝对，不够使人欢喜”，因为托勒密违反了毕达哥拉斯论断的严格意义。为了解释某些天体的运动，托勒密曾经假定它们沿着圆周运动；这种圆周运动的角速度对它们圆周的中心而言是不均匀的，而只是对这些中心以外的那些点来说是均速的。哥白尼认为这种解决方式是整个托勒密体系的一个严重缺点。但是这还不是他的主要论点。哥白尼对古代天文学家的最重要批评是，就算他们的“物理学公设”和“解释现象”的必要性是对的，他们或者是没有能够说明天文观测的结果，或者毫无必要地使他们的宇宙体系变得复杂。在谈到他的前辈时，哥白尼写道：“因此在证明的过程中──也就是我们叫做的方法──他们的做法是，或者略去一些本质的东西，或者承认某些外来的而且完全不适当地东西。”
哥白尼把批评集中在后一点。在他看来，古人为了建立一种地球处于宇宙中心并停止不动的体系，把地球的三种运动都加给每一个天体。这样一来，为了从地球静止的观点来解释天层的表观运动，在古希腊人宇宙的几何体系里，每一个天体都被加上三个圆，或者圆的体系。哥白尼认为这类的圆使希腊人的宇宙体系不必要的复杂化了。他假定地球在其本身的轴上每天自转一周，并每年环绕太阳一周，从而把那些圆都废除了，哥白尼就是这样把托勒密体系用以解释天层表观运动的繁琐的圆从八十个左右减为四十八个。这个体系是他在《天体运动》中提出来的，而在《短论》中，他只采用了三十四个圆；在《天体运动》中哥白尼比在《短论》中更详细地解释了行星的运动。他的门徒莱蒂克斯在谈到这里提出的地球绕日运动时说：“既然我们看出地球的这一运动能够解释差不多无数的现象，难道我们不应当承认大自然的创造者上帝具有普通造钟者的技巧吗？因为这些造钟人都很谨慎地避免在钟的机件里加进一个多余的轮子，或者只要稍微改变一下另一个轮子的位置，其机能就可以发挥得更好。”
实际上哥白尼为希腊人提出的怎样用圆周和均速运动解释天体表观运动的问题，提供最简单的答案。他的方法并没有什么新奇的的方，是从毕达哥拉斯以来就被天文学家所采用过的。哥白尼在采用古希腊的这些见解时，把古希腊的世界体系推翻了。可是有一个见解却是他没有采纳的，事实上是被他的体系大乱了，即认为天界是神圣的而地球是不完善的。
在哥白尼的体系里，地球和别的行星一样环绕太阳。地球和别的天体一样具有同样的均速和圆周运动，而在旧的体系里这种运动只能是完善和不朽事物的特征。还有，哥白尼强调指出地球和天体全都具有引力，因此并无不同之处。这种引力的作用并不通过空间生效。它只是在物质聚集的内部存在，如地球和天体里面，提供一种束缚物质的力量，并使物质集合成一个完善的球形。他的论证是有目的的和带有目的论色彩的。
“我觉得引力只是一种自然倾向，是出于宇宙创造主的神意，赋予物质的各部分，俾使它们能形成圆球，从而建立它们之间的统一性和完整性。很可能日、月和行星也具有这种感应力，使它们能靠这种引力的作用保持球形。”
哥白尼的体系比托勒密的体系简单得多，漂亮得多。根据旧的体系，天体既有由东向西的运动，又有相反方向的转动。现在地球和所有的行星都以同一方向环绕太阳，运转的速度是离太阳愈远的愈慢。太阳处在宇宙的中心，恒星则是处在宇宙的边缘，而且是不动的。现在可以看出，为什么行星看上去有时向地球行来，有时又离地球远去。这是因为行星有时和地球同在太阳的一面，另一个时候则处在太阳的另一面。哥白尼靠了本轮的一种巧妙组合，解释了月亮的视直径相差并不太大，而托勒密所假定的本轮则要求月亮的视直径相差到四倍。
