□ 葛云保

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誰見過地球繞著太陽轉（三）

□ 葛云保

把太陽放到宇宙中心

托勒密體系自誕生以后，獨步千年沒有遇到過真正的挑戰(zhàn)，它的確有非常成功的地方，但它暴露出的問題也很明顯，對它的質疑從未停止，這些質疑推動后來的天文學家去修補它、完善它，或者徹底改變它。

從13世紀末開始，到16世紀盛行于歐洲的文藝復興運動，大大解放了人們的思想，有力地推動了文學藝術及科學的發(fā)展。14世紀末15世紀初，在地中海沿岸的一些城市出現(xiàn)了資本主義的萌芽，社會更加推崇創(chuàng)新進取、冒險求勝的精神，知識與才藝受到人們的普遍尊重。1492年新大陸的發(fā)現(xiàn)大大開拓了歐洲人的視野。1519年9月麥哲倫船隊往西航行，歷經(jīng)千辛萬苦，于1522年9月返回了西班牙，大地是球形的假說在歷經(jīng)兩千年后，得到了最有力的證明。

正是在這樣的背景下，1543年，《天體運行論》出版，一個新的宇宙體系誕生了，創(chuàng)立這一全新體系的就是波蘭天文學家哥白尼（Copernicus）（圖1）。

哥白尼認為，地球與天穹相比，不過是極其微小的一個小點，如果是地球靜止而天球在轉，天球上的無數(shù)恒星將要以無法想象的速度每天繞地球一圈，比地球表面上所有物體的運動速度快上無窮倍，那太不可思議了，所以地球自轉比天球繞地球轉更合理。

哥白尼說，行星看起來有時亮有時暗，說明它們離我們有時近有時遠，這件事實確鑿地證明它們軌道的中心并非地心。金星和水星顯然是以太陽為中心旋轉的，另外三顆行星，土星、木星與火星，它們和太陽相沖時離地球最近，當這三顆行星看起來在太陽附近時離地球最遠，這足以說明它們的中心不是地球而是太陽。那么地球也很可能是在繞太陽運動。

于是哥白尼說：“靜居在宇宙中心處的是太陽。在這個最美麗的殿堂里，它能同時照耀一切。難道還有誰能把這盞明燈放到另一個、更好的位置上嗎？”

圖1 哥白尼的太陽中心模型

離太陽最近的是水星，然后是金星，在第三位的就是地球以及繞地球旋轉的月球，再往外依次是火星、木星和土星。“在一切看得見的物體中，恒星天球是最高的了。我想，這是誰也不會懷疑的?！?/p>

這就是哥白尼體系，一個全新的宇宙體系，一個挑戰(zhàn)人們的直覺，挑戰(zhàn)傳統(tǒng)，挑戰(zhàn)宗教的體系。這樣的體系會有人相信嗎？有人敢相信嗎？

哥白尼知道人們會質疑他的理論，對此，他在書中盡可能地做出回應。為什么人們感覺不到地球在運動呢？哥白尼說，“當船舶靜靜地行駛，船員們從外界每件事物都可看到船的運動的反映。而在另一方面，他們可以設想自己和船上一切東西都靜止不動。”為什么天文學家們從來都沒有觀測到恒星的視差呢？哥白尼的回答和1700多年前的阿里斯塔克斯幾乎一樣：“地球與宇宙中心的距離和恒星天球的距離相比是微不足道的”，恒星“非常遙遠，以致周年運動的天球及其反映都在我們的眼前消失了”（圖2）。

說實話，哥白尼的辯解不能說是很有新意很有力量，而更大的問題還有，為了處理天體運行速度的非勻速性，以及天體與軌道中心距離的變化，堅信天體是在正圓形軌道上勻速運行的哥白尼，也不得不保留托勒密的本輪，用哥白尼體系測算天體位置，和托勒密體系一樣復雜，在精確度上面也沒有什么提高。

一個新的體系卻有這么多缺憾，按理說就不會有人相信了，但為什么還有人用畢生的精力去完善它，有人敢于冒被教會迫害的風險去宣傳它，為它提供新的佐證呢？

1 井然有序

在哥白尼體系中，地球這個相對很小的天體圍繞太陽這個相對很大的天體旋轉，顯然更合乎常理。由于地球在繞日旋轉的同時，每天自轉一周，日、月、行星每天跟隨恒星天球由東往西旋轉，但又在由西往東反向運動，這個問題就不存在了，所有的行星（包括地球）都圍繞太陽按相同的方向運轉，統(tǒng)一、和諧、簡潔。

