哥白尼为天文学产生了怎样的影响

哥白尼为天文学产生了怎样的影响

中世纪是个特别“黑暗的时代”。基督教会成了当时封建社会的精神支柱，它建立了一套严格的等级制度，把上帝当做绝对的权威。中世纪的后期，资本主义的萌芽在意大利首先出现。资本主义是商品经济发展的产物，商品经济中的市场行为，都是斟酌思量之后的自愿行为，这就是自由的体现，而所有这些自由的共同前提就是人的自由。因此，陈腐的欧洲需要一场新的提倡人的自由的思想运动。资本主义萌芽的出现也为这场思想运动的兴起提供了可能。随着经济的繁荣，事业成功的新兴资产阶级更加相信个人的价值和力量，更加充满创新进取、冒险求胜的精神，多才多艺、高雅博学之士受到人们的普遍尊重。这为文艺复兴的发生提供了深厚的物质基础和适宜的社会环境。新兴资产阶级认为中世纪文化是一种倒退，而希腊、罗马古典文化则是光明发达的典范，他们力图复兴古典文化，而所谓的“复兴”，其实是一次对知识和精神的空前解放与创造。因此，文艺复兴绝非只是对古典文化遗产的再发现，而是整个世界对自身的重新审视。 1.哥白尼与《天球运行论》几乎毫无疑问，文艺复兴时期在科学领域中发生的最重要变化，是宇宙观的转变。到16世纪结束时，最终占上风的观点显示出一场观念中的革命，这场革命不仅影响了天文学，甚至在哲学和宗教领域也都产生了深刻的反响。真正的变革直到16世纪下半叶才开始，在此之前，天文学只是在缓慢地改进和巩固，很少有新颖的见解。不过，15世纪时库萨的尼古拉斯曾经提出过一些温和的改进意见。他排斥任何关于宇宙中心的看法，因为天空是运动的。他还谴责认为地球位于一切之中心或者地球静止不动的观点。事实上，他相信地球具有虽然没有轨道但却存在显然易见的运动。他还郑重地指出，地球并非唯一有生命存在的所在。很自然的，尼古拉斯的这种纯粹思辨观念不会被大多数天文学家采纳。比他年轻的同时代人乔治·皮尔巴赫则致力于进一步阐释《天文学大全》，制作关于日月食和太阳运动的天文图表，以及撰写一本托勒密天文学的教科书。然而皮尔巴赫的早逝中断了这一研究工作，而对于托勒密天文学的全面审视也被的迫中止，不得不由他的学生约翰尼斯·穆勒（雷吉奥蒙塔努斯）来完成。在1463年之前，雷吉奥蒙塔努斯终于完成了这本称之为《摘要》的书，该书直到1496年才得以出版。该书绝不只是《天文学大全》的一份纲要，因为其中添加了许多新的观测数据，修正了某些计算结果并对托勒密原著提出一些批评性意见，例如，他指出托勒密关于月球运动的理论需要月球直径发生显著的变化，而事实上却并没有观测到这种变化。由此，他指出需要对《天文学大全》进行批评性的修正，并加入一些当时的天文学研究所获得的证据。《摘要》中对托勒密月球理论的批评使人们认识到，托勒密理论并非十全十美，由此也为16世纪天文学领域中的那场伟大革命的到来做了一些准备。而这场革命，是由波兰天文学家尼古拉·哥白尼发动的。哥白尼10岁丧父，由舅父抚养长大。1491年，18岁的哥白尼进入克拉科夫大学学习，在那里他学习了古典名著和数学，并对天文学产生了浓厚兴趣。1496年，23岁的哥白尼来到了文艺复兴的策源地意大利，先后在波仑亚大学和帕多瓦大学攻读法律、医学和神学。波仑亚大学的天文学家德?诺瓦拉对哥白尼影响极大，正是从他那里，哥白尼学到了天文观测技术以及希腊的天文学理论，对希腊自然哲学著作的钻研给了他批判托勒密理论的勇气。1505年，他回到弗劳恩堡大教堂任职。在这里，他进行了大量的天文观测。他所研究的天文学问题是天体的运动。根据《天文学大全》中关于行星运动的几何理论，可以通过计算来预言这些天体将到达的位置，然而从几个世纪以来所积累的数据来看，有足够的理由认为该对托勒密原先的理论进行修正了。哥白尼知道一些古希腊天文学家也曾指出地球的运动，对他而言，一种更为正确的见解，即考虑真正的绝对运动，应该是将太阳置于宇宙的中心，而把地球看做是环绕太阳运动的行星，与其他行星一样。