迷人的哥白尼

吳國盛

哥白尼被公認為現代科學的肇始者。他的日心說成為現代的科學常識。一九九六年《中國公眾科學素養調查報告》顯示，有80.3% 的中國人知道是“地球繞太陽轉”而不是“太陽繞地球轉”，而二0一四年美國國家科學基金會調查得出的結論是，只有74% 的美國人知道這一點。中國人了解哥白尼日心說的平均水平貌似冠絕全世界。但是，正如黑格爾所說，熟知不是真知。我們中國人對哥白尼及其歷史成就其實知之甚少。

誰是哥白尼？他為何要用日心說替代地心說？通常的回答是：哥白尼寫了一部著作《天體運行論》，在該著作中提出了日心說;用日心說代替地心說是因為日心說更符合天文觀測事實。實際上，這些回答都似是而非。

一

哥白尼并不是一個職業天文學家，自大學畢業后一直在弗龍堡大教堂里擔任教士。他在業余時間從事自己喜愛的天文學研究，并且在最后的歲月寫出了他偉大的著作。這部傳世著作用拉丁文寫作，原書名為De revolutionibus orbium coelestium 。在中國，該書一直被譯成《天體運行論》，但這個譯名并不正確。問題出在對orbium 一詞的理解上。對哥白尼而言，這個詞并不是我們今天的“天體”，而是帶動天體運行的透明“天球”。自古希臘至哥白尼，西方天文學家對天球都堅信不疑。今天我們不承認有天球的存在，便想當然地把“天球”改譯成“天體”。

這個誤譯并不是中國人首創。一八七九年出版的門澤爾（CarlLudolfMenzzer）德譯本便把書名譯成?berdieKreisbewegungenderWeltk?rper（《論天體的圓周運動》），這里的Weltk?rper意思就是“天體”。二十世紀出現的兩個英譯本都沒有再犯這個錯誤。瓦里斯（CharlesGlennWallis）一九三九年的譯名是OntheRevolutionsoftheCelestialSpheres，該譯本后來納入《西方世界的偉大著作》（GreatBooksoftheWesternWorld）第十六卷，改稱OntheRevolutionsofHeavenlySpheres。羅森（EdwardRosen）一九七八年為《哥白尼全集》提供的英譯本定名為OntheRevolutionsoftheHeavenlySpheres，同年出版的德譯本也把譯名修改為VomUmschwungderhimmlischenKugelschalen（《論天球的旋轉》）。

天球是希臘數理天文學的基本假定，希臘理性宇宙論的第一個標志是引入“天球”概念。群星相對于大地的周而復始的每日旋轉，向人類指示了天體運動的周期性、穩定性，也指示了大地的中心位置。讓群星鑲嵌在天球之上，隨著天球統一地轉動，反映了對天空的一種確定性和恒久性的理解。米利都學派的阿那克西曼德最早提出了天球的概念，畢達哥拉斯學派則明確提出了cosmos 概念，為科學的天文學奠定了基礎。Cosmos 這個詞的原義是“秩序”，與Chaos（混沌）相對立。畢達哥拉斯學派最早用這個詞指稱“宇宙”，也就是說，他們最早把“宇宙”看成一個“和諧”、有“比例”的整體。

Cosmos 的觀念體現在天球套地球的兩球模型中。把天體想象成鑲嵌在層層相套的天球上，是一個偉大的創造，雖然從今天的角度看，這是一個錯誤，因為“天球”并不存在。按照現代科學的認識，天界其實和地界一樣，處在持續的變化之中。但是，天球概念最早體現了科學的思維方式：科學的目標，本來就在于透過多樣、復雜、變化的現象，看到背后單一、簡單、不變的本質。天球概念是對這種“不變性”的最早體現。

柏拉圖、亞里士多德、歐幾里得和托勒密都認同天球概念，并以此作為構建宇宙論的基礎。在《至大論》第一卷第三章里，托勒密專門論述了“天球運動”問題。他用恒星運動的周而復始反駁了恒星做直線運動的看法，也反駁了眾星在日出前被點亮、在日落后被熄滅的古老說法，強調天體以地球為中心做圓周運動。

