谁见过地球绕着太阳转（三）

□ 葛云保



谁见过地球绕着太阳转（三）

□ 葛云保

把太阳放到宇宙中心

托勒密体系自诞生以后，独步千年没有遇到过真正的挑战，它的确有非常成功的地方，但它暴露出的问题也很明显，对它的质疑从未停止，这些质疑推动后来的天文学家去修补它、完善它，或者彻底改变它。

从13世纪末开始，到16世纪盛行于欧洲的文艺复兴运动，大大解放了人们的思想，有力地推动了文学艺术及科学的发展。14世纪末15世纪初，在地中海沿岸的一些城市出现了资本主义的萌芽，社会更加推崇创新进取、冒险求胜的精神，知识与才艺受到人们的普遍尊重。1492年新大陆的发现大大开拓了欧洲人的视野。1519年9月麦哲伦船队往西航行，历经千辛万苦，于1522年9月返回了西班牙，大地是球形的假说在历经两千年后，得到了最有力的证明。

正是在这样的背景下，1543年，《天体运行论》出版，一个新的宇宙体系诞生了，创立这一全新体系的就是波兰天文学家哥白尼（Copernicus）（图1）。

哥白尼认为，地球与天穹相比，不过是极其微小的一个小点，如果是地球静止而天球在转，天球上的无数恒星将要以无法想象的速度每天绕地球一圈，比地球表面上所有物体的运动速度快上无穷倍，那太不可思议了，所以地球自转比天球绕地球转更合理。

哥白尼说，行星看起来有时亮有时暗，说明它们离我们有时近有时远，这件事实确凿地证明它们轨道的中心并非地心。金星和水星显然是以太阳为中心旋转的，另外三颗行星，土星、木星与火星，它们和太阳相冲时离地球最近，当这三颗行星看起来在太阳附近时离地球最远，这足以说明它们的中心不是地球而是太阳。那么地球也很可能是在绕太阳运动。

于是哥白尼说：“静居在宇宙中心处的是太阳。在这个最美丽的殿堂里，它能同时照耀一切。难道还有谁能把这盏明灯放到另一个、更好的位置上吗？”

图1 哥白尼的太阳中心模型

离太阳最近的是水星，然后是金星，在第三位的就是地球以及绕地球旋转的月球，再往外依次是火星、木星和土星。“在一切看得见的物体中，恒星天球是最高的了。我想，这是谁也不会怀疑的。”

这就是哥白尼体系，一个全新的宇宙体系，一个挑战人们的直觉，挑战传统，挑战宗教的体系。这样的体系会有人相信吗？有人敢相信吗？

哥白尼知道人们会质疑他的理论，对此，他在书中尽可能地做出回应。为什么人们感觉不到地球在运动呢？哥白尼说，“当船舶静静地行驶，船员们从外界每件事物都可看到船的运动的反映。而在另一方面，他们可以设想自己和船上一切东西都静止不动。”为什么天文学家们从来都没有观测到恒星的视差呢？哥白尼的回答和1700多年前的阿里斯塔克斯几乎一样：“地球与宇宙中心的距离和恒星天球的距离相比是微不足道的”，恒星“非常遥远，以致周年运动的天球及其反映都在我们的眼前消失了”（图2）。

说实话，哥白尼的辩解不能说是很有新意很有力量，而更大的问题还有，为了处理天体运行速度的非匀速性，以及天体与轨道中心距离的变化，坚信天体是在正圆形轨道上匀速运行的哥白尼，也不得不保留托勒密的本轮，用哥白尼体系测算天体位置，和托勒密体系一样复杂，在精确度上面也没有什么提高。

一个新的体系却有这么多缺憾，按理说就不会有人相信了，但为什么还有人用毕生的精力去完善它，有人敢于冒被教会迫害的风险去宣传它，为它提供新的佐证呢？

1 井然有序

在哥白尼体系中，地球这个相对很小的天体围绕太阳这个相对很大的天体旋转，显然更合乎常理。由于地球在绕日旋转的同时，每天自转一周，日、月、行星每天跟随恒星天球由东往西旋转，但又在由西往东反向运动，这个问题就不存在了，所有的行星（包括地球）都围绕太阳按相同的方向运转，统一、和谐、简洁。