哥白尼的体系由于在计算上用到数量较少的圆周，使天文学上的测算变得容易一点，但在预测行星方位等方面却并不比托勒密体系更准确到哪里去。两个体系都含有百分之一的误差。而且，哥白尼体系还存在着严重的物理学上的困难。其中一件事实在当时也许并不怎样严重，就是宇宙的中心并不完全处在太阳的位置。哥白尼把中心放在地球绕日轨道的中心，这离开太阳还有一段距离，原因是这样才能解释四季长短不等的现象。有些哲学家要求宇宙的运转中心应当是真实的物体，但是人们都广泛承认，为了适应这个目的，一个几何性质的中心就够了，如本轮本身的设计就是这样的。还有，当时的亚里士多德派认为引力是指向一个几何性质的点，即宇宙中心，而且在他们的体系里并不一定就是地球的中心。
更严重的一条反对理由是，如果地球在转动，空气就会落在后面，而形成一股持久的东风。哥白尼对这条反对的理由提出了两条答复。第一条答复是属于中世纪性质的解释，即空气含有土微粒，和土地是同一性质，因此逼得空气要跟着地球转动。他的第二条解释比较现代化。空气转动时“没有阻力是因为空气和不断转动的地球是连接着的。”一个类似的反对理由是，一块石子向上抛去，就会被地球的转动抛在后面，而落在抛掷点的西面。对这条反对理由，哥白尼只给了中世纪性质的答复，“由于受到本身重量压力的物体主要属于泥土性质，所以各个部分毫无疑问和它们的整体保持同样的性质。”
另外还有一条反对理由，就是如果地球转动，它就会因离心力的作用变得土崩瓦解。哥白尼的回答是，如果地球不转动，那末恒星的那些更庞大的球就必须以极大的速度转动，这一来恒星就很容易被离心力拉得粉碎。这条论证在当时并不真正站得住，因为天层在当时被认为是完善和没有重量的第五种元素──精英──组成的，所以不受到离心力这类地上作用的影响。可是亚里士多德原来的精英观念在中世纪已经变得粗劣了，天层被看作是坚硬、透明和晶莹的，这就使哥白尼的论证得到支持。他还找到解决这里困难的另一种方式，就是指出离心力只在非天然的人为运动中找得到，而在天然的运动中，如地球和天体的运动中，则是找不到的。他论证道：“自然统治的事物和暴力统治的事物，二者所引起的效果是相反的。受到外力和冲击的东西必然要解体，而且不可能存在一个很长时间；但是自然创造的东西则是秩序井然的，而且保持其最好的组成状态不变。托勒密害怕地球和地上万物可能因自然的作用在运转中解体，因此他是错了。”
显然，哥白尼既不接受亚里士多德的运动理论，也不接受冲力的运动理论，因为他认为推动者和冲力的作用都是不自然和人为的。他认为沿圆周的旋转和均速运动，是完善的几何球形的自发的和天然的属性，这也就是地球和天体的形式。所以哥白尼并不遵照公认的狄奥尼修斯对亚里士多德－托勒密体系的修正，运用一种天使等级制度来推动天体沿着它们的轨道运转，较高天层的天使指挥那些较低天层的天使。天体有其各自的自发天然运动。莱蒂克斯告诉我们：“如我先前解释过的，我的老师的假设是承认星层是界限。根据他这一假设，每一行星层都依照自然给它指定的运动以均速前进着，而且在完成其周期时并不因较高星层力量的影响而强使速度快慢不均。再者，较大的星层运转较慢，而那些靠近太阳的则运行得较快，因为太阳是运动和光的来源，所以这种情况是完全合理的。”
就这样，一套崭新的天体贵贱观随着哥白尼出现了。处于宇宙边缘的原动天不再是重要的了。处于宇宙的中心的太阳则是诸天的统治者。哥白尼自己写道：“太阳在万物的中心统驭着；在这座最美的神庙里，另外还有什么更好的地点能安置这个发光体，使它能一下子照亮整个宇宙呢？……事实上，太阳是坐在宝座上率领着它周围的星体家族……地球由于太阳而受孕，并通过太阳每年怀胎、结果。我们就是在这种布局里发现世界有一种美妙的和谐，和运行轨道与轨道大小之间的一种经常的和谐关系，而这是无法用别的方式发现的。”
