"哥白尼革命"辨

作者：肖巍

大自然探索 1998年06期

　　“哥白尼革命”（Copernican revolution ）作为一个著名的譬喻早已为人们耳熟能详，但它亦有渲染之处。因为仅就哥白尼提出“日心说”本身而言，并不足以构成一场真正的科学革命，实际上是经过了开普勒、伽利略等人的工作，直到牛顿确立经典力学体系，它的革命性效应才完全释放出来。

　　“革命”（revolution，拉丁文revolutio）一词， 来自动词运转（revolve， 拉丁文re- volvere ）， 本义旋转， 与无回复的进展（evolve，evolution）不同。这个概念起初是表达天体的周转， 以后才推广到比较广泛的周期性运转现象。在政治意义上使用revolutio （推翻）则要晚一些，那也是从翻转、循环中引伸出来的，这层意思时常还会隐隐约约地反映出来。

　　早些时候，萨克罗波斯库所著《天球论》（约1220），还有但丁、乔叟等人的作品中都是这样使用revolutio的。 而这个概念最引人注目地就是出现在哥白尼那部惊世骇俗的著作标题上：De RevolutionibusOrbinm Coelestium （《天体运行论》， 1543 。 不排除其原名即DeRevolutionibus）[1]。

　　哥白尼的时代，由于观测手段的进步，一直被当作学术权威的希腊天文学家托勒密所著《至大论》（Almagest，约140 ）中描述的宇宙体系，必须再附加几十个本轮、均轮，还有大量偏心运动、等距点辅助假设才能获得与天象观测比较符合的结果。哥白尼在意大利求学时，受业于波洛尼亚大学复兴毕达哥拉斯派领袖诺瓦拉，经常与其在一起讨论《至大论》以及改进托勒密体系的方案，特别是他得知古代阿利斯塔克（Aristarchus，前3世纪的希腊天文学家）就曾有过以太阳为中心的宇宙体系设想后，便开始认真考虑这一假说，并试图给予数学上的证明。

　　哥白尼先在《概要》（Commentariolus，1514年以前）里给出了一个简要的、没有多少计算的日心（准确地说是假设太阳静止）体系，它以手稿的形式流传。若干年后，哥白尼的名声已经不小，有人以《初步报告》（Narratio Prima，约1540）为题介绍其日心说。不久，衰老多病的哥白尼接受了朋友的劝告，同意发表《天体运行论》。但直到他弥留之际，这部划时代的著作才得以出版。这部书开始给人的印象似乎是，日心体系不过是为了“拯救现象”所提供的一种与观测相符的计算方法，而未必是真实的。一般认为这是由该书出版代理人奥西安德那篇未署名的序言瞒天过海造成的。

　　哥白尼本人作过一幅图来解说他的体系：中央圆心代表静止的太阳（sol），外面依次有标着从1到7的七个同心圆圈， 如最外层圆圈的说明：1，Stellarum fixarum sphuera immobilis（静止不动的恒星天球）；第三层圆圈的说明：3，Iovis Ⅻ annorum revolutio（木星12 年运转一周）；第五层圆圈的说明：5，Telluris cu Luna an.re.即Telluris cum Luna annua revolutio （地球携带月亮每年运转一周）的缩写。这里所谓运转就是revolutio（公转），即天体的运行， 可见所谓“哥白尼革命”的本义实际上是指他揭示了众行星，包括地球围绕太阳所作的公转运行。

　　在《天体运行论》原序中，哥白尼称促使他“理解最美好和最灵巧的造物主为我们创造的世界机器”的，是因为过分复杂的托勒密体系显然“与均匀运动的基本原则相抵触”；而上帝理应创造出一个简单和谐的宇宙，“如果把其他行星的运动与地球的轨道运动联系在一起，并按每颗行星的运转来计算，那么不仅可以对所有的行星和球体得出它们的观测现象，还可以使它们的顺序和大小以及苍穹本身全部联系在一起了，以至不能移动某一部分的任何东西而不在其他部分和整个宇宙中引起混乱”[2]。这个宇宙的中心靠近太阳，围绕着太阳， “行星依次运行的规律以及整个宇宙的和谐”都得到了很好的说明。

　　哥白尼从数学上证明利用日心体系的匀速圆周运动的组合，就能使行星及其轨道顺序配合得相当紧密。这个体系最明显的优点是给予行星视运动，如“留驻”、“逆行”现象（由于观测者所在的地球与被观测行星的不同运动速度，表现出它们相对位置的变化），两分（春分、秋分）点的岁差，行星排列次序等等以“自然的”（不是力学的）解释。哥白尼力图表明他是多么愉快地反映了神圣缔造者的意愿。

