哥白尼之谜The Copernican myths

星期五, 十二月 17, 2010 11:00
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科学和宗教权威是如何接待哥白尼革命的真实故事和民间传说大不一样。其实更加有趣。

Mano Singham (physicstoday.org今日物理学)

2007年11月,48页December 2007

在所有科学的革命中,最著名的也许要算哥白尼(1473-1543)事件。故事最流行的版本如下:

古希腊人中,尽管有伟大的哲学家,他们也善于绘制恒星和行星的运转图,但是在建造宇宙模式时还是深受哲学、美学和宗教考虑的影响多于观察和实验。地球是静止的宇宙中心,恒星和行星镶嵌在绕着地球转的园球上这观念吸引这他们,因为圆形和球体是最完美的几何形状。

到基督徒的纪元,这个模型也同样受到宗教人士的喜悦,因为它给了人类首要的位置—神的特殊创造。希腊哲学家的名望如亚里士多德等非常高,他们委身宗教教条如此之深,许多学者顽固地保持托勒密的天文理论,即使不惜日益增加复杂、必须的本轮数以保证体系仍然正常工作为代价。

所以当哥白尼正确的以太阳为中心的体系出现时,他的理论遭到了罗马天主教强烈地反对,因为它指出地球不是宇宙的中心,同时也被看作是对人类的降级和对天主教教义的反对。因此宗教裁判所迫害,折磨甚至杀害那些提倡哥白尼理论的人。

由于教会坚持哲学和宗教教义,科学进步被延迟了一千年。後来Tycho Brahe (1546–1601),Johannes Kepler (1571–1630), Galileo Galilei (1564–1642), 和Isaac Newton (1642–1727) 等人的工作才最终导致日心说被接受。

各种哥白尼故事的版本在科学教科书1里都差不多。这些故事有多少是真的呢?撇开最终的结果,其实并不多。而这种情况正展示了科学的民间传说怎样取代了真正历史的好例子。

让我们先谈谈关于哥白尼的模式因为它打击了人类的骄傲,废除了地球作为宇宙中心的首要位置,而受反对的故事。在Dennis Danielson优秀的著作2中,展示了通过引用杰出的遗传学家Theodosius Dobzhansky的话而广泛传播的观点。Dobzhansky认为,哥白尼将“地球从假设的中心和卓越的宝座上打下来”。 Carl Sagan形容哥白尼理论是首次“使人类骄傲的大降级”。天文学家Martin Rees曾写道,“四百多年前哥白尼打倒了托勒密的宇宙理论支持的地球有特殊地位的理论”。而Sigmund Freud也谈及哥白尼因低贬人类对自己「天真的自爱」而挑起了愤怒。

肮脏的墙角The squalid basement

尽管Danielson在16世纪早期就指出:宇宙的中心并不是一个让人愉快的地方。「在大部分中世纪的亚里士多德学派和托勒密宇宙论的解释中,地球作为宇宙中心的位置被看作证据并不是因为它的重要性….而是因为它的肮脏低劣。」

实际上,古代和中世纪的阿拉伯,犹太和基督教学者都认为中心是宇宙最差的地方,就像堆放垃圾的肮脏的地下室。一位中世纪学者把地球的位置形容成“地狱污秽且肮脏的地方”。另一种说法,人类是“寄宿在尘土和肮脏的地球,被柳钉固定在世界上最差和充满死亡,如房屋最底下的一层,离天堂的拱门最远的地方。”1615年红衣主教Robert Bellarmine,伽利略著名的迫害者说,“地球离天堂最远且静坐在宇宙的中心不能动2。”

在Dante Alighieri的The Divine Comedy中,地狱是地球地球内部最中心的地方。Dante与亚里士多德学派的动力学一致,将地狱说成—不是满了火焰,因为会被较重的地球取代而上升,而是冰冻和静止的。

相反地,天堂在上面,你往上走得越高,越偏离中间就越好。所以哥白尼理论将太阳放在中间,地球绕着它转实际上是使得人类更接近天堂而抬高了人类。

什么时候又为什么历史被扭曲了呢?Danielson并没有查明错误的观念是什么时候占据主权的,但是他说在1650年以前有一些作者做出了一些修正主义的声明。在18世纪晚期,错误的观念完全获得了主导权。比如说Johann Wolfgang von Goethe (1749–1832)写到,“也许没有什么发现和观念产生了比哥白尼理论对人类精神更大的影响。一旦地球被接受为圆的、和独立自足的,就必须放弃作为世界中心的巨大的特权。”Goethe在此也传播了另一种主要的误区:在哥白尼(和哥伦布)之前人们都不知道地球是个圆球3,4