在哥白尼体系中，行星按照它们围绕太阳旋转的周期，由快到慢，从里往外排列，依次是水星、金星、地球、火星、木星及土星，这个顺序，和经过测算得出的各行星轨道半径的大小顺序完全一致，水星、金星的位置历经数千年的探索终于被确定下来。“我们从这种排列中发现宇宙具有令人惊异的对称性及天球的运动和大小的已经确定的和谐联系，而这是用其他方法办不到的。”

图2 恒星视差

图3 行星逆行的解释

2 自然、简单地解释天象

行星的逆行历来是困扰天文学家的首要难题，所有的宇宙模型都必须接受它的检验。哥白尼的解释非常简单：包括地球在内的六颗行星都围绕太阳在旋转，越靠近太阳的行星，运动得越快，于是内圈的行星会一次又一次地超越外圈的行星，就在超越前后的那一小段时间内，站在内圈的行星上看外圈的行星（或者站在外圈的行星上看内圈的行星也一样），外圈（或内圈）的行星相对于遥远的恒星天球就出现了逆行（图3）。

哥白尼体系也很好地解释了为什么行星相邻两次回到黄道带上同一位置的时间间隔会有较大波动。实际上，外行星的运动周期是固定的，只是因为我们站在运动着的地球上“看上去如此”而已。

在托勒密体系中，五大行星被分为两类：土星、木星和火星是一类，而金星、水星则是另一类，为什么呢？托勒密无法回答。这在哥白尼体系下是一个很好解释的问题。因为土星、木星和火星的绕日轨道在地球绕日轨道外面，它们和太阳的角距离不受限制，而金星、水星的绕日轨道在地球绕日轨道里面，在地球上看，它们就只能在太阳左右运动。所谓“两类行星”的区别，仅在于此，没有丝毫神秘之处。

自托勒密体系创立以来，历经一千三百多年，现在终于遇到了真正的挑战！

从纯粹实践角度看，哥白尼的新行星体系是一个失败；它并不比其托勒密派的前辈更精确，也没有显著的简化。但是当你从另一个角度去看它的时候，你会发现它的和谐、统一、自然和简洁，哥白尼体系的生命力正是从这些地方体现出来的。因此，哥白尼体系逐渐地征服了越来越多的天文学家和哲学家。

谁见过地球绕着太阳转？

《天体运行论》的出版并没有想象中的那样引起多大轰动，但它的影响是显而易见的，哥白尼死后50年间写作的许多高等天文学教本都称他为“第二个托勒密”或“我们时代的巨匠”。有越来越多的天文学家或对天文感兴趣的人阅读《天体运行论》，并逐渐由一个相信托勒密体系的人转变为一个相信哥白尼体系的人。

在哥白尼逝世后的一个多世纪里，伟大的科学家相继出现，他们勇敢地捍卫、传播、完善哥白尼体系，将这一体系向前推进，最终取得了完全的胜利。

1564年，伽利略（Galilei）出生在意大利的比萨，1581年他进比萨大学学医，但他的主要兴趣却在数学和物理上面。1609年夏，听说一个荷兰人发明了供人玩赏的望远镜，伽利略非常兴奋，他动手为自己制造一个这样的仪器。1609年末，伽利略将他制作的望远镜指向了天空，他发现月球表面的凹凸不平，有高山也有平原，还有无数像火山口那样的环形山；他观测恒星，发现它们比用肉眼观测时亮得多，而且增加了许许多多原来看不到的恒星；1610年1月7日，伽利略发现了木星有四颗环绕的卫星；1610年8月，伽利略观测金星，发现了金星有如同月亮一样的盈亏现象；1610年末，他又观测太阳，发现了太阳上的黑子，并根据黑子移动的规律测算出太阳自转的周期为25天。