　　此后，以观测见长的第谷·布拉赫历经多年，精确地测定了许多重要的天文数据。 他通过追踪彗星轨迹， 发现坚硬透明的天层（orbescoelestes， 从亚里士多德到哥白尼都相信星体分别镶嵌在各级天层上，因此《天体运行论》实际上是“天层公转论”）并不存在。但第谷本人疏于理论分析，他的弟子开普勒则充分利用了这笔“财富”。作为哥白尼学说的忠实信徒，开普勒是一个更加相信宇宙秩序即数学和谐的天文学家，他早年就企图把行星与太阳的相对距离同五个正多面体对应起来，并设计了一个使它们相互嵌套的宇宙模型。开普勒最重要的贡献是提出了行星运动三定律，表明行星运行于椭圆轨道，解决了哥白尼理论与第谷观测数据之间的误差（《新天文学》，1609），特别是第三定律（行星周期平方与轨道平均半径立方成正比，《世界和谐论》，1619）为牛顿提出万有引力定律作了重要准备。

　　如果说，哥白尼、开普勒的天文学仍然具有很强的理想色彩，而缺乏坚实的物理学基础，那么，伽利略用望远镜寻找新天文学的确凿物证，发现木星有卫星（小天体绕大天体运转）、金星的位相（行星均有绕日运转的圆缺变化）等现象，特别是他所精心拟议的动力学框架的构建，则树立了数学模型和实验验证相结合的近代科学方法的典范。一般认为，在从事物为什么运动的目的论形而上学向事物如何运动的实验物理学的转型过程中，伽利略的工作起了决定性的作用。

　　伟大的牛顿证明行星的椭圆轨迹正是他推算出行星之间的力（即引力）反比于其距离平方的运转轨迹（万有引力定律的一个例证）。在划时代的《自然哲学的数学原理》（1687），他进一步对宇宙万物的运动作出统一的描述和解释，成功地把“天上物理学”与“地上物理学”统一了起来——它们都服从于类似引力定律这样的自然规律。早先哥白尼把上帝庇护的地球挪到了一个并不更加显赫的位置；伽利略又部分地澄清了有关天空的神话；牛顿则彻底打破了亚里士多德天尊地卑的格局，“根据引力理论美满地推导出整个宇宙体系的解释”。他不止一次地申明不杜撰假说，从而事实上拒绝了“第一次推动”（上帝创世）以外任何目的论的解说。

　　至此，一场始自哥白尼反对以人为宇宙中心说的近代科学运动达到了高峰，在牛顿那里，实现了一场完全意义上的科学革命。旧的传统知识就这样被以牛顿为杰出代表的近代科学精神取而代之了。

　　“哥白尼革命”被一般地理解为观念发生的革命似始于康德。康德自诩发动了一场“哥白尼革命”式的理性批判运动，即人们并不是从自然界中引出，而是他自己为自然界立法（规律）。正如波普尔概括的，“从某种意义上完全可以说，我们的宇宙是围绕我们而旋转的；因为我们从中发现的秩序（至少其中一部分）正是我们制造出来的。正是我们创造了我们关于宇宙的知识”[3]。

　　T.库恩著名的《科学革命的结构》（1962）也是以《哥白尼革命：西方思想发展中的行星天文学》（1957）的研究成果为底本的。他称哥白尼的革命是一个“复式”事件，包括天文学基本概念的变革，人对宇宙——自然理解的根本改变，进而成为西方整个价值观念变革的一部分。库恩认为，科学革命旨在建立一种新的“范式”，即“以新眼光去看旧现象”，或者说是“重新概念化的过程”[4]， 新范式替换旧范式的过程；范式的变革必然会引起整个理论体系的变革，而具体的科学发现则属于这个变革的形象事件。

　　众所周知，古代的科学发韧于天文学，人们试图在天体（astro-，星的）周期性运行中寻找出某种规律性（-nomy）， 除了天文学与农业、历法及航海密切相关，还因为许多重要的理论性构思都起源于它。自毕达哥拉斯以来，宇宙就被认为是一个真正的cosmos（宇宙），天体运行表现为完美均匀的圆周运动。哥白尼也认为，“也许能够找出这些圆形更合理的一种安排，使每一个出现的差异都可以从它推导出来，根据这种安排，每个天体都绕着它合适的中心均匀转动，正如绝对运动规律所要求的那样”[5]。

　　哥白尼反传统的天文学观念（而不是他使用的演算方法和排列出来的星表）终于形成了一股颠覆（革命）波。特别是付出了像布鲁诺被烧死在罗马鲜花广场、伽利略遭受宗教法庭迫害这样沉痛的代价之后，这一“革命”的悲剧色彩就异常强烈了。1616年，哥白尼的著作被教会列入“禁书单”，因为地动的说法与《圣经》明显抵触。伽利略冒犯了这一禁令继续宣传其说，在不得不“认罪”之后， 仍然坚持“Eppur Simuove”（地球仍在转动）。

