從“地心說”到“日心說”教學探討

林 灝 余建剛

（佛山市南海區石門中學 廣東 佛山 528248）

對大多數學生而言，高中階段學習物理的收獲，不是日后研究前沿理論物理所需的扎實基礎，而是收獲作為現代人的一種素養：對現代文明重要組成部分的科學有所認識、在生活中能夠用科學的眼光看待問題、分析問題等等.在這樣的背景下，科學史是高中物理教學不可或缺的一部分.

科學史取得最豐碩成果的研究對象有二：其一是大約發生在16～17世紀，從根本上改變了科學歷程的“科學革命”；其二是古希臘萌芽時期的科學.2019粵教版物理必修二教材（后文簡稱為“教材”），正是用第三章前兩節的篇幅，初步介紹科學史研究的核心對象［1］.

“科學革命”始于哥白尼的工作，教材第一節前半部分“從地心說到日心說”正是介紹這部分內容.本文主要目的，將嘗試從科學史的視角，分析學生容易出現的謬誤及疑問，為高中物理教師備課提供參考.

1 教材中幾處值得商榷之處

（1）“提出”可以理解為“首創”嗎？

教材第52頁有這樣的描述：“波蘭天文學家哥白尼主張以簡單的幾何圖形來描述宇宙運行的規律.……于是他提出了‘日心說’”.這很容易被理解為哥白尼“首創”或“首先提出”“日心說”.

但事實上“日心說”不是哥白尼首創的.最早提出“日心說”的，是古希臘時期的數學家、天文學家阿利斯塔克（Aristarchus，公元前315年—公元前230年）：他通過計算得出太陽比地球大的結論，由此認為小的東西圍繞大的東西轉更為合理.哥白尼本人也清楚，“日心說”的“專利優先權”不屬于自己.他在寫作《天球運行論》前，“重讀了我所能得到的所有哲學家的著作”，并聲明自己在這些資料中得知古人曾提出過地球圍繞火（太陽）運動的觀點［2］.

同樣，“地心說”也不是托勒密提出的.一般認為最早提出“地心說”的是歐多克斯.托勒密的成就是集前人之大成，撰寫《天文學大成》.

（2）“天體”等同于“天球”嗎？

在人教版高中物理必修二教材中有如下內容：

“哥白尼：攔住了太陽，推動了地球公元1543年，波蘭的一位長者哥白尼臨終前在病榻上為其畢生致力的著作《天體運行論》簽上了自己的姓名.這部書預示了地心宇宙論的終結.”

作為教師需要注意，“這個書名在今天的中國學界普遍被譯成《天體運行論》，但這個譯名是不確切的”［3］，使用《天球運行論》譯法或許更為恰當.

名稱的翻譯關系到我們對于哥白尼體系的理解：哥白尼認為，所有的行星并不是在虛空當中或者說在自由空間中環繞太陽運動，它們其實是鑲埋在傳統天文學所說的一些水晶球里.哥白尼著作中的“Heavenly Spheres”，指的并不是地球、火星、金星等行星，而是指攜帶著這些行星運動的那些水晶球［4］.

“天球”概念對古代天文學影響深遠，正是在這個意義上我們可以說，哥白尼是最后一個古代天文學家，而不是第一個近代天文學家.哥白尼將地球移出中心的工作，無形中使“天球”的概念開始松動，并最終讓人們的宇宙觀，從封閉世界走向無限宇宙［5］.

（3）“宗教總是迫害科學”這一說法對嗎？

學生在小學和初中階段，基本都聽過伽利略特別是布魯諾被教會迫害的故事.基于這些故事，學生往往還被動或主動接受了“宗教總是迫害科學”這樣的結論.但這里無論是對事實的描述，還是得出的結論，都存在問題.

一方面，在初中和小學階段的常見資料中，對布魯諾的事跡一般描述為：布魯諾因為捍衛“日心說”而被教會迫害致死.這句話具有誤導性.

布魯諾確實支持“日心說”，也確實被教會迫害致死.但前者不是后者的根本原因.教會迫害布魯諾的根本原因，是因為布魯諾對教會根本教條的攻擊，而不是他對“日心說”的辯護.

布魯諾生活的年代，正是馬丁·路德、約翰·加爾文等人對教廷展開猛烈攻擊，宗教改革如火如荼的時期.不難想象，作為中世紀封建統治支柱的教會，面對這些攻擊時會殊死反撲.丹皮爾在《科學史及其與哲學和宗教的關系》寫道：“布魯諾是熱忱的泛神論者，公開地攻擊一切正統的信仰.他受到教會法庭的審判，不是為了他的科學，而是由于他的哲學，由于他熱衷于宗教改革；他于1600年被教廷燒死.”［6］

誠然，教會于1616年將《天球運行論》列為禁書.但在更早的時候，教會高層對“日心說”不僅不反對，甚至表示支持.《天球運行論》出版于1543年，哥白尼在序言中寫道，促成自己出版這本書的“頭一位是卡普亞的紅衣主教尼古拉·舍恩貝格”，還提到自己的工作，是在主持修訂歷法的主教保羅建議之下進行的［7］.因此，根據這樣的前后關系，我們能覺察：與其說“日心說”連累了布魯諾；不如說布魯諾連累了“日心說”.