伽利略的发现，并没有提供地球围绕太阳旋转的直接证据，但所有的发现都是对哥白尼体系的有力支持。月球表面的凹凸不平、太阳的黑子都证明亚里士多德关于“天地有别”和“天体是完美无缺的”等有关论断是错误的，天与地没有界限，地球也是天体之一的观点是正确的；望远镜增加了天空恒星的数目，但并没有增大它们的表现尺寸，这证明了恒星离我们地球正像哥白尼预言的那样无比遥远；木星有四颗环绕的卫星被发现，证明天体并非必须围绕地球旋转，地球并不是唯一一颗带着卫星的行星；太阳的自转无疑也提示我们，那么巨大的太阳都在自转，地球不是也完全可以自转吗？金星盈亏现象的发现更是给了托勒密体系沉重一击，证明了金星确实像哥白尼体系描绘的那样在围绕太阳旋转（图4）。

1632年，伽利略发表了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系对话》一书，在书中，他通过三个人物的对话，回应了几乎所有对于哥白尼体系的非难与质疑，赞颂、捍卫、传播了哥白尼体系。

《关于托勒密和哥白尼两大世界体系对话》的出版，引起很大的反响，哥白尼体系为更多的人所了解、接受。但该书也遭到了教会的强烈反对，书出版不久，罗马宗教裁判所便勒令停止出售，并发出审判伽利略的传令。在巨大的压力下，伽利略宣布放弃哥白尼学说换取宗教裁判所的“宽恕”，免予火刑，被判终身监禁。人们传说，伽利略在听完审判时口中喃喃自语：“地球仍在转动”。

比伽利略小七岁的德国天文学家开普勒，一生都致力于行星的真实轨道及其数学规律的研究，1601年他的老师第谷.布拉赫（Tycho）因病去世，这位被称为“星学之王”的天文观测家把他毕生积累的大量精确的观测资料全部留给了开普勒。历经数十年的不懈努力，开普勒极其出色地完成了自己的历史使命。

1609年，开普勒发表了《新天文学》一书和《论火星运动》一文，公布了两个著名的定律，即行星运动第一和第二定律。①行星在椭圆的轨道上运转，太阳位于椭圆的一个焦点上。②在同样的时间里，行星向径在其轨道平面上扫过的面积相等（图5）。

图4 金星盈亏，左图，金星在日地间旋转；右图，金星绕日旋转。

图5 开普勒第二定律

当椭圆轨道取代了托勒密体系和哥白尼体系共有的基本圆形轨道以后，当等面积定律取代了圆周上的匀速运动以后，所有这些偏心圆、本轮、偏心匀速点及其他特设性装置，都不再需要了。原先的哥白尼体系还只是在对宇宙的定性描述上是简洁的，而在定量的细节的描述上依然很臃肿，如今经过开普勒的改造，哥白尼体系才真正变得简洁、和谐。因此，现代科学继承的哥白尼天文学体系是开普勒和哥白尼相结合的产物。

数年后，经历了无数次的试算，开普勒找到了行星运动的第三定律：行星公转周期的平方与它同太阳的距离的立方成正比。

行星运动三大定律是建立在哥白尼体系的基础之上的，在所有的地心体系之上是不存在如此美妙的规律的。

英国伟大的科学家牛顿（Newton）总结了那个时代在力学和天文学方面一系列的重大发现，在伽利略和开普勒等科学家工作的基础上，通过自己的实践和研究，采用数学分析的方法，整理出了系统的理论，建立了牛顿力学体系。

1687年，牛顿的《自然哲学的数学原理》一书问世，在这部伟大的作品中，牛顿阐述了他的三大运动定律和万有引力定律。从这些定律出发，牛顿解释了月亮为什么沿着圆形轨道围绕地球旋转，行星为什么会围绕太阳旋转（图6）。牛顿把地上的运动定律推广到天上，证明自然界定律对整个宇宙来说都是有效的，世界具有物质的统一性。