作為希臘數理天文學的正宗傳人，哥白尼完全繼承了“天球運動”的概念。他在《天球運行論》第一卷開卷第一章就明確宣稱宇宙是球形的，第四章則指出天球運動的基本模式是勻速圓周運動。需要特別指出的是，哥白尼賦予地球的不是只有我們今天熟悉的周日轉動和周年轉動，還有第三重運動。按照哥白尼的設想，地球的周年運動實際上是地球固定在一個假想的天球上、以太陽為中心的圓周運動。由于地球的自轉軸與黃道面并不垂直，隨著“地天球”的周年轉動，地球的自轉軸就不能與黃道面保持一個固定不變的角度。為此，哥白尼特意加入了讓地軸錐形旋轉的第三重運動，以抵消“地天球”周年轉動帶來的地軸方向的變化。這個第三重運動的存在提示我們，在哥白尼眼里，就連地球繞太陽的運動也是以天球運動的方式進行的。

“天體”還是“天球”，這一字之差，關系到評價科學理論時應有的歷史態度，也關系到我們在反省現代科學時所能夠達到的理論深度。把“天球”改譯成“天體”至少是有意無意以今日之眼光對哥白尼進行拔高，反映了那個時代中國的科學史研究水平和科學傳播理念。

二

哥白尼為什么要用“日心說”來代替已經在西方世界延續了一千多年的托勒密地心學說呢？按照我們中國人實事求是即為科學精神的理解，當然是因為日心說更加符合天文觀測，而地心說更不符合。這個說法并不真實。二十世紀五十年代之前，西方科學哲學也認為，所謂科學無非是具有內在邏輯結構同時又符合觀測事實的理論。如果科學理論不符合觀測事實，它就被證偽了，符合就被證實了。這種科學哲學被稱為邏輯實證主義或邏輯經驗主義。

一九六二年，美國科學史家和科學哲學家托馬斯·庫恩出版了《科學革命的結構》一書，打破了邏輯主義科學哲學一統天下的局面，開啟了歷史主義科學哲學。庫恩強調，理解科學不能停留在科學理論的邏輯架構層面，而應該深入科學的實際歷史發展過程中;不應該局限于就科學論科學，而應該考慮科學之外的哲學、宗教和文化背景;理解科學的基本單元不是理論，而是范式，單純的科學邏輯無法解釋科學發展的實際歷史，需要引入科學共同體的社會學維度。庫恩這部影響巨大的科學哲學著作其實有一部先導性歷史著作，那就是一九五七年出版的《哥白尼革命—西方思想發展中的行星天文學》。

在《哥白尼革命》一書中，庫恩指出，哥白尼不滿托勒密的地心說，并不是因為他掌握了什么托勒密體系無法解釋的新的天文觀測證據—這樣的證據還需要等待七十多年，直到望遠鏡發明并對準天空之后—哥白尼不是一位天文觀測家，手頭除了大家共有的從歷史上傳承下來的那些天文觀測資料外，自己并不擁有更精確、更系統的天文資料。再說，在遷就、整合觀測資料方面，托勒密體系本來就具有強大的能力，因為希臘數理天文學根本上就是以“拯救現象”為目標的。在托勒密體系中，任何舊有的和新發現的行星不規則運動，都可以通過本輪—均輪、偏心圓、偏心勻速點以及它們的復雜組合來進行模擬。如果舊的托勒密體系模擬不好，可以設計新的托勒密體系。就托勒密地心體系本身而言，并不存在原則上無法模擬和解釋的天文現象。

庫恩認為，導致哥白尼拋棄地心說而提出日心說的，是復雜多樣的歷史原因和時代文化背景。首先，自古代以來就存在以亞里士多德為代表的希臘物理傳統（宇宙論傳統）和以托勒密為代表的希臘化數學傳統（天文學傳統）的對立和差異。亞里士多德采納的是他那個時代流行的同心球模型，而托勒密引入的本輪—均輪模型與之有明顯的沖突。數學傳統的目標是拯救現象，也就是模擬和預測天象，并不關心天界的實際物理構造，并不一定要求與既有的物理學理論完全適應。哥白尼明知日心說與亞里士多德的物理世界圖景有尖銳的沖突，但他仍然可以援引物理—數學這一古老的雙軌制來為自己辯護壯膽。他在《天球運行論》致教皇的獻詞里特別提到“數學是為數學家而寫的”，強調的就是，自己屬于自古以來的數學/ 天文學傳統，可以自由地構想宇宙體系而不受到責難。