亚里士多德的宇宙论Aristotle’s cosmology

甚至亚里士多德也不相信地球是宇宙的中心。他认为地球是宇宙的中心。这种精确区别不是来自于宗教教条或是人类的自负,而是物理上的证据:在亚里士多德的宇宙论中,宇宙是有限的并且天堂存在于最远处的球体。宇宙有一个中心——星星就被填充在巨大球体的外部——物质被吸引到中间。在这种宇宙论中,“上”和“下”被很好地定义。“下”指向宇宙中心,“上”远离宇宙中心,指向包含星星的外部球体。

所有的元素有四:土,气,水,和火,每一种元素都有自己在宇宙中所处位置的自然的吸引力。正如所能看到的事实,岩石落在地上,土地因为较重被吸引到中间。火焰向上跳跃,因为很轻,被吸引向著天堂。这个模式解释了很多事情,如为什么物件无论从什么位置放松必跌到地面,为什么地球表面是圆的。同样也解释了为什么地球在中心是静止的。如果要它动,就必须有东西将它从中心带走。但没有这样东西的证据。

在历史学家Thomas Kuhn的书The Copernican Revolution中指出亚里士多德 清楚说明了地球在宇宙的中心不是因为它很特殊而是仅仅因为它很重:「正巧地球和宇宙有一个共同的中心,偶然也有一些天体向着地球的中心移动,因为它的中心点就是在宇宙的中心。」5

日心说的问题Problems with heliocentricity

哥白尼的日心说模型,另一方面又创造了很多困难。它需要地球是运动的,但并没有说是什么原因导致它离开中心。如果地球不是在中心静止的,且是一系列围绕太阳转动的轨道中的一个,那你是怎么定义“上”和“下” 呢?如果地球不是宇宙的中心,为什么东西会跌「下来」?如果地球不是静止的,为什么东西扔上去之後会跌到原来的地方?当时,地球仍被认为是宇宙中最巨大的物体。如果地球不是被吸引向一固定的中心点,是否就说明宇宙没有中心?是否就说明宇宙是无限的呢?

Kuhn争论说,反对哥白尼理论并且保持亚里士多德理论和托勒密天文学的详尽细节是有很多非常好的原因。接受哥白尼理论不仅仅是简单地用一个宇宙模型去取代另一个宇宙模型。这也意味着物理学上有一大类认为已经解决的问题突然会变成没有解决。所以最初的反抗不是来自于教会而是物理学界和天文学界。

实际上,对哥白尼工作的认识最初大致只限于天文学界。因为只有他们对改进天体运动的计算方法感兴趣。哥白尼被普遍尊崇为欧洲天文学界的领袖,他的研究报道,包括日心说,从1515年起就流传开来。所以当他的De Revolutionibus Orbium Coelestium(天球革命)在28年後出版时,对其他的天文学家来说并不没有什么惊讶。他们认为这是自托勒密以来最全面的天体运动学说。

但是大部分的天文学家也认为托勒密的天动学说尽管很复杂,但也能解决问题。所以当他们对哥白尼的工作致敬并使用他的表格和方法的同时,也怀疑他地球会动的中心理论。他们不接受它以为它只是一种特别的窍门(很像几个世纪後普朗克的量子理论最初被人们所认为的),认为只是很有用的计算工具。用人造模型去描绘天体运动是很方便的假设,这个想法并非是史无前例的。托勒密自己也曾说,他所有的本轮并不都是真实的。有一些只被认为是能够得到理想结果的计算工具而已。

然而,最初,哥白尼的系统没有提出比托勒密天文学更好的计算数据。一部分问题是因为当时的天文观察有错误,这个问题同样都困扰了托勒密和哥白尼的天文学。尽管不久以後更好的天文观察消除了一些问题,还是有其它的问题一直存留了很长的时间。再说,以哥白尼当时所能达到的准确性,既使引进了椭园的轨道代替园形也没有帮助。正如历史学家Owen Gingerich所说的,哥白尼需要做的是“将地球和水星和其他行星同样看待。”

Kuhn谈及哥白尼说:「他的整个系统并不比过去托勒密的精简多少。他们都要使用30多个圆圈﹔为了计算方便两者没有什么差别。这两个系统中也不能说谁比谁更精确。当哥白尼最终完成添加轨道的工作後,他的繁复的日心说并没有提供比托勒密学说更精确的结果,只是一样精确而已。哥白尼也没有能解决行星的问题。」5

优势Advantages

哥白尼模型具有审美和性质上的优势。它为Z字型轨道运动的行星,如在地球上观察到的火星,提供了较自然的性质上的解释,它还回答了有关于行星排序的重要问题。这是为什么日心说终于被接受的原因。正如Kuhn说的,「De Revolutionibus使得哥白尼学说的继承者相信日心说是了解决行星问题的关键,而这些人最终提出了哥白尼一直寻找的简单而精确的解法。5