哥白尼采纳这一革命性主张的动机主要是科学性的，但神秘主义可能也是影响因素之一。哥白尼收集了能找到的每个论据来支持自己的论点，因为他在为自己的观点能否被接受而担扰。毕竟，证明地球运动的直接证据极其匮乏。因为如果地球确实在运动，那么恒星的外观位置应该出现视差，但实际上却观测不到这种位移。哥白尼对此的解释是，恒星天球过于遥远而使这一位移难以观测到。其他的反对意见，与古代的种种说法一致，包括运动的地球会受到不停息的大风和浪潮的影响，以及这种运动将把地球摇成碎块。哥白尼也预料到了这些并试图加以驳斥，不过这需要一整套关于运动物体的全新的物理学，这种理论仍然要等到以后才会出现。哥白尼本人并没有使用这种新的运动观念，他只是指出地球环绕太阳进行持续的圆周运动，与其他环绕太阳的行星并无太大分别。哥白尼非常谨慎，他先在朋友中私下征求意见，得到的反响不错。他甚至准备了材料，供教会秘书约翰·韦德曼斯塔特为教皇克莱门特七世和他的主教们做一场讲演。后来，哥白尼被鼓励出版其观点，红衣主教尼古拉斯·冯·勋博格致函哥白尼表达了这一愿望。由于勋博格的信后来被附在《天球运行论》的书前一起出版，可以看出哥白尼对其重视程度。1539年春，维腾堡大学的数学教授乔治·乔吉姆（莱提库斯）的支持使他最终下定决心。哥白尼的书稿完成后，莱提库斯交纽伦堡的出版商出版，并找来一位路德派传教士安德烈斯·奥西安德负责书籍出版的技术监督工作。奥西安德所持的是两个世纪之前由让布里丹所陈述的观点：“对于天文学家来说，一种尽量将现象简化的方式就已足够，不管它是否符合事实”。由于当时哥白尼已成为危险分子并远离纽伦堡，奥西安德自作主张，在没有署名的前言中表达了上述观点，却根本没有告诉作者。因此《天球运行论》的读者就会认为他们所看到的并不是关于宇宙的真实图景，而只是“一种协调观测数据的计算方法”。还在这本著作出版之前，就遭到了路德的强烈指责，认为哥白尼“妄想将整个天文学搅乱”。1543年，哥白尼的不朽著作《天球运行论》一书正式出版。当这本书送到他的手中时，他就与世长辞了。在很大程度上路德是正确的，哥白尼的理论的确将天文学搅乱了，不过从某种意义上说，这是期待已久的事情，17世纪的发展将向我们表明这一点。但是路德的担扰不仅是该理论与对《圣经》经文的字面解释相矛盾的问题，而是另一个更严重的问题：人类和地球从此不再具有宇宙中心的独特地位，而是被贬黜到一个几乎无足轻重的位置。人类不再具有依照上帝形象所创造的独特地位，也不再是万物的中心，而是被放逐到诸多行星中的一颗之上。这立即对人类的自我评价以及人类的自然界中的地位产生了深远的影响。哥白尼革命是一场观念上的革命，是人的宇宙概念以及人与宇宙之关系的概念的一次转型。在文艺复兴思想史上的这一幕，被一再地宣称为西方人思想发展的划时代转向。但这场革命也揭开了天文学研究中许多最晦暗和最隐秘的细节。它何以能够获得如此的重要性？“哥白尼革命”这个词组又意味着什么？1543年，哥白尼提出将以前属于地球的许多天文学功能转移到太阳上来，以提高天文学理论的精确性和简单性。在他的计划提出之前，地球是作为固定的中心，天文学家根据它来测算恒星和诸行星的运动。一个世纪之后，太阳至少在天文学中取代了地球作为行星运动的中心，同时，地球也失去了其独特的天文学地位，成为了众多运动行星中的一员。现代天文学中许多主要的成就都基于这一变换。因此，在库恩看来，天文学的基本概念的变革是哥白尼革命的首要含义。然而，天文学的变革并非这场革命的全部含义。库恩指出，在1543年哥白尼的《天球运行论》出版后，在人类对自然的理解方面另外一些激进的替换紧随其后。这些革新在一个半世纪后牛顿的宇宙概念中达到顶点，而其中许多东西是哥白尼的天文学理论所始料未及的。哥白尼提出地球是运动的，是要努力改进用来预测天体的天文位置的那些技术。对于其他学科来说，他的建议很容易引出新的问题，并且在这些问题被解决之前，天文学家的宇宙概念与其他科学家是不一致的。