其次，哥白尼生活的年代對古代思想的懷疑和批評漸成風氣。唯名論經院哲學家高舉上帝全能的旗幟，對亞里士多德物理學所設置的種種“不可能”（不存在真空、沒有外力的維持不可能運動等）進行試探性挑戰。哥倫布遠航抵達美洲，表明托勒密的地理學存在著嚴重的錯誤。天主教會沿用了一千多年的儒略歷存在嚴重誤差、亟待修正，是當時教會內部的共識。哥白尼能夠提出顛覆性的日心說來取代地心說，與這個質疑和批評的時代風尚有關。

再次，文藝復興，人文主義者復興的新柏拉圖主義相信自然的數學簡單性、崇拜太陽，對哥白尼提出日心說有直接的影響。哥白尼明確表示，托勒密體系是一個怪物，各部分之間不夠協調統一，“在確定日月和其他五顆行星的運動時，他們沒有使用相同的原理、假設和對視運轉和視運動的解釋”，“他們引入的許多想法明顯違背了均勻運動的第一原則”，“他們也無法由偏心圓得出或推導出最重要的一點，即宇宙的結構及其各個部分的真正對稱性”。簡單說來，托勒密體系很不美，不符合希臘人的審美理想。

是的，托勒密體系不美，而日心地動體系很美，這就是哥白尼提出天文學變革的主要動機。

三

哥白尼日心說何時被世人接受？如果說日心說取代地心說是因為更符合天文觀測事實，那似乎是哥白尼一提出該學說就得到了人們的公認。然而，日心說并不是觀測引導的結果，而是審美引導的結果，這樣一來，哥白尼學說的命運就遠不是今人所想的那樣一帆風順。

日心說的確表現出哥白尼所期許的不少美學優勢。首先，一旦讓地球運動起來，行星表觀上主要的不規則運動如留和逆行都只是表面上的，只是相對于運動的地球顯得是不規則的，哥白尼還同時很自然地解釋了為何逆行總開始于行星最亮的時候。其次，它很自然地解釋了金星和水星為何總是跟在太陽附近，而不像火、木、土三星那樣可以隨意拉開與太陽的距離。最后，也是日心體系最迷人的地方，它按照諸行星繞日公轉周期的大小，給出了諸行星與太陽距離從小到大的確定順序：水星、金星、地球、火星、木星、土星，而此前的托勒密體系里，由于水星、金星與太陽繞黃道運動的平均周期相同，實際上無法確定此三者與地球（居宇宙中心）的遠近排序。的確，哥白尼展示了日心體系“令人驚嘆的對稱性”以及“天球運動和大小之間明顯的和諧關聯”。

但是，哥白尼也沒有兌現他在《天球運行論》第一卷所開出的所有美學承諾。由于行星運動的軌道實際上是橢圓而不是正圓，為了“拯救”現象，秉承希臘正圓模型的哥白尼就不得不像托勒密那樣加入小本輪和偏心圓，結果是，哥白尼也采納了三十多個輪子，在簡單性上和托勒密相差無幾?！案绨啄狍w系既不比托勒密體系更簡潔，也不比它更精確”，庫恩稱，“這是對哥白尼畢生工作的極大諷刺”。

不僅如此，哥白尼體系還帶來了兩個幾乎是致命的困難。首先，地球繞日周年公轉必定會產生恒星的周年視差。在地球公轉軌道的兩個不同地方看遠方的一顆恒星，恒星必定會顯示出不同的位置。然而，自古以來，人們從未發現恒星有周年視差。哥白尼對此的解釋是，恒星離地球太遠，以至于微小的周年視差難以察覺。這個解釋從今天的眼光看當然是對的，可是對當時的人來說，證據的缺失是一個嚴重的缺陷。