这是科学革命上的一个要点。开始时,新的理论很少能够提供比前辈理论更让人信服的结果。通常是新的模型有吸引人的地方,经常是有美感,可以吸引其他人去使用这个模型来研究。如果随着时间的考验,新的模型被证实对解决很多疑难问题有效时,就会有支持者了6

哥白尼模式的成功得到丹麦天文学家Tycho Brahe的工作帮助,他在望远镜发明的前数年去世。Tycho被认为是最伟大的用肉眼观察天象的人。他的涉猎之广和准确的观察对後世有巨大的影响。

尽管Tycho的关键的角色得到肯定,他如当时大部分的天文学家一样反对哥白尼的地球运动学说,只是不为大多数人所知。他觉得,哥白尼学说挑起的问题比解决的问题要多。但除Tycho的反对,他的观察为日心说提供了两个主要便利:他去除了一些困扰早期模型的陈旧错误的数据,这样有利于去掉哥白尼学说不能解释的异常点。更重要的是,Tycho数据的精确性使开普勒提出了星体运动的轨道不是圆形——正如托勒密,哥白尼,和Tycho假设的——而是椭圆的关键点。

围绕哥白尼的民间传说中,椭圆轨道的引进被认为是最终导致他的模式被接受的关键。虽然开普勒以前的天文学家被不公平地认为他们因为出于美学考虑和对希腊文化的盲目崇拜而坚持圆周运动的理论。但在那时,假设圆周运动的原因是合情合理的。那时没有关于引力的理论,又需要有一个原因来解释运动。圆周运动被解释得似乎合情合理。一个物体一旦受到外力时期做圆周运动,如果不被打扰,就将继续保持运动下去。

像椭圆运动这种更加复杂的运动意味着行星到太阳的距离和速度要时刻改变。这需要一个动力学理论来解释,但在牛顿以前不存在这个理论。正是由于引进了地动学说,而产生了很多当时的物理理论的解决不了的问题。再加上非圆周运动是这些问题更加复杂,使得反对哥白尼学说的声音愈演愈烈。

开普勒革命性的椭圆轨道理论,加上他的面积定律,让哥白尼的模型省去了麻烦的过程。但是在1627年出版,他的用于行星运动的精确表格Rudolphine Tables很难使用。知道了60年後发表的牛顿的重力和运动学说,哥白尼才完全得到科学支持,而将他的模式建立在一个坚固的理论基础上。

宗教上的反对Religious objections

实际上对日心说的宗教反应也和民间传说大不相同。首先,哥白尼自己就是一个有名望的牧师。他甚至在献给教皇保罗三世的一本书的信里为他那看起来奇怪的地动说道歉。他解释道为了能够构造日历和预测行星位置,因为托勒密学说的不完全,他被迫做出了自己的假设。一位红衣主教和主教鼓励他发表自己的观点。实际上,在哥白尼死去的60年里,在他的De Revolutionibus发表的两个月後,该书首先就被天主教大学阅读,并将部分作为教学内容。

1600年,教会以异端的罪名将哲学家布鲁诺Giordano Bruno,哥白尼学说的支持者,施以火刑。布鲁诺是因为反基督教教义作为异端的罪名而不是作为一个哥白尼学说者而死的。但实际上,可能是因为布鲁诺是支持日心说的学者而被後世认为是第一个为科学献身的人。

De Revolutionibus发表多年後,当哥白尼学说仍然在数学天文学界徘徊,更加受欢迎的通俗天文学和宇宙学书籍的作者还是没有注意到这本书或基本上忽略了这本书。一些非天文学家就嘲笑这件事情——不是因为异端而是因为宣扬分明荒谬的地球会动的想法。

通过诗人等大众化的作家,哥白尼学说被广泛认识并最终开始挑起宗教立场的反对。但在这件事上,实际的历史使人吃惊。最初反对的不是罗马天主教会而是新教徒。

Kuhn表示因为马丁路德(1483-1546)和他的改革宗的领袖们强调了圣经作为基督徒基本知识和权威的根源。而哥白尼学说显然和圣经有着巨大的矛盾。而天主教庭,因为更着重于教条上的問题,实际上对待科学却有着更大的灵活性。

路德在1539年声明反对日心主义,说地球围着太阳转的理论与约书亚记中约书亚命令太阳停止不动的内容相违背。路德的助理Philipp Melanchthon跟着找到其他的圣经章节说明地球是静止的。