在哥白尼體系中，行星按照它們圍繞太陽旋轉的周期，由快到慢，從里往外排列，依次是水星、金星、地球、火星、木星及土星，這個順序，和經(jīng)過測算得出的各行星軌道半徑的大小順序完全一致，水星、金星的位置歷經(jīng)數(shù)千年的探索終于被確定下來。“我們從這種排列中發(fā)現(xiàn)宇宙具有令人驚異的對稱性及天球的運動和大小的已經(jīng)確定的和諧聯(lián)系，而這是用其他方法辦不到的?！?/p>

圖2 恒星視差

圖3 行星逆行的解釋

2 自然、簡單地解釋天象

行星的逆行歷來是困擾天文學家的首要難題，所有的宇宙模型都必須接受它的檢驗。哥白尼的解釋非常簡單：包括地球在內的六顆行星都圍繞太陽在旋轉，越靠近太陽的行星，運動得越快，于是內圈的行星會一次又一次地超越外圈的行星，就在超越前后的那一小段時間內，站在內圈的行星上看外圈的行星（或者站在外圈的行星上看內圈的行星也一樣），外圈（或內圈）的行星相對于遙遠的恒星天球就出現(xiàn)了逆行（圖3）。

哥白尼體系也很好地解釋了為什么行星相鄰兩次回到黃道帶上同一位置的時間間隔會有較大波動。實際上，外行星的運動周期是固定的，只是因為我們站在運動著的地球上“看上去如此”而已。

在托勒密體系中，五大行星被分為兩類：土星、木星和火星是一類，而金星、水星則是另一類，為什么呢？托勒密無法回答。這在哥白尼體系下是一個很好解釋的問題。因為土星、木星和火星的繞日軌道在地球繞日軌道外面，它們和太陽的角距離不受限制，而金星、水星的繞日軌道在地球繞日軌道里面，在地球上看，它們就只能在太陽左右運動。所謂“兩類行星”的區(qū)別，僅在于此，沒有絲毫神秘之處。

自托勒密體系創(chuàng)立以來，歷經(jīng)一千三百多年，現(xiàn)在終于遇到了真正的挑戰(zhàn)！

從純粹實踐角度看，哥白尼的新行星體系是一個失??；它并不比其托勒密派的前輩更精確，也沒有顯著的簡化。但是當你從另一個角度去看它的時候，你會發(fā)現(xiàn)它的和諧、統(tǒng)一、自然和簡潔，哥白尼體系的生命力正是從這些地方體現(xiàn)出來的。因此，哥白尼體系逐漸地征服了越來越多的天文學家和哲學家。

誰見過地球繞著太陽轉？

《天體運行論》的出版并沒有想象中的那樣引起多大轟動，但它的影響是顯而易見的，哥白尼死后50年間寫作的許多高等天文學教本都稱他為“第二個托勒密”或“我們時代的巨匠”。有越來越多的天文學家或對天文感興趣的人閱讀《天體運行論》，并逐漸由一個相信托勒密體系的人轉變?yōu)橐粋€相信哥白尼體系的人。

在哥白尼逝世后的一個多世紀里，偉大的科學家相繼出現(xiàn)，他們勇敢地捍衛(wèi)、傳播、完善哥白尼體系，將這一體系向前推進，最終取得了完全的勝利。

1564年，伽利略（Galilei）出生在意大利的比薩，1581年他進比薩大學學醫(yī)，但他的主要興趣卻在數(shù)學和物理上面。1609年夏，聽說一個荷蘭人發(fā)明了供人玩賞的望遠鏡，伽利略非常興奮，他動手為自己制造一個這樣的儀器。1609年末，伽利略將他制作的望遠鏡指向了天空，他發(fā)現(xiàn)月球表面的凹凸不平，有高山也有平原，還有無數(shù)像火山口那樣的環(huán)形山；他觀測恒星，發(fā)現(xiàn)它們比用肉眼觀測時亮得多，而且增加了許許多多原來看不到的恒星；1610年1月7日，伽利略發(fā)現(xiàn)了木星有四顆環(huán)繞的衛(wèi)星；1610年8月，伽利略觀測金星，發(fā)現(xiàn)了金星有如同月亮一樣的盈虧現(xiàn)象；1610年末，他又觀測太陽，發(fā)現(xiàn)了太陽上的黑子，并根據(jù)黑子移動的規(guī)律測算出太陽自轉的周期為25天。