第二個更嚴重的困難是地球運動引發的物理學上的困難。亞里士多德的物理學解釋了石頭為何落地、地球為何靜止在宇宙中心等常識，地球一旦運動則直接挑戰這種物理學。特別是，當這種物理學與基督教的教義結合在一起之后，挑戰就負載了宗教含義。這就注定了哥白尼學說坎坷不平的命運。

整個十六和十七世紀，天文學的主要任務仍然是為占星術提供數學基礎，準確計算和預報行星在天宮的位置仍然是天文學的主要目標。哥白尼雖然引入了一個非常古怪的宇宙體系，但他提供的數學計算方法是公認靠譜、先進的，天文—占星同行們都公認哥白尼是在世最偉大的天文學家，是當代的托勒密。萊因霍德（E r a s m u sReinhold， 1511-1553）并不贊同地動說，但他運用哥白尼的數學方法編制的《普魯士星表》于一五五一年出版之后，立即成為歐洲同行們的手頭必備之物。如果不涉及宇宙論只考慮天文計算的話，哥白尼其實一開始就在天文學家的小圈子里悄悄取得了勝利。

但是，庫恩說，哥白尼革命不只是一場計算技術意義上的天文學革命，而且也是一場宇宙論革命、物理學革命，哥白尼只是開啟了這場革命，遠遠沒有完成。當一六0九年開普勒發表《新天文學》，一六三二年伽利略發表《關于兩大世界體系的對話》時，哥白尼已經去世快一百年了，但日心說不僅沒有得到廣泛的公認，反而激起了更大的反對聲。開普勒根據自己創立的橢圓日心說編制了《魯道夫星表》（一六二三），如同七十多年前的《普魯士星表》一樣，再次征服了天文—占星同行們，但是，哥白尼面臨的兩大致命困難一樣也沒有解決，因此天文學家仍然是在不接受日心說的前提下接受開普勒的數學計算。恒星視差要再等二百年（一八三八年，白塞爾），開普勒的老師、著名天文觀測家第谷就是因為看不到恒星視差而堅持地心地靜說。徹底取代亞里士多德物理學的牛頓物理學還需要半個世紀才到來—一六八七年牛頓出版《自然哲學的數學原理》。

牛頓物理學也并不是隨著《原理》的出版而立即受到公認，作為其基礎的哥白尼日心說當然更是如此。十七世紀最后幾十年，哥白尼體系、托勒密體系和第谷體系可以在新教大學里并列講授。直到十八世紀末，哥白尼去世二百五十年之后，他的學說才慢慢成為歐洲人的共識。盡管恒星視差仍然沒有被發現，但牛頓物理學已經在許多領域取得了全方位的勝利，作為牛頓力學之前提的哥白尼日心學說被默認。

四

庫恩的《哥白尼革命》不僅預演了他后來的“科學革命”敘事，而且為評價哥白尼日心說的歷史地位提供了一個經典表述。時間又過了半個多世紀，哥白尼研究界再次刷新了對哥白尼的認識。二0一一年，加州大學圣迭戈分校歷史系教授羅伯特·韋斯特曼（R o b e r tWestman）出版了《哥白尼問題—占星預言、懷疑主義與天體秩序》，對庫恩的“哥白尼敘事”進行了解構。

二十世紀四五十年代，以柯瓦雷（Alexandre Koyre， 1892-1964）為代表的科學史家開創了科學思想史的研究綱領，把科學的歷史看成是觀念的演變史，而且把歐洲十六、十七世紀的科學巨變描繪成一場“科學革命”，創造了影響深遠的科學革命敘事模式。庫恩雖然有把科學思想史向著科學社會史擴展的明確趨勢，但某種意義上講，他繼承了科學思想史的綱領，而且鞏固了“科學革命”敘事。

