哥白尼的《天体运行论》的意义

哥白尼的《天体运行论》的意义哥白尼的《天体运行论》——近代科学的号角关键词：摘要：近代物理学是从哥白尼发表《天体运行论》开始的.《天体运行论》的发表吹响了近代物理学、也是近代科学诞生的号角,吹响了科学挣脱神学束缚的号角.一般物理史学家这样评论哥白尼学说的发表.行星受到太阳的引力是与到太阳的距离平方成反比的,哥白尼学说的历史意义,却是与离开这个学说发表的时间的平方成正比.恩格斯这个评价确切地概括了哥白尼学说的深远历史意义.本文介绍《天体运行论》发表的背景、内容以及它对近代科学的影响.正文：背景：古希腊人,同中国和其他古文明发源地的人一样,早就注意到了天空繁星的运行情况,有几颗星的运行轨道相当复杂,但有一定的规律性.它们被称为行星,意思是游荡者.古希腊的唯心主义哲学家柏拉图提出了著名的柏拉图问题:用什么样的匀速圆周运动的组合才能拯救行星运动不规则的观察现象.匀速圆周运动在当时被认为是最完美的运动,匀速圆周运动后来被称为柏拉图公理.但这个公理是先验的、不是来自观察,而是来自毕达哥拉斯思辩的哲学.匀速圆周运动的组合要符合天文学观察的数据,所以这个问题又称为拯救现象.古希腊人对柏拉图问题给出各种各样的解释.从体系上讲主要是地心说,但也有阿利斯塔克的日心说,还有太阳、月亮绕地球转,行星绕太阳转的学说.总之,几乎后人所能想到的一切体系,古希腊人都想到了.托勒密在公元2世纪建立了托勒密的地心说体系,直到哥白尼重建日心说体系,这个体系在西方一直占统治地位.托勒密的地心体系在具体结构上用的是均轮—本轮、偏心点、偏心等距点结构.公元前3世纪波罗尼阿斯建立均轮—本轮结构;公元前2世纪希柏拉斯加进偏心点;偏心等距点是托勒密的首创.托勒密结构描述如下:地球是静止不动的,天体绕地球运转.地球以外的顺序是月亮、水星、金星、太阳、火星、木星、土星,最后是恒星天体.对行星的运行描述如图1所示:以O为圆心作一个大圆,称为均轮,地球并不位于大圆的圆心O,而在偏心点E.与E点相对找到一个对称点C,C点称为偏心等距点.在大圆上有一点P,以P点为圆心作一小圆,称为本轮.行星Q在小圆上作匀速圆周运动,P点在大圆上作绕C点的匀角速运动.如果这样的描述还不精确,可以在本轮上加二级本轮.由于托勒密体系产生于阿利斯塔克的日心说之后,托勒密本人对日心说进行了批驳.托勒密的批驳是建筑在亚里士多德物理学基础上的.根据亚里士多德物理学,一个物体不受力就处于静止状态,物体运动就要受到一个同速度成正比的力.在日心说,地球是动的,有绕日运行和自转.而地球上的物体和人由于不受力,就只能是静止的.这样物体和人相对地球就有一个相对运动,因有这个相对运动人就要飞出去.但这不符合观察的事实.另外一个是视差运动,如果地球绕太阳运转,每半年地球就在两个相距很远的地方,我们就会因恒星的远近能看到视差,但这个视差从来没有被观察到.第三个是让笨重的地球运动非常困难.由于人类生活在地球上,地心说同人们日常观察的现象接近.在文明刚开始阶段,从认识论讲,开始人们容易接受地心说是可以理解的.自然界早于人类,人类早于自然科学.文明刚开始时,人类面对的是复杂的自然界,在对自然界的认识过程中,人类犯这样、那样的错误是可以理解的.但托勒密体系所以能在西方统治一千多年,同基督教会不无关系.错误的地心说同基督教义符合.由于教会势力占统治地位,在后来的一千多年里,科学变成了神学的婢女,判断自然科学真理的标准不是科学实验,而是《.》的言论和经过修改的权威的错误言论.虽然教会的势力在一个时期可以改变自然科学真理的标准,但教会没有能力改变天体运行的规律,任何权势也没有这个能力,并且任何权势的寿命也不可能比自然科学规律的寿命更长.天文学不仅同农业生产、航海等生产活动有关,而且同占星术、宗教活动有关.人们对天体的观察是不断进步的,随着对天体观察精度的提高,为了修正托勒密体系,人们不得不加进二级本轮,这样体系就变得非常复杂.到哥白尼发表《天体运行论》时,修改后的托勒密体系需要八十多个圆.