伽利略的發(fā)現(xiàn)，并沒有提供地球圍繞太陽旋轉的直接證據(jù)，但所有的發(fā)現(xiàn)都是對哥白尼體系的有力支持。月球表面的凹凸不平、太陽的黑子都證明亞里士多德關于“天地有別”和“天體是完美無缺的”等有關論斷是錯誤的，天與地沒有界限，地球也是天體之一的觀點是正確的；望遠鏡增加了天空恒星的數(shù)目，但并沒有增大它們的表現(xiàn)尺寸，這證明了恒星離我們地球正像哥白尼預言的那樣無比遙遠；木星有四顆環(huán)繞的衛(wèi)星被發(fā)現(xiàn)，證明天體并非必須圍繞地球旋轉，地球并不是唯一一顆帶著衛(wèi)星的行星；太陽的自轉無疑也提示我們，那么巨大的太陽都在自轉，地球不是也完全可以自轉嗎？金星盈虧現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)更是給了托勒密體系沉重一擊，證明了金星確實像哥白尼體系描繪的那樣在圍繞太陽旋轉（圖4）。

1632年，伽利略發(fā)表了《關于托勒密和哥白尼兩大世界體系對話》一書，在書中，他通過三個人物的對話，回應了幾乎所有對于哥白尼體系的非難與質疑，贊頌、捍衛(wèi)、傳播了哥白尼體系。

《關于托勒密和哥白尼兩大世界體系對話》的出版，引起很大的反響，哥白尼體系為更多的人所了解、接受。但該書也遭到了教會的強烈反對，書出版不久，羅馬宗教裁判所便勒令停止出售，并發(fā)出審判伽利略的傳令。在巨大的壓力下，伽利略宣布放棄哥白尼學說換取宗教裁判所的“寬恕”，免予火刑，被判終身監(jiān)禁。人們傳說，伽利略在聽完審判時口中喃喃自語：“地球仍在轉動”。

比伽利略小七歲的德國天文學家開普勒，一生都致力于行星的真實軌道及其數(shù)學規(guī)律的研究，1601年他的老師第谷.布拉赫（Tycho）因病去世，這位被稱為“星學之王”的天文觀測家把他畢生積累的大量精確的觀測資料全部留給了開普勒。歷經(jīng)數(shù)十年的不懈努力，開普勒極其出色地完成了自己的歷史使命。

1609年，開普勒發(fā)表了《新天文學》一書和《論火星運動》一文，公布了兩個著名的定律，即行星運動第一和第二定律。①行星在橢圓的軌道上運轉，太陽位于橢圓的一個焦點上。②在同樣的時間里，行星向徑在其軌道平面上掃過的面積相等（圖5）。

圖4 金星盈虧，左圖，金星在日地間旋轉；右圖，金星繞日旋轉。

圖5 開普勒第二定律

當橢圓軌道取代了托勒密體系和哥白尼體系共有的基本圓形軌道以后，當?shù)让娣e定律取代了圓周上的勻速運動以后，所有這些偏心圓、本輪、偏心勻速點及其他特設性裝置，都不再需要了。原先的哥白尼體系還只是在對宇宙的定性描述上是簡潔的，而在定量的細節(jié)的描述上依然很臃腫，如今經(jīng)過開普勒的改造，哥白尼體系才真正變得簡潔、和諧。因此，現(xiàn)代科學繼承的哥白尼天文學體系是開普勒和哥白尼相結合的產物。

數(shù)年后，經(jīng)歷了無數(shù)次的試算，開普勒找到了行星運動的第三定律：行星公轉周期的平方與它同太陽的距離的立方成正比。

行星運動三大定律是建立在哥白尼體系的基礎之上的，在所有的地心體系之上是不存在如此美妙的規(guī)律的。

英國偉大的科學家牛頓（Newton）總結了那個時代在力學和天文學方面一系列的重大發(fā)現(xiàn)，在伽利略和開普勒等科學家工作的基礎上，通過自己的實踐和研究，采用數(shù)學分析的方法，整理出了系統(tǒng)的理論，建立了牛頓力學體系。

1687年，牛頓的《自然哲學的數(shù)學原理》一書問世，在這部偉大的作品中，牛頓闡述了他的三大運動定律和萬有引力定律。從這些定律出發(fā)，牛頓解釋了月亮為什么沿著圓形軌道圍繞地球旋轉，行星為什么會圍繞太陽旋轉（圖6）。牛頓把地上的運動定律推廣到天上，證明自然界定律對整個宇宙來說都是有效的，世界具有物質的統(tǒng)一性。

