“日心说”是怎么取代“地心说”的？清华吴国盛导读《天球运行论》

　　2023年是著名天文学家哥白尼诞辰550周年,也是《天球运行论》出版480周年。

　　12月2日晚八点,由北京市科委、中关村管委会科普专项经费资助的科学传播公益项目“高山科学经典”邀请到了清华大学科学史系系主任、清华大学科学博物馆馆长吴国盛,清华大学天文系教授毛淑德,清华大学科学史系博士研究生严弼宸,于哥白尼诞辰550周年之际,一起导读《天球运行论》,看看哥白尼是如何开启了一套新的思想范式,使“地心说”在其后百余年间被逐步推翻,并使日心体系最终获得成功。

　　究竟是太阳绕着地球转,还是地球绕着太阳转?在如今,“地球绕着太阳转”是一个学龄儿童都能脱口而出的科学常识。然而这个常识的获取背后是一场意义非凡、影响深远的科学革命,这场革命是如何开始的呢?

　　天球相对于地球进行周而复始的永恒旋转,是希腊数理天文学的基本假定。它向人类指示了天界运动的周期性与稳定性,同时也指示了大地的中心位置。柏拉图、亚里士多德、欧几里得和托勒密都认同天球概念,并以此作为构建宇宙论的基础。托勒密通过一系列数学工具模拟行星的不规则运动,从而建立了具有强大解释力的地心体系,这种理论一直延续了1500年而无人打破。

　　直到1543年,这个不同寻常的年份,哥白尼的《天球运行论》正式出版,他在这部巨著中向统治西方思想千余年的“地心说”发出挑战,提出了“日心说”,从而在根本上颠覆了人类对宇宙的传统观念。

　　“这本书具有很强烈的戏剧色彩,它具有双重品格,既保守,又革命。”导读嘉宾吴国盛教授介绍到,“哥白尼是希腊数理天文学的正宗传人,他之所以挑战托勒密的‘地心说’,是因为他嫌弃托勒密背离了希腊天文学的基本假定,即宇宙(Cosmos)是和谐完美的。同时,《天球运行论》是革命性的,体现在用日心取代地心,重构宇宙秩序,而且更大的革命性在于它开辟了物理学。”

　　吴国盛教授在高山科学经典导读现场

　　希腊天文学的基本问题是行星问题,他们将天上所有的星分为两类,一类是恒星,步调一致,相对固定,周日旋转。第二类是日月五星,它们的黄道运动不均匀,具体表现在速度不均匀、偏离黄道、逆行。

　　对于尊崇宇宙和谐完美的希腊人来说,日月五星不均匀的黄道运动令人烦恼。柏拉图便对他的学生说,一定要想办法将行星的表观不规则运动还原成规则运动,这便是“拯救现象”。

　　“欧多克斯是希腊天文学的开创者,他是完成柏拉图任务的第一人,他用天球的层叠模拟行星的表观运动,基本上可以模拟日月五星不均匀的运动。”吴教授解释道,“但这个模型有个缺点,行星离地球的距离保持不变,就意味着没法解释行星亮度的变化。”

　　为了进一步解决这个问题,人们又发明了“本轮+均轮”模型,可以模拟行星逆行,而且可以解释亮度的变化。“这个方法一直沿用到了公元150年左右,出生在埃及的希腊天文学家托勒密做了一个大综合,在‘本轮+均轮’的基础上加了‘偏心圆’,还加了一个新技术‘偏心匀速点’,这三种技术混合使用,就可以合成非常复杂的行星运动,能很好地解释、预测行星位置。”但托勒密体系也有不足之处,成为了哥白尼革命的原因,吴教授在导读时介绍到,“托勒密体系中的行星方案各自独立,缺乏统一性;托勒密引入equant,破坏了cosmos的对称原则和均匀原则;托勒密体系是复数不是单数,众说纷纭莫衷一是,违背了宇宙唯一性原则。”

　　吴教授认为,“哥白尼完全继承了希腊人对天文学的基本预设、基本问题和基本方法,他是行星天文学者,只关注行星方位问题,用天球几何的重叠方式模拟不规则运动。甚至当他认为地球是公转的时候,他也是让地球镶嵌在一个天球上转。天球这个概念在哥白尼这里是不能忽略的,离开这一点就没法理解它为什么要让地球这么转。”

　　哥白尼揭开了科学革命序幕,太阳成为“宇宙中心”,为现代科学体系的形成开辟了道路。

　　哥白尼革命是什么时候胜利的?

　　吴教授认为,哥伯尼不是靠自己取得胜利的,是靠他的后续追随者们持续不懈的努力胜利的。“第谷体系部分吸取了哥白尼的成果;开普勒发现了椭圆轨道,升级了哥白尼日心体系;伽利略的望远镜解开了哥白尼的不少困难,伽利略的运动学帮助破解了运动困难;最后,哥白尼体系随牛顿力学的成功而最后成功。”

　　哥白尼是一位业余但出色的天文学家,圆桌对谈嘉宾毛淑德教授从天学家的同行身份对他评价道:“哥白尼本身没有做过太多预测,但他也许是个天才。他能在获得数据后构造出一个解释数据的理论,并能够提出预言,这个贡献是非常大的。”

　　毛淑德教授在高山科学经典导读现场

　　《天球运行论》全书共6卷,一种观点认为,这部作品充满枯燥繁琐的技术性细节,因而真正能看完此书的人恐怕少之又少,或者说大家读过也就看看第1卷日心说大纲。然而事实果真如此么?

　　主持人兼圆桌嘉宾严弼宸博士说:“不是这样的。尤其是16世纪,哥白尼的同行更看重的是书的数学部分,好奇哥白尼是怎么把偏心匀速点给去掉,又怎么把复杂的行星运动模拟出来的。”

　　严弼宸博士在高山科学经典导读现场

　　哥白尼革命是一场缓式革命,涉及到数学、宇宙论、物理学等各领域的改变,是一个很漫长的过程。

　　在导读最后,吴教授总结到:“哥白尼与托勒密属同一传统,并非死敌,伟大的理论从来都有历史传承;没有后继哥白尼主义者的百年努力,哥白尼不可能成功,科学革命从来不是一蹴而就;牛顿力学不成为科学基础,哥白尼体系不可能成为科学常识,天文学物理学是相互成就的关系。”

　　圆桌论坛环节

　　与科学家一起读好书,“高山科学经典”是一个由高山书院发起的公益科学传播项目。邀请百位知名科学家每周导读一本科学经典书籍,引领公众参与阅读的大型科学传播公益项目,旨在提升全民科学素养、培育科学精神、传播科学思想。期望在全民学科学的时代背景下,高山科学经典能在科学传播领域尽一份绵薄之力。

　　高山科学经典项目书单

　　高山科学经典的目标是,让科学精神通过书籍,跨越地域、阶层、年龄、民族的界限,传播到每个角落、每个人心中。希望科学成为一种生活方式。与科学家们跨界对谈,让科学更有趣。

　　高山科学经典世界读书日发布会现场

　　未来,“高山科学经典”项目将打造三大重点产品:出版《高山科学经典》系列丛书;开展线上导读直播;沉淀专业级科学导读视频节目。达到出版、传播、教育多重效应。开展全民科学阅读,共同推动“科学复兴”,提升全民族科学文化素质,实现“公心大用”。