　　但必须看到，哥白尼本人还是一个“拯救现象”派，即希望用一种优美的方式来协调天文学现象。“在充满毕达哥拉斯思想的哥白尼看来，行星运动的最精致和最和谐的数学表示，无疑是唯一真正的行星理论”[6]。日心说虽然颠倒了托勒密体系， 却旨在恢复一个更古老的传统。哥白尼也“远不是一个想用全新的理论代替传统理论的革命派，而是想……回到古希腊天文学家建立的原则上来。他曾小心谨慎地指出，他关于日心体系的建议——让地球和其他行星围绕固定不动的太阳旋转——并不是什么新思想，而是古代某些权威所认可的”[7]。 至于地球被挪离中心位置，又是什么力量维系了这个新宇宙，他是不想追究的。哥白尼主义者用以反驳所有反对意见的，实际上只有一个理由，那就是数学上的和谐优美和简洁，正如开普勒步其后尘所说的，科学即在于发现宇宙的合理秩序与和谐，而那是上帝以数学语言透露给我们的。

　　《天体运行论》题页引用了柏拉图那段著名的箴言：“Ageometretostretos medies eisito！”（不懂几何者不得入内）。全书第一卷概述了新的日心宇宙体系及其自然哲学观念，这只占全书约5%的篇幅集中了哥白尼学说的精华， 而后五卷充满了眼花缭乱的几何论证。他更重视将天体复归（即revolutio ）于完美的均匀的圆周运动（而这恰恰为开普勒的行星沿椭圆轨道运行的结论所否定）。为了给出它们的复合方式，哥白尼也不得不频繁地使用本轮、均轮，证明非常复杂。他始终认为，完美的运动只受原动力（上帝）支配，而那个运动根源永不改变。就此而言，这仍然属于一种非常古老的“范式”。而且，就日心体系的经验论证而言，它的观测精度也还只能达到很粗糙的水平。哥白尼曾经感慨道，如果日心说能够与观测行星的精确位置一致的话，他就会像毕达哥拉斯发现他的定理（即勾股定理）那样欢欣鼓舞[8]，可见其理论与观测的符合情况并不理想。

　　日心说的主要困难在于人们普遍不相信地球是运动的。《圣经》如是说，日常经验亦如此明白真切。包括第谷也认为此说于常理不通。他搞了一个折衷体系，即各种星球绕太阳，而太阳仍以地球为宇宙中心运转（这个体系一度被认为集中了两大天文体系的优点）。开普勒虽然已注意到天体的动力机制，但也没有很好地解释地球运动。一直到伽利略提出运动相对性原理，证明地球的大致匀速运动符合惯性定律，才有效地解决了这个难题。这已经是好几十年后的事了（《关于两大世界体系的对话》，1632）。

　　要之，哥白尼学说本身还不足以构成近代科学的革命，真正的“革命”还有待于来者……

　　重要的是，上述判断并不意味着贬低哥白尼学说的实际意义，因为“哥白尼的这个伟大的成就，不仅铺平了通向近代天文学的道路，而且也帮助人们在宇宙观上引起了决定性的变革。一旦认识到地球不是世界中心，而只是较小的行星之一，以人类为中心的妄想也就站不住脚了。”[9]正如库恩所说，“哥白尼革命”的意义主要在社会学方面， 他的研究与当时社会情境有关[10]。日心说冲撞了长期占统治地位的宗教观念，这才是它引起广泛轰动的主要原因。

　　事实上，地球运动不是日心说的一个观察结果，而是哥白尼信仰的哲学——一个被“拯救”的现象。但对于伽利略来说，新科学立论的根据是观察，是与确证数学构思相联系的实验。他强调自然这本大书是用数学写的，科学假说就是运用数学构思出来的模型；但科学不能单凭数学来刻划（哥白尼、开普勒都是这方面的行家），任何理论都必须付诸严格的实验检验，并把它列为确证未来知识的经验基础。因此，伽利略与神学家的分歧就不仅仅在于是否承认实验证据（例如通过望远镜去观察有利于日心说的天文现象）的有效性，更在于是否承认数学——实验方法的有效性。而这正是亚里士多德的先验“形式”（数学）与不完善的“质料”（物理学）之分离的要害。