整个十七世纪，这些其他的科学与哥白尼天文学的调和，是现在被称为科学革命的一般思想骚动的重要原因。经过科学革命，科学赢得了从此在西方社会和西方思想的发展中扮演的新的重大角色。进一步，这些科学上的结果也没有穷尽这场革命的含义。哥白尼生活并工作在一个政治、经济和理智生活急速发展变化的时代，这些变化正为现代的欧美文明奠定基础。他的行星理论和相关的日心宇宙概念有助于中世纪向向现代西方社会的过渡，因为它们看起来影响了人与宇宙、人与上帝的关系。哥白尼的理论是作为对古典天文学专门技术性和高度数学化的修正而被引入的，但却成了宗教、哲学和社会理论中巨大争论的一个焦点，这些争论在美洲被发现后的两个世纪中成为现代精神的要旨。人们相信他们的地球家园仅是盲目地环绕着无限多个恒星之一旋转的一颗行星，从而对自己在宇宙图景中的地位的估价与其先辈相当不同，而前人把地球看成上帝造物的独一无二且处在焦点的中心。因此，哥白尼革命又是西方人价值观转变的一部分。哥白尼是为数不多的一群最早复兴整个希腊化技术性的数理天文学传统的欧洲人之一。这一传统在古代由托勒密的著作推至顶峰。《天球运行论》不仅模仿《天文学大全》，而且它差不多只是针对当时一小群有能力阅读托勒密论著的天文学家。在库恩看来，《天球运行论》正是为解决在哥白尼看来托勒密及其继承者尚未解决的那些行星问题而著。在哥白尼的著作中，地球运动的革命性观念最初只不过是这位熟练而忠实的天文学家试图改良计算行星位置的技巧时一个反常的副产品。这是《天球运行论》中第一个重要的不协调之处：激发哥白尼之革新的目标同革新本身之间的不相称。哥白尼认为，靠地心说解决行星问题希望渺茫。托勒密天文学的传统方法没有也不可能解决这些问题，相反还产生了一个怪物。他断定，在传统行星天文学的基本思想中，一定存在一个根本性的错误。库恩指出，这是首次有一位在技术上胜任的天文学家出于其研究的内在理由而拒绝历史悠久的科学传统，正是对这个技术性错误的内行的了解启动了哥白尼革命。在哥白尼看来，宇宙的规律应该是简明和谐的，天体的轨道可以用简单的几体图形或数学关系表示出来，而托勒密的地心体系太复杂了，它不符合这种要求。其实托勒密也持有简明和谐的信念，主张把行星的复杂运动简化为圆周运动。不过由于他采用地心体系，不得不用本轮和均轮来计算天体运动。在当时的观察所要求的精确度范围内，托勒密的地球中心说用来解释事实是相当成功的。从几何学的观点看来，这个学说的唯一弱点是它的均轮与本轮的繁复性。可是在这学说的后面，有两大支柱：一是常识的感觉，一是亚里士多德的权威。即使如此，托勒密的理论亦经常和实际观测不符：既然地球是不动的中心，日月星辰都绕着地球运动，为什么只有太阳和月亮运动的方向、速度、位置有规律，而别的行星看起来却忽快忽慢，忽东忽西，离地球忽远忽近呢？为了调和这种矛盾，他只好在本轮上再加均轮，像叠罗汉似的不断增加这个体系的复杂程度。到了哥白尼时代，这种本轮加均轮的圆圈数已增加到80多个，且还有继续增加的趋势，这就和简明和谐的原则发生矛盾。在哥白尼看来，大自然的创造者是不会创造那么多圆圈的。哥白尼通过分析行星运动的资料，发现每个行星都有三种共同的周期运动，即周日、周年和相当于“岁差”的周期运动。如果将这三种运动都归为地球的运动，即自转、公转和地轴回旋运动，就可以一下子去掉许多圆。为了地球静止，就得在每个天体上加上这三种圆。也就是说，古人为了建立一种地心体系，而把地球自身的运动加给每个天体，使其宇宙体系不必要地复杂化了。哥白尼心中最重要的问题是：行星（自身不发光而靠反射恒星发光的天体）应该有怎样的运动，才会产生最简单而最和谐的天体几何学。哥白尼认识到他把行星运动的坐标参照系由地球移到恒星上去了。这就牵涉到物理上和数学上的一场革命，而且足以摧毁亚里士多德的物理学与天文学。托勒密认为地球如果在动就会分裂为碎片，哥白尼答辩说，天球如果在运动，分裂的危险更大，因为它的周边更大，因此如果它运转的话，速度一定更快。