闡明“日心說”、教會、布魯諾以及伽利略之間的關系，可以參照筆者向學生說明時用的比喻：一名武士不滿大名的殘酷統治，于是舉刀殺害了大名的家臣.大名處決了這名武士后，宣布自己治下的地方全面禁刀.過了不久，一名制刀匠人在大名的地盤開了家店，并四處宣揚武士刀的工藝之美.大名把這個刀匠抓了起來，迫使他關掉店鋪并保證不再向公眾介紹刀具.在真實的事件里，武士是布魯諾，大名是教會，刀匠是伽利略，而武士刀正是‘日心說’.”

2 教學中幾處常見問題釋疑

（1）為什么“地心說”模型除了均輪還需要本輪？

教材52頁圖3-1-1“地心說”模型示意圖中，標出了均輪和本輪.喜歡思考的學生很容易能想到，“均輪”是用于解釋晝夜交替現象的.但“本輪”的作用，教材沒解釋，學生也幾乎不可能想到.

“本輪”的提出，是為了解釋行星逆行的現象.雖然幾乎每個學生都聽過“水逆”這個說法，但幾乎沒有人知道“水星逆行”是一種自然現象.觀測過行星逆行的學生更是少之又少.因此，教師在講解逆行的現象，以及如何用物理模型解釋逆行時，只能在概念上輔以圖片，最好是通過視頻進行展示.

2019人教版必修二的46頁“科學漫步”部分介紹了行星逆行，“大多數時間它（行星）相對于恒星由西向東移動，但有時卻要停下來，然后向西移動一段時間，隨后又向東移動，這個現象叫做行星的逆行.”接著介紹了科學理論的提出“為了解釋行星的逆行，古希臘人提出一個理論……”［8］

對于教師理解這部分內容，值得再補充一點：“本輪”“均輪”的提出，是對柏拉圖“拯救現象”這一呼吁的回應.“拯救現象”可以簡單理解為，在觀測到相對于理論而言的反常時，對理論本身進行修改或補充，進而讓“反常”的現象重新變為“正常”，從而“拯救”這些現象.自柏拉圖以降，對于逆行的“拯救現象”，一直是天文學的中心課題.

這之后經過千年，天文觀測越來越細，新的發現越來越多，人們不斷增加新的輪子對模型進行修正，結果“輪上輪”的總數達到了80多個，此外還要引入“偏心點”“偏心等距點”一系列復雜的概念，使得整個“地心說”模型過于刻意、牽強和臃腫.這成為哥白尼反對“地心說”的原因.

哥白尼用“日心說”回應了柏拉圖“拯救現象”.“若要真正理解哥白尼和他的工作，我們必須明白，他是最后一位古代天文學家，而不是第一位近代天文學家.……具體來說，哥白尼認真領受了將近2 000年前發出的‘拯救這些現象’的命令，設法要嚴格按照勻速圓周運動去說明天體的運動”［9］.“在哥白尼的體系中，行星的這種運動（逆行）只是一種視覺現象，是地球和所觀測的行星在恒星背景上作相對運動的結果”［10］.哥白尼更好地“拯救”了現象.

（2）古希臘已經有人提出了“日心說”，為什么當時沒得到普遍認可？

要回答這個問題，首先得明確“地心說”和“日心說”的提出背景.人們解釋太陽的東升西落，有兩種方法：一是地球靜止，太陽圍繞地球轉；二是太陽靜止，地球自轉（這里學生很容易回答成地球繞著太陽轉）.前者是“地心說”的雛形，而后者正是“日心說”的基礎.

人們選擇什么和放棄什么，無非是優缺點比重的權衡.對科學理論而言，缺點主要是理論遇到的反常.“地心說”遇到的反常是前文所述行星的逆行.古希臘人用“本輪”“均輪”的模型“拯救”了逆行的現象.

而“日心說”遇到的反常比“地心說”更為嚴重：若地球在圍繞太陽轉，會產生“恒星視差”問題.向學生解釋什么是視差很簡單：將右手食指放到鼻子前，閉上左眼只用右眼看，再閉上右眼只用左眼看.我們看到手指的位置發生了變化，這就是視差.若地球確實在繞著太陽轉，轉到不同位置，我們應該能觀測到恒星存在視差；若地球在自轉，會產生“高塔落物”問題：在高處釋放一個物體，由于地球的自轉，物體落到地面的位置，應該在釋放點正下方的西邊.或者也可以這樣描述：同樣的大炮發射炮彈，由于地球的自轉，大炮向西發射時，射程應該比向東發射時遠.這兩個問題，在很長的時間里都無法很好地回答.這正是古希臘人否認“日心說”的理由.

3 結束語

不管是粵教版還是人教版新教材在演繹萬有引力定律誕生前夜，都是重視科學史的講述，都通過對物理學革命歷史的闡述，使學生經歷和感受到物理世界圖景更迭變革的思想洗禮，領會物理思考的本質與真諦，受到心靈的震撼和思想的啟迪.這些對培養學生學科素養無疑有著重大的意義，但或許由于篇幅所限，學習者在學習這一章節時，容易產生理解上的謬誤和困惑.作為師者，我們務必清楚明晰這段曲折而又燦爛多彩的科學歷程，以達到更加準確無誤地傳授科學歷程，傳承科學思想，培育科學素養.