这同当时信奉的简单性不符合.有人就讲,如果上帝创世时同他商量一下,就不会造得这样复杂.另外,天文误差有积累效应,宗教也需要新的历法.此外,由于资产阶级的兴起,文艺复兴,宗教改革,教会的势力被削弱.科学的革命是早晚之事,改革旧天文学就成了突破口.哥白尼的《天体运行论》哥白尼是一个天主教徒,而且是一个神父.他除了履行他的神职外,还为教区的人治病,这有利于他的神职事业,此外,他研究他喜爱的天文学.哥白尼建立新天文学思想的出发点很难说出于革新,可能是为了追求真理或实用,但无论如何,他是从力图消除托勒密的变革,去掉偏心等距点,回到柏拉图问题的解开始的.在托勒密体系中,P点绕C点作匀角速运动,它的运行的轨迹虽然仍是个圆,但不是匀速圆周运动.这显然违背了柏拉图公理,或者说托勒密体系根本就不是柏拉图问题的解.哥白尼在《天体运行论》一书发表前写的《纲要》一文,就是从攻击托勒密的偏心等距点开始的:“??托勒密和其他大多数天文学家的行星理论,虽然与数据符合??看来还是遇到不少困难.因为这些理论是不充分的.除非再引用偏心等距点的概念.而这样一来,行星就既不是在它们的均轮上,也不是绕本轮的中心作匀速圆周运动了.因此这样一类体系似乎就既不是完全绝对的,也不能充分令人满意.”在《天体运行论》中,哥白尼详细介绍了自己的体系,这个体系包括太阳不动,行星绕日运行,地球的自转,月亮是地球的卫星等,大家都已经知道了.在描述行星运行结构上,哥白尼用了均轮—本轮和偏心点结构,那个令他讨厌的偏心等距点被放弃了.由于托勒密对日心说的批驳,哥白尼在重建日心说体系时,就不得不对托勒密的批驳进行反批驳.对托勒密批驳的第一点,哥白尼企图建立惯性定律,但没有成功.对第二点,哥白尼以恒星离得非常远进行反批驳.但毕达哥拉斯“数的和谐”在当时,以及后来,人的思维中占有非常重要的位置.因为有限长的弦才能有分离的共振频率,并且共振频率的比为有理数.这种和谐思想要求一个有限宇宙.对第三点,哥白尼说让巨大的天体运动更困难.今天看这非常合理,但当时则非常无力,因天体是以太组成的.总的看来,哥白尼学说在物理学方面并不占优势.哥白尼在另外一个方面的批驳在当时却显得相当有力.根据亚里士多德的物理学,地球是由卑贱的土、水、气、火四元素组成的,而天体则是由高贵的以太组成的,地心说要求卑贱的地球不动,高贵的、永恒的天体绕地球旋转,而这同亚里士多德的“贵静贱动”的哲学思想相矛盾.哥白尼学说同托勒密学说相比在天文学上处于明显优势.首先是简化了:今天用相对运动考虑,对地心说,必须将地球的绕日运动和自转分别加在所有的行星上.这样,在相同的精度下,其数学描述必然复杂.第二是和谐了:在日心说中,水星和金星比地球离太阳近,但在地心说中,水星、金星和太阳哪个离地球近是不可能决定的.另外,在日心说中,行星运行的周期同行星到太阳的距离有一个单调增加的关系.这个关系后来被开普勒发现,并用数学表示出来.哥白尼体系把宇宙的原动力从宇宙的边缘移用到了宇宙的中心,在托勒密体系中,原动力在最外层,有一个“不动的原动者”在推动恒星天球运转.这个“不动的原动者”就是亚里士多德的神,基督教的上帝.哥白尼将原动力改为了太阳,“太阳是坐在宝座上率领着它周围的星体家族”.开普勒甚至将太阳、行星以及周围的空间比作基督教三位一体的圣父、圣子和圣灵.哥白尼的学说在神学上处于劣势,这一点是明显的.虽然哥白尼是一个虔诚的天主教徒,一个有相当地位的神父.但他也明白他的学说在神学上得不到支持.他将自己的学说压了四个九年才出版,在临死时只用手摸了一下新出版的《天体运行论》就离开了人间.哥白尼学说一出版,就立即遭到新教头头马丁·路德和加尔文的恶毒攻击.路德还引用《.》进行反驳:“这个白痴竟想把我们的全部天文学推翻,但《.》中明明写着,约书亚喝令不动的是地球而不是太阳”.历史证明,新教在压制、迫害科学方面一点也不亚于旧教.哥白尼学说的历史意义如果说通常一个学说的历史意义在于它的成功之处,在于它的优势;那哥白尼学说的历史意义却主要表现在它的劣势,表现在后人为了捍卫这个学说,克服它的劣势而作的努力和取得的进展.