第3讲哥白尼革命与天文学的诞生
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。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。
一场称之为“宗教改革”的运动使西方宗教世界发生分裂，新教由此而产生。这对文艺复兴时期乃至以后长时期内的科学发展与实践活动产生了深远的影响。影响首先表现为新教伦理价值的出现。一方面，新教徒的劳动创造欲望刺激了欧洲北部（尤其是德意志地区）的资本增长，另一方面，新教徒的精神有助于科学研究。新教徒渴望利用新发现绘制一幅统一有序的宇宙图景，并从中窥见上帝的力量。这一动机刺激了科学研究活动的兴起，同时满足了某些人的精神追求。这场变革，不仅改变了我们对自然界的外在了解，更影响了我们理解自然的基本观念，也直接导致了哥白尼革命。 1.哥白尼与《天球运行论》
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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（Nikolaus von Cusa）曾经提出过一些温和的改进意见。尼古拉斯是一位哲学家，但他试图利用科学为哲学服务，这使他得到一些很有趣的结论。他认为亚里士多德的逻辑学并不完善，因为它只适用于有限概念，而他想要讨论的是关于无限大的观念，这个无限大本身又是包含于一个绝对的至大之中，那就是上帝。这种观念使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，他们所笃信的，仍然是源于古希腊文献并为阿拉伯注释者加工得到的托勒密－亚里士多德式的宇宙图景。比他年轻的同时代人乔治·皮尔巴赫（George Peuerbach，1423－1461）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，是由伟大的波兰天文学家尼古拉·哥白尼（Corpernicus，1473-1543）发动的。
哥白尼10岁丧父，由舅父抚养长大。他舅父是当地的主教，他希望哥白尼能够成为弗劳恩堡大教堂的教士，以此获得经济上的独立。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。当他结束学业之后，却发现弗劳恩堡没有空缺职位，于是在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。对于哥白尼来说，他还有不同的考虑：他对托勒密的创造和等分点的使用极度不满。这将使运动中心偏离地球的中心，并由此产生不均匀的运动。哥白尼认为，这就要与“绝对运动定律”（任何物体都应该以不变的速率环绕宇宙中心运动）矛盾。因此，他试图到另外一种解释。
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。
哥白尼收集了能到的每个论据来支持自己的论点，这是说服对古代智慧仍旧心怀敬意的有知识读者的典型方法，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。在这一点上，哥白尼是正确的，要察觉到这一“周年视差”需要16世纪尚未掌握的技术，此后的300年中人们也没能实现这一观测，不过18世纪时还是到了地球运动的证据。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。
端粒体
司礼监从很多角度来看，哥白尼都有理由需要谨慎，因此他先以一本《微型评论》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，尽管他还需要更多来自于高级教士的支持才能将计划付诸实施。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。
哥白尼与莱提库斯一起研究这种新理论，几个月后，莱提库斯掌握了足够的材料来完成他的小册子《原初论》（1540年）。其中仅仅讨论了地球的运动以及随之产生的某些问题，最后哥白尼终于亲自着手对自己的这一理论进行完整论述。书稿完成后，莱提库斯交纽伦堡的出版商出版，并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，奥西安德便自作主张，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，他已经到了生命的最后一刻，他只用颤抖的手摸了一下这本书，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。
英国人对哥白尼理论持普遍的欢迎态度。而在罗马天主教国家，反对也并没有立刻到来。书前写给教皇保罗三世的题献和约翰·韦德曼斯塔特的支持都无疑有利于平息那些反对的声音，此外，也许奥西安德的前言也在一定程度上减轻了该书对于地心说的怀疑和颠覆性的成分。然而，在17世纪的第二个十年中情况发生了变化，这很大程度上要归因于性情狂放傲慢的乔丹诺·布鲁诺（Giordano Bruno，1546－1600）对哥白尼理论的公开支持。
布鲁诺沉迷于神秘主义，他渴望看到教会重返古希腊式的宗教观念。他将占星巫术的内容与哥白尼理