　　哥白尼学说“开辟了行星运动问题与此后一百五十年间发展起来的‘普通’（地球上）力学的简单定律之间相互结合的道路。这是两门科学，甚至两种方法的结合，它是通过牛顿的万有引力定律最终完成的”[11]。牛顿严格地证明开普勒行星运动定律（日心说的较好表述）和伽利略动力学定律在物理学上是一致的；而哥白尼则以一种理想方式，给予先验的数学和后验的自然哲学，即物理学趋于这种一致的可能性。“古典的、中世纪的宇宙概念——以质规定的统一体和层次井然的整体，在其中不同的部分（天与地）服从不同的定律——被宇宙的概念即一个开放的和无限伸展的存在的整体，受其基本定律的同一性所制约、所统一的概念所取代，它决定了‘天上物理学’与‘地上物理学’的合并”[12]、“对于哥白尼来说，日心观点仅仅代表行星最对称的排称，以及用以解释观察到的行星运动的最简单的方式。但对于开普勒来说，它是发现行星运动定律的必要前提，而对牛顿来说，它打开了一条合理解释这些定律的道路……他们由此而赋予日心观点以一种新的发生的意义”[13]。

　　以伽利略——牛顿名义建立起来的机械（machanics， 这个词本身就提示了力学的性质）决定论表明：宇宙间大至天体，小到微粒，其结构井然有序，其运动合乎规律，原则上可以通过受约束的数学—力学方式来解释，“自然哲学的目的在于发现自然界的结构和作用，并且尽可能把它们归结为一些普遍的法则和一般的规律——用观察和实验来建立这些法则，从而导出事物的原因和结果”[14]。

　　按照罗素的说法，这里有两个方面特别值得注意：一是从物理学中清除了由来已久的物活论。根据惯性原理，物质世界一旦发动起来，倘若不加制止将永远运动下去，而促成宇宙运动变化的外部原因也总是物质性的。也就是说，除了创世是上帝一次性的“奇迹”，从此往后的一切均须按自然的法则行事。二是人类的地位发生了深刻变化，他不再处于整个宇宙的中心，他所居住的地球亦不过是一个小小的星球罢了，于是上帝为他预设的“目的”也就没有必要再充当科学解释的一个前提了[15]。“这是一场改变他们心目中的宇宙图景而代之以另一图景——建立一个新的体系以代替亚里士多德体系的革命”[16]。这场“科学革命”（the Scientific Revolution， 加定冠词特指牛顿完成的那场革命）“使得基督教兴起以来的一切学说都相形见绌。与之相比，文艺复兴和宗教改革也仅仅是中世纪基督教体系内部的某种更替，或只不过是一段‘插曲’而已。由于这场革命改变了物理世界的图景和人类生活的结构方式，甚至也就改变了在处理非物质科学时人们所惯常的精神活动特点，因而作为近代世界和现代精神的真正起源赫然突现了出来”[17]。

　　自然科学领域自不待言，牛顿革命的影响亦迅速向社会历史领域传播开去。人们似乎更愿意相信，这个世界上的一切问题都可以简约为可计算的机械论问题。18世纪法国启蒙运动的纲领就建立在牛顿的原理和方法上，并企图构建社会科学的类似体系。包括19世纪空想社会主义者所谓“万有引力哲学”，还有经济学、心理学、社会学等方面的纷纷效尤，都是对这场知识革命的积极回应……

　　根据美国科学史家I.科恩的看法，一场科学革命大致可以分为四个主要且前后相继的阶段。第一是“智力革命”阶段，个人在几乎无交流的情况下，先声夺人地提出一种全新的知识框架（尽管它仍具有既定的科学基础和哲学背景）。这些新发现、新观点被记录在案，就构成了第二阶段，与第一阶段一样，它仍是非公开的。第三阶段才是公开发表的、可称之为“纸上革命”的阶段。在这个阶段中，新观念进入科学共同体，向同行及更广泛的知识界传播开去。但在这三个阶段中任何一个阶段，科学革命都有可能夭折或失败，如最初的发现被淹没在尘封之中，新观点得不到足够的支持等等。倘若新的观念终于为科学共同体所接受，并开始指导具体的科学活动，这就进入第四阶段，亦即发展为一场真正的科学革命。

　　相应地，对一场科学革命的判断，又由四组相关的判据所组成。第一组判据，系当时见证人是否认为新的观点或发现已具有革命的性质。第二组判据涉及有关历史文献的记载，即新观念是否被普遍接受。第三组判据则来自科学史家、哲学史家对其历史地位的评价。第四组判据包括迄今从事相关领域研究的科学家的一致看法。如果顺利地通过这四组判据，一场科学革命才被确认[18]。所谓“哥白尼革命”实际上是到了牛顿时代才真正完成的，这也正是本文所要辨证的观点。

作者介绍：肖巍 1954年生，哲学博士，复旦大学社会科学基础部副教授。复旦大学，上海 200433 Fudan University,Shanghai 200433