这是一个物理学推论，但哥白尼看重的是数学的和谐。他恳求数学家接受他的见解，理由是他的体系比托勒密所说的均轮和本轮，即天体围绕地球运行时所遵循的均轮和本轮简单得多。日心说比地心说最明显的优点是它的简洁性，这一点连哥白尼学说的反对者们也是承认的。大小轮子由80多个减少到约34个。此外，哥白尼成功地恢复了毕达哥拉斯主义的理想，正圆运动得以保持，几乎所有的本轮和均轮都沿着同一个方向运行，等距偏心点被取消。哥白尼最终构造的宇宙图景是：最外层是恒星天，它是静止不动的，构成了行星运动的参考背景。最远的行星是土星，其运行周期是30年，以后依次是木星，周期12年；火星，周期2年；地球，周期1年；金星，9个月；最后是水星，80天绕太阳一周。月亮是地球的卫星，它既随地球绕太阳转动，每月又绕地球旋转一周。库恩指出，从纯粹的实践角度看，哥白尼的新行星体系是一个失败；它并不比其托勒密派的前辈更精确，也没有显著的简化。但是从历史上说，这个新的体系却是一个极大的成功；《天球运行论》使哥白尼的一部分继承者坚信，日心天文学掌握了解决行星问题的钥匙，而且这些人最终给出了哥白尼所追求的那种简单而精确的解答。日心天文学家真正的吸引力是审美方面的而不是实用方面的。对天文学家而言，在哥白尼体系和托勒密体系之间最初的抉择纯属偏好问题。不过，就像哥白尼革命本身所表明的，偏好问题并非无足轻重。能够辨认几何上的和谐性，就能感觉出哥白尼日心天文学中新的简洁性和一致性，假如没有看出这种简洁性和一致性，就不会有哥白尼革命了。库恩认为，“《天球运行论》的意义不在于它自己说了什么，而在于它使得别人说了什么。这本书引发了它自己并未宣告的一场革命。它是一个制造革命的文本而不是一个革命性的文本。这样的文本在科学思想史上是相当常见而又格外重要的现象。它们可以说是转变了科学思想的发展方向的文本；一部制造革命的著作既是旧有传统的顶峰，又是未来新传统的源泉。总体上看，《天球运行论》差不多完全位于一个古代天文学和宇宙学的传统之中，但是从它那基本上古典的框架内可以找到一些新鲜的东西，这些东西却以哥白尼未曾预料的方式改变了科学思想的方向，并导致了古代传统迅速而又彻底的崩溃。”科恩则指出，“考虑到哥白尼体系中还有其他一般困难，我们很容易理解，1543年《天球运行论》的出版本身并不构成物理学或天文学思想的一场革命。”除了纯科学的问题，地动观念还对思想构成了严重的挑战。归根结底，人类宁愿认为自己的居所在太空中固定不动，并且被安排在适当的位置，而不是一粒可有可无的微尘，在浩瀚甚至是无限的宇宙中漫无目的地飘荡。亚里士多德赋予地球以独特地位，假想它有一个固定的位置，这使人倍感自豪；而在一个小得可怜、位置无足轻重的行星上，这种自豪感无从谈起。说地球“只不过是另一颗行星”暗示，它甚至不是唯一可居住的星球，这意味着地球人可能并非独一无二。16世纪的大多数人还无法接受这种观念，他们的感官证据加强了这一偏见。科恩指出，“哥白尼新的宇宙体系的成功必定会撼动科学的整个结构和我们的自我认识。哥白尼的著作最终动摇了我们关于宇宙本性和地球的看法，引起了深刻巨变。正因为如此，我们才可以将科学革命的第一步定在1543年。它所提出的问题及其内涵直指物理学和天文学的基础。” 这样，我们可以清楚地看到，物理科学某一部分的变化如何能改变整个科学的面貌。在科恩看来，最能表明科学结构统一性的莫过于这样一个事实，即不论是简单形式还是复杂形式的哥白尼体系，都不能凭借自身站住脚。它需要对当时有关物质本性的观念，行星、太阳、月亮和恒星的本性的观念，以及作用力与运动之关系的观念进行改造。“有句话说得不错，哥白尼的意义与其说在于他所提出的体系，不如说在于他所提出的体系能够在物理学中引发伟大的革命，我们今天把它同伽利略、开普勒和牛顿等人的名字联系在一起。所谓的哥白尼革命实际上是后来伽利略、开普勒和牛顿等人的革命。”

当然是日心说了，颠覆了统治科学界很多年的地心说