地心說和日心說只是參考系不同嗎

黃輝

在古代，人們對于天體的運動存在著地心說和日心說兩種看法.地心說認為地球是宇宙的中心，太陽、月亮以及其他行星都繞地球運動.它符合人們的直接經驗.日心說認為太陽是靜止不動的，地球和其他行星繞太陽運動.在萬有引力定律的教學中，學生提出，地心說和日心說是不是只是參考系不同，它們本質上沒什么差別？

確實，地心說和日心說參考系變化一下，好像對我們的生活也沒什么影響.對于生活在地球上的人，太陽東升西落，地心說更符合我們的常識.但是，哥白尼打破的正是這種觀念，有時候看到的不一定是真的，要透過表象，深入自然的最精深微妙的核心，人的認識必須在理性的引導下前行.

日心說的建立開辟了人類認識世界的一個新紀元.正是在這樣的思想影響下，當托里拆利看到空氣托起一段水銀柱時，就會理性去思考.科學的影響，既在成果，更在精神.

1 數學模型的建構

日心說或者地心說的爭論，關鍵在于，我們談論的對象不再是我們的感官所直接把握的東西.我們沒辦法“去看看”，認識不再是對感官提供的感性資料的整理和解釋，而表現為一種“理性-感覺”的高度綜合的過程.

在描述天文現象上，人們很早就知道一年四季不是平均地各占全年長度的四分之一.這就發生了問題，如果星體是勻速運動，那軌跡就不可能是圓；如果其軌跡是圓，那它的運動就不可能是勻速的.要同時照顧到這兩端，托勒密所做的，就是用勻速圓周運動的疊加.即本輪-均輪模型，地球處于被稱作均輪的一個大圓的中心，另有一個小圓，托勒密稱之為本輪，其圓心沿這個大圓的圓周運動，而星體則在這個小圓的圓周上運動.

如果只是太陽和地球兩個天體，他們互為參考系，都是在做圓周運動.但是，地球實際上是在做橢圓運動，太陽處在橢圓的一個焦點上.而且考慮到太陽系的其他行星，用相對運動考慮，對地心說，必須將地球的繞日運動和自轉分別加在所有的行星上.這樣，其數學描述必然復雜.

隨著觀測工具的改進，觀測的現象也更為精細.太陽在黃道上運動有快有慢，行星還有一種從西向東的運動，持續時間或長或短，天文學上稱為“逆行”.偏心圓和本輪-均輪模型給出的結果都不能盡如人意.為了做出和現象相合的數據，托勒密任意的改動模型——由勻速圓周到偏心圓和本輪均輪模型，再到偏心勻速點和偏心等距點等復雜概念.

托勒密的模型太復雜，但哥白尼堅信宇宙和自然是美的，而美的東西一定是簡單與和諧的.走出困境的辦法是賦予地球運動.

2 物理現象的分析

根據第谷的觀測數據，木星、木星和火星等行星的運動在遠離太陽時是變慢了，而在移向太陽時確實是加快了.開普勒得出了一個結論，即太陽顯然是這種推動力的來源.太陽是整個太陽系運動的源泉.因此太陽作為這個體系的中心更合適.

地球的運行周期是365天，恰好介于火星的687天 和金星的225天之間，和三個行星到太陽的距離遠近也對應. 太陽處于這些行星的中心也更加合適.

月球確實是以地球為中心繞地球運動，望遠鏡的發明，讓伽利略發現有四顆星星繞木星運行，同時又以十二年為周期，畫出巨大的繞日運行的軌道.原來地球不是唯一的，被特別選中的、擁有衛星的星球.地球連同作為衛星的月球，一同作繞日運動，并不是不可想象的.地球和太陽系的別的行星一樣，不是特別的一個，不是中心. 伽利略也發現金星的位相，也是對金星繞太陽運動的一個支持.

在數學推演中，物理意義始終是指引前進方向的標志.對天體運動的物理原因的追尋才是正確的方向.

3 力學機理的探究

為了解釋觀測到的現象，科學家引入了不同的理論.不能只追求數學模型，而放棄物理本質和物理機制.我們探詢自然，就是要問他的根源.物體通過磁力和電場力的吸引而相互作用，除此以外還可能有更多種的吸引力.牛頓發現的萬有引力定律使我們能從物理的本質上考慮這些現象.不過當時有些人認為力，看不到，摸不著，不是一件東西，當然不能成為實證科學研究的對象.牛頓看到的是，力的作用和結果，是可以感知和可以驗證.

具體計算月球的向心力，證明正是這一個力，使得月球留在它的軌道上，即不飛離、也不落向地球.而且這個向心力和萬有引力都遵循平方反比，且指向地球中心.這就證明了月球為地球所吸引，月球繞地球運動.

而太陽系的行星也在適當的軌道上運動.需要的向心力，反比于這些行星到太陽中心距離的平方.也說明正是由于太陽對這些行星的萬有引力的作用，使得這些行星繞太陽運動.即太陽是這些行星的中心.

4 理論的檢驗-預測現象

要從嚴格的科學意義上確立這一學說，必須細致地闡明天體運動的機制，必須從物理上說明天體的運動并給出可以驗證的證明.

牛頓建立了一個以力為核心概念的物理學體系，給出了運動機制，解釋了從現象中歸納出來的經驗定律.理論值和觀測值的對比所表現出的一致，強有力地表明，最初對現象的歸納，以現象為基礎的假說，對這一假說所作的物理分析，以及整個過程中時時運用的推理法則，全部為真. 如果理論能夠提供一種預期，而不只是事后的驗證，那就會顯的更具有說服力.

最直接的證據，來自對彗星的預測.隨著數學的長足發展，更精密地計算土星、木星之類質量巨大的行星對彗星回歸的影響.使得對哈雷彗星的回歸時間預測更加精確. 所以，1759年當哈雷彗星通過近日點.緩緩移動，俯瞰這個世界的時候，世界感受到的不是驚訝，而是一種欣喜.

5 日心說的確立和物理發展

如果不問論證和事實而盲目地接受日心說，恰是以一種信仰代替另一種信仰，以一種迷信代替另一種迷信，在本質上說，并沒有把我們對于自然的認識從本質上推向前進.科學的本質不在于你接受日心學說還是接受地心學說，而是你為什么、憑什么接受某一種學說.日心學說最終取代地心學說，本質上不是一種圖景替代了另一種圖景，而是一種論證手段，分析和實證的方法，取代了以信仰為基礎的論證；這一重大的改變，是真理標準的改變，是理性對于信仰的勝利.

這是科學第一次面對一個我們的感官所不能直接感知的對象，這在人類認識自然的歷史上，沒有先例.沒有人可以看見地球是不是繞太陽轉，我們只能想象，這就發生了真偽問題.由感官提供的直接的判斷不再是自明的了，對與錯不再是一般人依據常識就可以一目了然的了.什么叫“對的”，誰又是最后的評判呢？

先根據現象做出一種假設性的解釋，這一解釋必須能給出一種可以驗證的預期，而如果這種預期在實驗中能驗證，那么先前的假設性解釋即可確立為真，或者說“我們的理解是對的”.

這就構成了一種全新的認識方法，這種“觀察-假說-推理-實驗驗證”的模式.

科學所留意的，不僅僅是科學活動的成果，而更加是人類認識的進程.科學探索未知領域，先是星空，再到原子，再到生命，建立理論的過程都很艱難，但也有相似.日心說的發展為人類認識的發展所提供的是一種多么深刻的借鑒.