论相结合，对其日心理论大加赞扬。布鲁诺还是一个勇敢的思想家，公开地攻击一切正统的信仰。他接受了无限宇宙的观念，采纳了库萨的尼古拉斯提出的宇宙中存在其他生命的主张。在其神秘主义思想的指导下，他在这些观念上更进一步。他的宇宙也是一个生命或有机体，不过他的主张源于赫尔墨斯的巫术观念，并没有试图将整个宇宙统一为有机形式。布鲁诺的思想被教会视为异端而遭到攻击，不得不四处躲避。后来，他被宗教裁判所拘禁起来，在漫长的审讯之后，他放弃了异教主张并以此求得审判者的宽大。即使如此他仍需到罗马接受另一场审讯，在那里他的案件又拖延了八年。最终，在历经反复之后，他拒绝放弃自己的信仰并于1600年被烧死，其罪名可能是拒绝承认基督的神性和从事邪恶的巫术活动。第二条最可能是他上火刑柱的真正原因，因为布鲁诺有可能是某种巫术宗教运动的促进者。
就目前所知，没有专门的说法认为布鲁诺对哥白尼学说的推崇是他获罪的原因，不过很显然，他在那些极富争议性的著作中对哥白尼学说的推崇不可避免地要受到怀疑，尤其是受到过一位多明我会修士的怀疑。有趣的是，40年后，首先向伽利略对于哥白尼理论的支持发起攻击的，也是一位多明我会修士。那才是科学与宗教的第一次大规模战争，而科学的第一位殉教者，是科学家伽利略而不是巫术士布鲁诺。如果说布鲁诺将被人铭记，那是因为是他迫使罗马天主教会与新科学革命中最伟大的科学假说正面对垒，尽管他在其中的努力对于科学来说并无实质性的贡献。
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
防水混凝土施工技术社会和西方思想的发展中扮演的新的重大角。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。
哥白尼说，对当时天文学的坦率评价表明，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，
浦东国际机场航站楼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。
哥白尼认为，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。
构成托勒密宇宙体系的是如下四个假定：第一，天是球形的而且像球那样转动；第二，地也是球形的；第三，地位于天的中央；第四，地球静止不参与转动。哥白尼对前两点是赞同的，但不同意后两点。
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（大地是万物向它坠落的坚实不动的基础），一是亚里士多德的权威。一般人以为大地在他们的足下静止不动，虽然有人想象它是浮在宇宙中心的球。哥白尼的反对者，从科学与宗教两方面而来。如果地球围绕自己的轴旋转，向上抛出的物体下落时岂不要落在抛出点的西面吗？松动的物体不是会飞出地面，而地球本身不是会有分裂的危险吗？地球既然绕太阳运行，那么，恒星（像太阳那样自身发光的天体）如果不是遥远到荒谬的地步的话，恒星相互的位置看起来不是会变动不定吗？
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。
因此，哥白尼认识到，想改进托勒密地心体系的路子是走不通的，必须开辟新路，另创新学说。为了寻新的思想和观点，哥白尼查阅了古希腊和古罗马的许多文献，他欣喜地发现，在西塞罗等人的著作中逼真地描述过地球的运动。这一思想像明灯一样照亮了哥白尼探索前进的道路。他激动地说：“既然前人可以随意地想象圆周运动来解释星空现象，那为什么我就不能设想地球有某种运动呢？”
哥白尼日夜思索着地球运动的问题。他想起了一位诗人的“我们离港向前航行，陆地和城市后退了”的名句，从中悟出了运动相对性的道理。他明确地认为，假定地球在运动，地球上的人就会感到球外物体向相反方向运动。
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。
在库恩看来，《天球运行论》对我们来说是一个问题文本。其中一些问题仅仅源自它的研究主题的内在难度。除了导论性的第一卷，整本书都非常的数学化，只有精通技术性的天文学家才能读懂。库恩指出，“就其后果而言，《天球运行论》毫无疑问是一部革命性的著作。从它这里行星天文学开辟出了一条全新的途径，提出了行星问题的第一个精确而简洁的解法，而且，随着一些其他因素的加入，它最终导致了一个新的宇宙论。”
首先，哥白尼提出了地球自转和公转的概念。全部星空的周日旋转实际上是地球自转造成的，正是地球由西向东绕轴自转，才引起昼夜的变化；而太阳的周年视（表观）运动，实际上是由地球绕太阳每年公转一周造成的。哥白尼还得出地球有第三种运动，即所谓“倾斜面运动”，这个运动使地球自转轴在公转时与黄道面保持固定交角，从而形成地球上四季的差别。
其次，哥白尼用太阳取代了地球位于宇宙的中心，所有的行星包括地球均以太阳为中心转动。这一变动使得各大行星运动获得了统一性，本来在托勒密体系中，水星、金星是所谓内行星，它们在各自均轮上运行周期是一年；而火星、木星、土星这三个外行星，它们的本轮运行周期为一年，这里实际包含了与太阳有关系的周年运动的因素，但得不到解释。将太阳置于宇宙的中心以后，这一因素就成了诸行星共同的中心太阳运行的证据。总之，日心体系使行星具有确定性和统一性，而地心体系中每颗行星各有其独特的运动结构，整体上可以有不同的几何组成，缺乏唯一性。
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
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