首先,也是最大的:哥白尼学说开始了科学反对神学束缚、争取自由的斗争,而斗争的焦点就是判断自然科学真理的标准.如果坚持《.》中天启真理是判断科学真理的标准,如前面所说的,以及后来天主教宗教裁判法庭给伽利略定罪时所讲的,自然科学永远不会发展,哥白尼的日心说永远不会得到承认.哥白尼的《天体运行论》吹响了科学挣脱神学束缚的号角,科学要发展,就必须首先将判断自然科学真理的标准建立在科学实验的基础上,而不是任何宗教、政权或学术权威的权势.这个标准我们今天接受是那样的自然、容易.以致很多人忘记了近代科学的先驱们为了将错误的标准颠倒过来,曾经受审、被监禁,甚至为科学而殉道.第二个意义是为了维护哥白尼的日心说,还必须向亚里士多德错误的宇宙体系,包括他的物理学宣战,建立新的物理学体系.近代物理学开始时的几乎每一个新概念都是从批判亚里士多德开始的,在捍卫哥白尼日心说过程中伽利略等人开创了近代科学.哥白尼日心说对当时宗教神学的影响有两种不同的看法.有些物理史学家认为:哥白尼的体系把地球从宇宙的中心降到普通行星的地位;另一种则认为:哥白尼的学说恢复了地球作为一个行星的公民权.后一种说法显然认为是提高了地球地位.在亚里士多德物理学中,宇宙的中心并不是什么神圣的地方,而是卑贱的元素聚集之处.甚至可以说人们生活之处离地狱非常近,而离天堂非常遥远.在哥白尼时代,亚里士多德的学说已经变成了基督教正统的理论基础.在一些有教养的基督徒看来,可能哥白尼学说提高了地球地位.普通基督徒并不了解亚里士多德学说,他们也有可能认为哥白尼的学说降低了地球的特殊地位.但有一点影响对有教养和普通基督徒是相同的:《.》不可能教导人们认识天体的运行,天体运行规律同神父们过去按《.》教义讲的不一样.《.》的天启真理是什么?是真的吗?哥白尼的学说使一些人对《.》开始理性的思考.哥白尼无疑是伟大的天文学家,近代物理学的先驱.但是,如果没有后人为日心说所作的奋斗,哥白尼很可能变成另一个阿利斯塔克.一个科学家所以能成为历史人物,不仅要靠他本人的努力,靠前人为他作的各种准备,还要靠后人在他开辟的方向上继续前进.从时代变化来看十五、六世纪的欧洲，正是从封建.向资本主义.转变的关键时期，在这一二百年间，.发生了巨大的变化。14世纪以前的欧洲，到处是四分五裂的小城邦。后来，随着城市工商业的兴起，特别是采矿和冶金业的发展，涌现了许多新兴的大城市，小城邦有了联合起来组成国家的趋势。到15世纪末叶，在许多国家里都出现了基本上是.集权的君主政体。当时的波兰不仅有像克拉科夫、波兹南这样的大城市，也有许多手工业兴盛的城市。1526年归并于波兰的华沙已成为一个重要的商业、政治、文化和地理的中心，在16世纪末成了波兰国家的首都。与这种政治经济变革相适应，文化、科学上也开始有所反映。当时，欧洲是“政教合一”，罗马教廷控制了许多国家，.被宣布为至高无上的真理，凡是违背.的学说，都被斥为“异端邪说”，凡是反对神权统治的人，都被处以火刑。新兴的资产阶级为自己的生存和发展，掀起了一场反对封建制度和教会迷信思想的斗争，出现了人文主义的思潮。他们使用的战斗武器，就是未被神学染污的古希腊的哲学、科学和文艺。这就是震撼欧洲的文艺复兴运动。文艺复兴首先发生于意大利，很快就扩大到波兰及欧洲其他国家。与此同时，商业的活跃也促进了对外贸易的发展。在“黄金”这个符咒的驱使下，许多欧洲冒险者远航非洲、印度及整个远东地区。远洋航行需要丰富的天文和地理知识，从实际中积累起来的观测资料，使人们感到当时流行的“地静天动”的宇宙学说值得怀疑，这就要求人们进一步去探索宇宙的秘密，从而推进了天文学和地理学的发展。1492年，意大利著名的航海家哥伦布发现新大陆，麦哲伦和他的同伴绕地球一周，证明地球是圆形的，使人们开始真正认识地球。向神学宣战作为现代天文学先驱的哥白尼,其历史功绩在于他以披荆斩棘的革命胆识,在他的《天体运行论》中确认了