哥白尼的遗产(一)

慕容思

“1543年,哥白尼出版了划时代的巨著《天体运行论》,在书中提出了与基督教地心说完全不同的日心说。此后,科学与宗教,正确与错误的宇宙观之间展开了激烈的斗争。支持哥白尼理论的伽利略遭到了迫害,而布鲁诺更是被烧死在火刑柱上。但真理是无法被掩盖的,日心说最终战胜了地心说,这个被称为‘哥白尼革命的事件也成了近代科学飞速发展,人类挣脱愚昧状态的第一推动力。”

上面这段话是我们无数次从教科书中读过的。我们从来没有怀疑过日心说的正确性,而在我们的概念中地心说纯粹是基督教用来骗人的工具。我们相信,历史上那些支持过日心说的人都是相信和支持真理的好人,而反对目心说的人则是些彻头彻尾的坏人,至少也是被愚味的宗教思想控制了心智的蠢货。然而,事情真的这么简单吗?

地心说与日心说

让我们先看看哥白尼所反对的地心说到底是个什么样的理论。

地心说可以上溯到古希腊时期,古希腊学者们曾经就宇宙的构成提出了各种各样的模型,其中大部分模型都是以地球为中心的。这也难怪,人们每天看着日月星辰东升西落,当然会直观地认为它们都是围绕地球转动的。在这之后,地心说被著名的天文学家托勒密发展成为一个十分复杂的数学模型,并被基督教会所接受。

随着天文观测事业的不断进步,人们发现托勒密地心说所描述的天文现象与实际观测结果往往有很大出入。天文学家们首先想到的办法是修改地心说:用越来越复杂的数学公式来描述太阳和几大行星的运动轨道。到了哥白尼生活的时期,托勒密地心说己经被修改的无比复杂,基本上己经设有了再改动的余地。由此,身为教士的哥白尼想到了用一种新的数学模型来描述宇宙,这就是日心说。

其实,日心说并非哥白尼的独创,古希腊时期就有个叫做阿里斯塔克的学者提出过日心说,但由于和人们的直观感受相去甚远而没什么大的影响。而且,日心说还有两个致命问题,是阿里斯塔克所无力解决的。有趣的是,哥白尼的《天体运行论》出版之后,也没有令当时的天文学家们立刻信服,他遇到了和当初阿里斯塔克同样的问题,这成了其他天文学家们反对日心说的理由。而且,哥白尼在有生之年内也没能这两个问题。

第一个问题来自与人类的日常经验。人们会想,如果地球是运动的,那么,地球上的物体为什么不随着地球的运动而向后移动?用规范点的语言描述就是:一个向正上方抛出的物体会由于地球运动在落地时落到抛出点的后面。今天,每一个读过初中物理的学生都能解释这个问题,但在当时那个时代,伽利略的运动相对性原理和牛顿的运动定律还没有被发现,这个问题的解决也只有等待这两位大科学家日后的工作了。

寻找恒星周年视差

第二个问题更麻烦。既然你说地球是运动的,那么,人们自然而然会想到,在一年之中的不同时间里,天上的星星之间的相对位置会有些略微的不同,这叫做“恒星周年视差”。但当时的人们谁都没有观测到这种细微的差异。这也难怪,那时候连望远镜还没发明呢!据说哥白尼对此作出了正确的解释:不是它不存在,实在是因为这种差异过于细微,人们还无法观测到而已。哥白尼之后,擅长天文观测的著名天文学家第谷,在丹麦的汶岛天文台潜心工作几十年,积累了大量的数据达到望远镜发明前天文观测的最高峰。但就是这样,第谷最终也没发现恒星周年视差。因此,第谷也无法接受哥白尼的理论,而是自已构造了一个新理论:太阳绕地球运转,而其他行星则围绕太阳运转。有意思的是,第谷的这一理论在和实际天文观测数据的吻合度上远远高于哥白尼那个十分粗糙的日心说,因此,第谷之后的很多天文学家都转而支持第谷的宇宙体系了。

望远镜发明之后,人们的天文观测精度开始飞速提高,天文学家们一刻也没有停止对恒星周年视差的寻找。巴黎天文台首任台长老卡西尼就曾经致力于此,但受当时望远镜水平的影响而没有找到,由此,老卡西尼至死都没有接受哥白尼的日心说体系。另一位天文学家赫谢尔宣布,寻找恒星周年视差的最好方法是成对地观测那些距离非常接近的恒星,因为它们之间相互位置的微小变化都很容易被人们所察觉。有趣的是,赫谢尔在观测中发现,很多在天空中看起来很接近的恒星,其实就是相互绕转的双星系统。赫谢尔甚至还发现了一颗新的行星:天王星。但就是没能观测到恒星周年视差。

1725年,英国天文学家布拉德雷通过观测,发现通过格林尼治天文台天顶的天龙座中的一颗恒星每年有大约20弧秒的周期性位移,但奇怪的是,它并不像人们设想的那样与地球轨道圈平行,而是垂直于它。也就是说,它并不是人们朝思暮想的恒星周年视差。布拉德雷在很长一段时间里都弄不明白这是怎么一回事,直到1728年,他一次在泰晤士河上划船时才顿悟:就像人们在无风的天气里在水面上航行时会感受到风一样,地球在宇宙中的运动也会影响到人们对恒星发出的光线的观测。布拉德雷称这种现象为“光行差”。

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