牛顿证明了一系列与开普勒定律有关的命题，也可以说牛顿推导出了这些命题。牛顿从力学角度得出的这些抽象结果可以应用于太阳系，从而得出太阳系天体运动的真实规律，直到这个时候为止，人们才不再怀疑由开普勒所研究得出的行星运动的三定律，直到这个时候为止，人们才理解了彗星那看似奇怪的轨道，彗星也被纳入了统一的体系。

牛顿发现了万有引力，人们终于真正明白了地球“那一边”的人为什么不会“掉下去”，地球表面的物体为什么不会在高速运动中被抛出去。当对天体运动中力的作用的研究成为天文学的一部分的时候，哥白尼学说就变得更有说服力了。哥白尼的天文学第一次在物理学和宇宙论上都成为可信的，地球和宇宙中其他物体的关系再一次被规定，对行星地球概念最后的有实质意义的反对才消失了。

尽管理论已经很具说服力，但天文学家们依然希望找到直接的证据，无可辩驳的证据，他们坚信这样的证据一定是存在的，随着科学技术的发展，一些重要的证据被相继发现了。

十八世纪三十年代，英国天文学家、格林尼治天文台台长布拉德雷（James Bradley）在寻找恒星视差的过程中，发现天龙座r星（中文名天棓四）在通过望远镜中心的南北标线的时候，会有微小的移动，由北往南，再由南往北，移动的周期是一年，他把这称为“光行差”，光行差是指在同一瞬间，运动中的观测者所观测到的天体视方向与静止的观测者所观测到天体的真方向之差。光行差的意外发现提供了地球在绕太阳运动的另一个证明。

比牛顿小14岁的哈雷，以及其后的克雷洛、梅西叶，运用牛顿定律，准确预测哈雷彗星的回归，并于1759年观测到这颗彗星，牛顿的理论在公众中赢得了最广泛的胜利，这同时也是哥白尼体系的胜利。

十九世纪四十年代，天文学家利用精度越来越高的天文仪器，相继观测到天琴座α（织女）星、天鹅座61星以及半人马座α星（南门二）的周年视差。恒星周年视差的发现是天文学史上的一项卓越成果，它是地球运动最为有力的证明。恒星的周年视差是如此之小，它说明恒星离我们确实极其遥远，而这也正是哥白尼当年预见到的。

图6 牛顿的理想实验

1781年，英国的一位风琴弹奏家兼业余天文爱好者威廉.赫歇尔用自制的反射式望远镜发现了天王星。天王星的轨道特性很快就被计算出来了，但是真实的天王星却多次偏离它的预期轨道，这让天文学家们很困惑，经过种种假设与质疑，人们产生了一种共识：天王星的反常行为应该是受到一颗未被发现的行星的作用的结果。在茫茫星海中要想找到这颗星星，极其困难。天文学家更倾向于根据天王星提供的线索，在哥白尼体系的框架内，运用牛顿的力学理论，来推算出这颗行星的位置。为此，英国剑桥的毕业生亚当斯和法国巴黎天文台的勒威耶几乎同时而又各自独立地进行了复杂困难的计算，给出了这颗行星相对精确的位置。柏林天文台的伽列，根据勒威耶提供的位置，果然发现了它。这一发现轰动了世界，这是科学史上的伟大奇迹，是科学理论伟大预见力的绝好例证，也是哥白尼——牛顿学说的一次无与伦比的伟大胜利。天文学家把这个太阳系的第八个行星命名为海王星。

恩格斯说：“哥白尼的太阳系学说有300年之久一直是一种假说，这个假说尽管有百分之九十九、百分之九十九点九、百分之九十九点九九的可靠性，但毕竟是一种假说；而当勒威耶从这个太阳系学说所提供的数据，不仅推算出一定还存在一个尚未知道的行星，而且还推算出这个行星在太空中的位置的时候，当后来伽列确实发现了这个行星的时候，哥白尼的学说就被证实了。”

（作者根据本人著作《谁见过地球绕着太阳转》（科学出版社）改缩写而成）（责任编辑 张长喜）