牛頓證明了一系列與開普勒定律有關的命題，也可以說牛頓推導出了這些命題。牛頓從力學角度得出的這些抽象結果可以應用于太陽系，從而得出太陽系天體運動的真實規(guī)律，直到這個時候為止，人們才不再懷疑由開普勒所研究得出的行星運動的三定律，直到這個時候為止，人們才理解了彗星那看似奇怪的軌道，彗星也被納入了統(tǒng)一的體系。

牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力，人們終于真正明白了地球“那一邊”的人為什么不會“掉下去”，地球表面的物體為什么不會在高速運動中被拋出去。當對天體運動中力的作用的研究成為天文學的一部分的時候，哥白尼學說就變得更有說服力了。哥白尼的天文學第一次在物理學和宇宙論上都成為可信的，地球和宇宙中其他物體的關系再一次被規(guī)定，對行星地球概念最后的有實質意義的反對才消失了。

盡管理論已經(jīng)很具說服力，但天文學家們依然希望找到直接的證據(jù)，無可辯駁的證據(jù)，他們堅信這樣的證據(jù)一定是存在的，隨著科學技術的發(fā)展，一些重要的證據(jù)被相繼發(fā)現(xiàn)了。

十八世紀三十年代，英國天文學家、格林尼治天文臺臺長布拉德雷（James Bradley）在尋找恒星視差的過程中，發(fā)現(xiàn)天龍座r星（中文名天棓四）在通過望遠鏡中心的南北標線的時候，會有微小的移動，由北往南，再由南往北，移動的周期是一年，他把這稱為“光行差”，光行差是指在同一瞬間，運動中的觀測者所觀測到的天體視方向與靜止的觀測者所觀測到天體的真方向之差。光行差的意外發(fā)現(xiàn)提供了地球在繞太陽運動的另一個證明。

比牛頓小14歲的哈雷，以及其后的克雷洛、梅西葉，運用牛頓定律，準確預測哈雷彗星的回歸，并于1759年觀測到這顆彗星，牛頓的理論在公眾中贏得了最廣泛的勝利，這同時也是哥白尼體系的勝利。

十九世紀四十年代，天文學家利用精度越來越高的天文儀器，相繼觀測到天琴座α（織女）星、天鵝座61星以及半人馬座α星（南門二）的周年視差。恒星周年視差的發(fā)現(xiàn)是天文學史上的一項卓越成果，它是地球運動最為有力的證明。恒星的周年視差是如此之小，它說明恒星離我們確實極其遙遠，而這也正是哥白尼當年預見到的。

圖6 牛頓的理想實驗

1781年，英國的一位風琴彈奏家兼業(yè)余天文愛好者威廉.赫歇爾用自制的反射式望遠鏡發(fā)現(xiàn)了天王星。天王星的軌道特性很快就被計算出來了，但是真實的天王星卻多次偏離它的預期軌道，這讓天文學家們很困惑，經(jīng)過種種假設與質疑，人們產生了一種共識：天王星的反常行為應該是受到一顆未被發(fā)現(xiàn)的行星的作用的結果。在茫茫星海中要想找到這顆星星，極其困難。天文學家更傾向于根據(jù)天王星提供的線索，在哥白尼體系的框架內，運用牛頓的力學理論，來推算出這顆行星的位置。為此，英國劍橋的畢業(yè)生亞當斯和法國巴黎天文臺的勒威耶幾乎同時而又各自獨立地進行了復雜困難的計算，給出了這顆行星相對精確的位置。柏林天文臺的伽列，根據(jù)勒威耶提供的位置，果然發(fā)現(xiàn)了它。這一發(fā)現(xiàn)轟動了世界，這是科學史上的偉大奇跡，是科學理論偉大預見力的絕好例證，也是哥白尼——牛頓學說的一次無與倫比的偉大勝利。天文學家把這個太陽系的第八個行星命名為海王星。

恩格斯說：“哥白尼的太陽系學說有300年之久一直是一種假說，這個假說盡管有百分之九十九、百分之九十九點九、百分之九十九點九九的可靠性，但畢竟是一種假說；而當勒威耶從這個太陽系學說所提供的數(shù)據(jù)，不僅推算出一定還存在一個尚未知道的行星，而且還推算出這個行星在太空中的位置的時候，當后來伽列確實發(fā)現(xiàn)了這個行星的時候，哥白尼的學說就被證實了?！?/p>

（作者根據(jù)本人著作《誰見過地球繞著太陽轉》（科學出版社）改縮寫而成）（責任編輯 張長喜）