当时亚里士多德派强调处在宇宙边缘的原动者的力量，而哥白尼则尊崇处在宇宙中心的太阳。介入两者之间的则是古萨的尼古拉，他在讨论空间的无限性时，曾主张宇宙的实际情况是“中心和周围合而为一”。可是哥白尼的改革要彻底得多。宇宙的权力不再是由原动者派遣了许多不同等级的天使来执掌，从宇宙边缘到宇宙的中心的地球基地；权力由太阳绝对执掌着，太阳统率着地位大致相等的星体，包括地球，也包括行星在内。它们都同样具有引力和圆周运动。
哥白尼当时感兴趣的是提倡这种新的贵贱观，因为如果他仅仅想要提出一个比较简单的世界体系，很可能后来第谷？布拉赫（Tycho Brahe，公元1546－1601）采用的设计也会被他想到。在第谷的体系里，行星环绕太阳，而太阳和诸行星作为一个整体则环绕处在宇宙中心不动的地球。这样一个体系和哥白尼的设计在数学上是相等的，而且并不引起哥白尼体系所带来的因地动而出现的物理学问题。但是这种设计大部分保持了旧的天体贵贱观，而哥白尼可能是为了这个理由而主张他的日心说。
古怪的是，哥白尼的天体贵贱观和宇宙见解虽则那样新奇，但是在方法上却是保守的。他一生中始终坚持古希腊人的天体运动必然是圆周和均速的运动，因此他的体系虽则比托勒密提倡的体系简单得多，但是和约翰？刻卜勒（Johann Kepler，公元1571－1630）后来创立的体系一比，就显得复杂了。哥白尼用三十四个圆周解释天体的表观运动；和哥白尼相反，刻卜勒只用七个椭圆就解释了。正如刻卜勒说的，哥白尼并没有觉察到他伸手就可以取得的财富。哥白尼知道几个圆合并起来就可以产生椭圆，但是他从来没有用椭圆形来描述天体的轨道。还有，他在少年时，对古代所作的天文观测非常尊敬。有个天文学家维尔纳（J. Werner，公元1468－1528）曾经提出，普尔巴赫和缪勒新近所作的观测，比托勒密作的那些观测要准确些，他就写了一封措辞强烈的信给维尔纳。事实上，这些观测比托勒密的观测要准确到三倍光景。
近代早期天文学上最重要的观测工作，是由第谷？布拉赫进行的，他的那些观测比缪勒作的观测要准确到五十倍光景，几乎达到肉眼观察所能达到的极限。第谷是一个丹麦贵族。丹麦国王腓特烈二世给了他一笔俸金，并把哥本哈根海峡的赫芬岛拨给他进行天文学研究工作。他在岛上造了一座宫堡，一些车间，一个私人印刷厂和一座天文台。他在这里和许许多多的助手从公元1576年到公元1597年一起工作，搜集了大批的准确观测资料。他说没有一个世界体系理论的指导，就无法进行观测，所以他采用了上述的修正过的地心说体系。不过他主要感兴趣的是天文观测，而他擅长的也在这一方面。腓特烈二世逝世后，他的继承者并没有继续对第谷给予资助和支持，所以第谷？布拉赫于公元1599年去布拉格，由奥皇卢道耳夫给了他一份津贴。第二年，年轻的德国天文学家约翰？刻卜勒也来参加他的工作。刻卜勒主要是一个接受哥白尼传统的数学家，父亲是符腾堡的一个陆军军官，母亲是旅馆主人的女儿。刻卜勒在图比根读书，受到图比根大学的天文学教授迈克尔？马斯特林的影响而信奉哥白尼的学说。刻卜勒和第谷？布拉赫在布拉格的合作时间很短，因为第谷在公元1601年就逝世了，死前他把自己所有的天文观测资料都赠给刻卜勒。