中国科普大奖图书典藏书系科学十大突破

　　《科学十大突破/中国科普大奖图书典藏书系》：　　从地心说到日心说　　哥白尼1473年生于波兰的托伦城，18岁时到了克拉科夫大学学习，毕业后在其舅父的推荐下做了一名僧侣。后来他又去意大利学习了几年，回去后在弗劳恩堡大教堂担任神甫一直到去世。在弗劳恩堡的时候他进行过一些天文观测，但那不是他的专长。1514年关于《天体运行论》的初稿已经完成，但由于担心与宗教观点的冲突，直到他临死前的那天才付梓送到他手上。这《科学十大突破/中国科普大奖图书典藏书系》在科学史上是不朽的，它主要的功绩在于把地球从宇宙的中心降为了一颗普通的行星，而把太阳置于中心让它在那里照耀着众行星。早在公元前3世纪，古希腊时的阿里斯塔克就曾提出日心说。在他的体系中，地球与其他行星绕太阳运转。这在宏观上与哥白尼的日心说完全一致，至于哥白尼本人受了他多大影响就很难说清楚了。阿里斯塔克的日心说在古希腊埋没的原因主要是无法解释重物垂直下落与恒星视差的责难。后来这两个问题同样成了对付哥白尼理论的撒手锏，但毕竟时代不同了——倒不是说哥白尼本人很好地应对了它们，而是说哥白尼的理论因为在其他方面的成功而暂时站住了脚跟，紧接着他的后继者们站在他的肩膀上，清除了前进道路上的这两块顽疾。前面我们说过，大快人心的时候已经是19世纪了。　　就科学史的事实而言，日心说战胜或者说取代地心说并不一帆风顺。就在16世纪丹麦的第谷曾提出一种介于日心说与地心说的模型：众行星围绕太阳旋转，而太阳围绕着地球在转。下面就要介绍日心说胜过地心说的地方在哪里，在面对那两个烫手的山芋时，哥白尼的后继者们是如何化险为夷的。　　说到日心说与地心说的比较，有的书上无视日心说在几个关键现象的解释上优于地心说的事实，总纠缠于在精致的日心说中哥白尼并未放弃行星的本轮轨道而喋喋不休，好像日心说的胜利是上帝偶然的慈悲或者突发的恩赐。我们先看在简化的日心体系中对行星逆行的解释。　　下左图是简化的日心体系，太阳固定在宇宙的中心，从内到外依次是水星、金星、地球、月球、火星、木星、土星绕太阳运转。在哥白尼的日心体系中，行星围绕太阳的周期不同，距离太阳越远的，运行周期也越长。这里以地球与某地外行星为例，如下右图，当地球从A运行到E时，地外行星P则从α运行到e，其中地球在A时看到地外行星P在恒星天上的位置是1，以此类推，因此可以发现行星在6到d之间发生了逆行，反映在恒星天上就是从2到4发生了逆行。如果你能再回想下前面给出的那个操场跑道的例子，与这里的情形完全一样。如果你对比一下在托勒密本轮一均轮模型中那种烦琐的解释，就会发现哥白尼日心说的解释简明得多。　　还有一点，记不记得前面说过的在托勒密的体系中，水星与金星的本轮中心永远固定在日地连线上，以此去解释水星和金星一直在太阳附近的现象？但对于日心说而言，这无非是水星与金星是地内行星的缘故，由于它们的轨道圆（事实上是椭圆，但这是后来开普勒发现的）在地球的轨道内部，所以看上去永远不会偏离太阳很远，而且哥白尼还能够计算出它们各自对太阳的*大张角。此外，日心体系已经得出了行星与太阳之间的距离关系，除了土星的数据误差稍大外，其余的数据与现代值都很接近。总之，日心体系只需要用行星自身的自转运动与绕太阳的公转就可以很好地解释观测到的天象，这是远远胜过托勒密的地方。　　如果要说哥白尼体系*遗憾的地方，自然是他还没有放弃行星运动的圆轨道。这不应该指责他，不是他没有，而是那时他还没有改变的能力。古希腊拯救现象的信条依然统治着他的思想。在他看来，托勒密体系中引入我们前面谈到的那个对分圆是对拯救现象准则的一种违背，而他就是要把这种违背回归到匀速圆周运动。因此，就如那些常常抱怨精致的日心体系并不如地心体系简单得多的人而言，哥白尼为了更精确地解释行星运动，他不得不重新用到了本轮那样的机制。这样是不是把你搞糊涂了，到底日心说好在哪里，你可以这样去理解它？日心说在解释诸如行星逆行等问题上要比地心说简单、自然，但是为了解释行星更复杂的运动，日心说几乎与地心说一样繁杂。　　特别要指出的是，日心说当时面临的主要责难与古希腊阿里斯塔克当时面临的问题完全一致，仍然是重物下落与恒星视差。前面对这两个问题只是提及了一下，这里解释下它们是必要的，因为下面的内容与它们密切相关。　　所谓重物下落的责难是说，如果地球有自传（自西向东），那么垂直上抛的物体为什么还能落到原地，而不是落到抛出点的西边？因为在物体上抛运动的过程中，地球已经自西向东转过了一些距离。　　……