圣经和哥白尼学说的冲突不仅限于太阳或地球运动的經文。随着哥白尼学说的逐渐被接受引发了也其他的影响深远的理论难题。正如Kuhn指出的,问题是越来越多:

如果哥白尼学说是真的,那么对于相信这理论的基督徒引发了巨大的问题。比如说,如果地球仅仅是六个行星中的一个,那么如何去看待对基督徒的生活产生极大影响的堕落与永生?如果还有其他基本上像地球一样的行星,那么上帝对它们也需要有慈爱,它们也会有人类栖居。但是如果其他行星也有人生存,他们怎么可能是亚当和夏娃的後裔,他们又从哪里继承原罪?。。。再者,其他星球的人怎么知道救世主向他们打开了通向永生的可能性?或者,如果地球只是一个星球,偏离宇宙中心的一个天体,那么人不再介于天使与恶魔之间而介于什么呢?如果地球仅是一个行星,与其他天体有共同的本质,那么它就不能作为罪恶的底槽,人们渴望逃离它而向往圣洁天堂的地方。诸天也不适合作为神居所的地方,因为从地球这个星球来看,其他的行星也都是罪恶和不完美的。最严重的是,如果宇宙,如後来的哥白尼学说所想是无限的,那么神的宝座在哪?在无限的宇宙中,人怎么去找到神或基督?5

随着时间的流逝,哥白尼学说对基督教造成了越来越严重的干扰;他们必须阻止。後来圣经成为反对哥白尼学说的最佳武器。17世纪新教和天主教牧师开始找遍圣经猎取对策。人们称哥白尼学说者为异端并压迫他们。但是新教没有如长久以来建立的天主教的镇压的力量。

Kuhn认为很可能是萌芽期的新教造成的威胁导致天主教在1616年从对哥白尼学说的容忍突然转变为镇压。「实际上哥白尼学说被宣告有罪是在宗教改革时期,当教庭为了迎合新教徒不满的内部改革而遭受了最严重的挑战时期。反哥白尼主义者,至少是部分认为是改革引起的。另一原因增加了教庭对哥白尼主义的敏感度,自1610年 [当年加俐略首先用望远镜瞭望诸天] 很可能产生了一些延期的反省地球移动在神学上的意味。那是16世纪时代尚未明显的含意。」5

哥白尼模式作为对人类的降级的思想最早可能形成于1650年左右,那时科学界已经接受了日心主义。宗教机构开始一场可以说是对哥白尼学说的宣传战。真相可能是这样的,当日心说理论建立成熟後,太阳所在的位置的确开始被认为是一个有利的地点。因此当人回顾历史将这新的宇宙中心为最佳点的信念付加于前哥白尼的时代。 降级的观念很可能用来作为振作非科学的宗教人士的士气,通过唤起人类的自尊心来反对哥白尼主义。

当新教发现明显有大量不可抗拒的证据支持日心系统时,很快就放弃了反对哥白尼主义的立场。但是天主教因为其庞大组织更受传统和官僚制度的束缚,很长时间仍旧坚持反哥白尼学说的观点。直到1822年才取消对哥白尼的禁令,到1835年哥白尼的书才从禁书中撤除。实际上只有在1992年罗马教皇约翰保禄二世才宣告停止对伽利略的仲裁。这样罗马天主教会普遍被认为是在科学历史中那段最臭名昭著的时间里最主要的恶人。

我们能从其中学到什么?哥白尼改革的故事说明了实际的科学历史和在中学、大学中学到的或是课本里描述,还有大众媒体所宣传的胶囊版本是相去甚远的。Steven Weinberg称他们为「有预谋 [盆栽]的历史」。 真实的故事要更加复杂,但是也更加有趣。

我要感谢Owen Gingerich的开导性讨论和很多有用的建议

Mano Singham 是大学教学和教育革新中心的主任,又是俄亥俄州克莱伦Case Western Reserve University的物理助理教授。

References

1. See, for example, P. Fishbane, S. Gasiorowicz, S. Thornton, Physics for Scientists and Engineers, 2nd ed., Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ (1996), pp. 1, 320, 321.

  1. 2. D. R. Danielson, Am. J. Phys. 69, 1029 (2001) [SPIN].
  2. 3. M. Singham, Phi Delta Kappan 88, 590 (2007).
  3. 4. J. B. Russell, Inventing the Flat Earth: Columbus and Modern Historians, Praeger, New York (1991).
  4. 5. T. Kuhn, The Copernican Revolution: Planetary Astronomy in the Development of Western Thought, Harvard U. Press, Cambridge, MA (1957).
  5. 6. I. Lakatos, The Methodology of Scientific Research Programmes, Cambridge U. Press, New York (1978).

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