八十年代以來，西方科學史界有一個整體的編史學轉型，更加注重回到原始語境、更加反對輝格史觀，把宏大敘事盡量消解到更微觀更具體的社會運作之中。以夏平和謝弗的《利維坦和空氣泵—霍布斯、玻意耳與實驗生活》（一九八六）為代表，把科學事實的確立和科學話語的構成置于具體的歷史情境之中成為主流的科學編史學。沿著這條編史思路，夏平在《科學革命》（一九九六）一書中，徹底否定了“科學革命”的敘事方式，認為根本就不存在這種“革命”，有的只是漸進的、多維度的復雜變化。

韋斯特曼的《哥白尼問題》是這種編史學在哥白尼研究領域的集中體現。這部中文長達一百萬字的鴻篇巨制，更多采納人類學方法，深入調查從哥白尼到牛頓兩百多年間數十位相關人物的著作、言論和社會關系。他認為理解哥白尼日心說的提出和接受，必須考慮占星術這一條線索。此前的哥白尼研究者們都或多或少忽視了占星術在十五、十六和十七世紀的重要性，因而必然無法充分理解哥白尼的故事。

韋斯特曼認為，一四九六年皮科·米蘭多拉（Pico della Mirandola，1463-1494）《 駁占星預言》在博洛尼亞的出版，是一個重要的歷史事件。在這部于皮科去世之后出版的著作中，皮科系統駁斥了占星術，認為它“動搖信仰、鼓吹迷信、宣揚偶像崇拜、招致不幸和悲劇”。皮科提出的最重要論據是，占星術引以為基礎的天文學存在著根本上的不確定性：黃道十二宮完全是人為定義的，它們的邊界是不清晰的，不同時代的天文學家對此沒有達成一致;回歸年的長度也沒有確定的數值;無法精確確定太陽進入某個星座的時間;對占星至關重要的行星秩序在托勒密體系里完全是不確定的，太陽、金星和水星離地球的遠近，幾乎是人言人殊。韋斯特曼認為，引發哥白尼用日心說代替地心說的深層原因，是回應皮科的挑戰。所謂“哥白尼問題”，就是通過重排行星序列（特別是太陽、水星和金星的秩序），回應皮科（基于對行星秩序的質疑和否定）對占星術的批判。

二十世紀的哥白尼敘事，包括庫恩在內，都掩蓋了占星術這條線索，回避了這個所謂的“哥白尼問題”。這也是有原因的：人們在哥白尼的傳世作品中從來沒有看到與占星術相關的文字。此前的學者正是因此而斷定哥白尼是那個年代一股拒絕占星術的清流。韋斯特曼解釋說，哥白尼之所以沒有在《天球運行論》中談論占星術，那是因為遵循自托勒密以來嚴格區分天文學寫作和占星術寫作的傳統。實際上，在博洛尼亞求學時期，通過諾瓦拉，哥白尼已經非常熟悉占星圈子的動向。哥白尼真正的學生和傳人雷蒂庫斯是相信并且從事占星術的?！短烨蜻\行論》書名中的“revolution”（運轉）也顯示了與占星術的聯系，因為“之前從未有過天文學作者將revolution概念與天球并置”。

傳統的哥白尼研究不僅忽視了占星術這條主線，而且把哥白尼的故事敘述得過于“輝格”。韋斯特曼認為，整個十六世紀甚至十七世紀都根本不存在“支持哥白尼”和“反對哥白尼”兩軍對壘的清晰陣營，甚至連“哥白尼主義”（Copernicanism）這種分類概念也沒有（這個概念十九世紀才出現）。因此，根本就不存在“哥白尼革命”這種整體性的概念。在韋斯特曼看來，庫恩沒有注意到，他所謂的哥白尼主義者實際上是高度異質的天學學者，既擁有不同的哲學理念、宗教信仰和占星傳統，又各自要與王公貴族、教廷教會、大學等權力階層進行復雜的互動和博弈。比如，同是所謂的哥白尼主義者，伽利略和開普勒之間就始終關系復雜微妙，有時相互支持，有時勾心斗角。再比如，十七世紀并不是所有接受開普勒橢圓理論的人都接受地球運動理論。實際上，通過牛頓物理學的成功而被人們接受的日心說，已經既不是哥白尼的日心說，也不是伽利略或開普勒的日心說。

哥白尼的故事的確十分迷人。