刻卜勒继续留在布拉格，为他的主子编制星形表，并联系这项工作进行他自己对行星轨道性质的研究。他的《卢道耳夫星行表》于公元1627年问世，比当时通行的星行表都要准确得多，如公元1551年赖恩霍尔德（Reinhold）根据哥白尼学说编制的《普鲁士星行表》和十三世纪根据托勒密体系编制的《阿尔斗索星行表》。这些早先的星行表准确程度都差不多。《卢道耳夫星行表》比以前出版的这些星行表都要准确，因为它根据的是第谷？布拉赫的精确观测，和刻卜勒从这些观测所建立的关于行星轨道的一种新观点。
刻卜勒在宇宙论方面的最早著作《宇宙的神秘》于公元1596年出版，是一部相当带有神秘性质的书。他想在哥白尼体系的行星轨道之间寻找一种数学的和谐，发见五种正多面体正好用来形容行星包括月亮轨道之间的天层。在他获得了第谷的观测资料之后，他的工作就变得更加踏实起来，不过有很长一个时期他为天体运动必然是正圆和均速的而苦恼着。可是他发现这种观念，不论在哥白尼体系里，在托勒密体系里，或者第谷的体系里，都不能以同样准确程度预测第谷所测算到的结果。因此他就放弃这种观念，并试图用别的几何图形来解释。到公元1609年他发现椭圆形完全适合这里的要求，能做出同样准确的预测。行星的运动现在不再是正圆的或均速的了，因为他在公元1609年发表的关于行星运动的两条定律是：（一）每一行星沿一个椭圆轨道环绕太阳，而太阳则处在椭圆的一个焦点中；（二）从太阳到行星所联接的直线在相等时间内扫过同等的面积。九年后，他又发现了第三条定律，即行星绕日一圈时间的平方和行星各自离日的平均距离的立方成正比。
在他于公元1618－1621年间写的《哥白尼天文学概要》中，刻卜勒阐述了天文学的方法，和哥白尼的方法迥然不同。刻卜勒说天文学分五个部分。第一，观测天象；第二，提出解释所观测的表观运动的假说；第三，宇宙论的物理学或形而上学；第四，推算天体过去或未来的方位；第五，有关仪器制造和使用的机械学部分。刻卜勒主张，在第三部分即宇宙论的形而上学里，象行星运动必须是均速和正圆的这样古希腊见解，对于天文学说来，并不是必要的。如果他的假说能容纳在一种形而上学的体系里，那当然很好，如果容纳不了，那就得把这种形而上学体系抛弃掉。刻卜勒说，假说的唯一限制是这些假说必须是合理的，而一条假说的主要目的是“说明现象，及其在日常生活中的用途”。
刻卜勒接受了而且的确发展了哥白尼的天体贵贱观。他也认为太阳是宇宙的统治者，太阳的世界灵魂指挥着行星环绕它们的轨道。刻卜勒觉得太阳是唯一的这样一个天体：“如果至高无上的上帝高兴要一个物质居所，并选择一个地方和他那些有福的天使住在一起的话，在我们看来，只用太阳才配得上上帝居住。”
他认为，整个宇宙就是三位一体的现象和模式。圣父是中心，圣子是环绕中心的星球，而圣灵则是宇宙间的那许多复杂关系。
由于刻卜勒的贡献，太阳系的空间位形终于澄清了，而且根据机械力的动力平衡来阐明天界的模式，这扇门是打开了。这是早期近代科学的伟大成就。古希腊人主要关心的是宇宙的静态模式，运动只是在运动均匀地重现并且描出几何图形时，方才加以研究。由于他们的这些先入之见，古希腊人的世界体系模式始终是复杂的，哥白尼抛弃了一个先入之见，即天与地的质的差别，获得了一个简单得多的体系；刻卜勒把其他许多古希腊先入之见都丢掉，就找到了最简单的世界体系。在这样做时，他们为以地上力学说明天体运动开辟了道路。这个发展，对于古希腊那些主要的学派，就算他们掌握了一种动力科学，也无法想象得出，何况他们当时并不掌握这门科学呢。
[英]梅森
