他們反對哥白尼，但他們都是好科學家

400多年前，那些反對「哥白尼學說」的人，也有一些基於科學的、相當合理的有利論據。雖然事實最終證明他們錯了，但這並沒有使他們成為糟糕的科學家。無論是過去還是現在，對他人的研究提出嚴謹的反駁意見，一直是科學研究中的挑戰和樂趣。

撰文 | 丹尼斯·丹尼爾森（Dennis Danielson）、克裡斯多夫·M·葛蘭尼（Christopher M. Graney）

翻譯 | 張卜天

2011年，日內瓦附近的歐洲核子研究中心（CERN）的一個研究小組，向730千米外的義大利格蘭·薩索國家實驗室（Gran Sasso National Laboratory）發射了一束中微子。研究人員在測定中微子飛行時間時發現，不知為何中微子的速度似乎超過了真空中的光速。科學界對這一驚人結果有何反應呢？

幾乎所有人都沒有放棄確立已久的愛因斯坦學說（即任何物體的速度都不可能超過光速），他們認為一定是研究人員的測量結果出了問題（事實證明的確如此）。

現在，想像我們處於400年以後的未來，那時愛因斯坦的觀念已經被取代；科學家早已用實驗證實，中微子的確能夠超光速運動。如果我們在那時回顧今天的物理學家，會如何解釋他們不願接受這一證據的行為呢？我們會因此斷言21世紀的物理學家頑固不化、不願接受新思想嗎？或者說他們這樣做是出於非科學動機——一群保守的愛因斯坦主義者恪守著傳統和權威的規定？

我們希望今天這些「頑固」的科學家能夠得到更公正的評價，他們不願放棄合理的結論（即使這些結論最終可能被證明是錯誤的）是有科學根據的，而不僅僅是出於一種頑固的偏見。

這類故事在科學史上並不少見。19世紀的天文學家認為，銀河系構成了整個宇宙，他們分析了仙女座星系的首批圖像，確信自己看到的是一顆恆星，其周圍是一個初生的太陽系，而我們現在知道，仙女座星系其實是一個包含上萬億顆恆星的遙遠星系。同樣，愛因斯坦曾確信宇宙是靜態的，因此在他的方程中引入一個宇宙學常數以使宇宙保持靜止。這兩種看法都是合理的，但都是錯誤的。正如在《環球科學》雜誌上，麻省理工學院的戴維·凱澤（David Kaiser）和普林斯頓大學的安吉拉·N·H·克裡傑（Angela N. H. Creager）在《錯誤推動科學革命 》一文中所說，本身是錯誤的、但同時能夠有效推動科學進步的假說，是可能存在的。任何事在事後來看總是更清楚。

當然，對於超光速中微子案例，我們幾乎沒有什麼後見之明。但我們的確知道一個著名的、已知結局的故事，即哥白尼和他的「日心說」理論。哥白尼認為，地球每天自轉一周，每年繞太陽公轉一周，今天所有人都接受這一理論。哥白尼體系直接挑戰了人們長期持有的信念，即太陽、月亮和恆星圍繞靜止於宇宙中心的地球旋轉，這一信念在公元2世紀由天文學家託勒密（Ptolemy）寫入其著作《天文學大成》（Almagest）中。

1543年，哥白尼在《天球運行論》（De Revolutionibus Orbium Coelestium）中提出了他的革命性思想，當時有許多科學家閱讀了這部著作並欽佩不已，科學家為之作注，並用它改進自己的天文學預測。然而，即使到了57年後的1600年，放棄地球靜止這一信念的、真正意義上的天文學家也非常少，兩隻手就能數完。大多數科學家仍然傾向於似乎已是常識的「地心說」。我們在談論日出日落時，似乎也在贊同這一學說。

「日心說」宇宙論遭遇的僵局，有時會被認為是科學家固守偏見。這一僵局最終被伽利略打破。1609年，伽利略組裝了一架望遠鏡，開始觀測恆星、月亮和行星。在1609年之後的很長時間裡，天文學家仍然有令人信服的科學理由來懷疑哥白尼。他們的故事生動地表明，研究者可以有很好的理由來抵製革命性觀念，甚至是那些最終被證明非常正確的觀念。

第谷的新宇宙論

丹麥天文學家第谷·布拉赫（Tycho Brahe）提出了一種能巧妙化解各種疑惑的新思路。他於1588年提出了一種不同的地心理論，即「地緣日心說」（geoheliocentric），這個理論有兩大優點：它符合我們對世界如何運作的深刻直覺，與已有數據的吻合程度也比哥白尼體系更好。

恆星的大小：反對哥白尼宇宙模型的意見中，最具毀滅性的論據是恆星的尺寸問題。我們觀看天上的某顆恆星時，它似乎有很小的、固定的寬度。只要知道這個寬度及恆星的距離，藉助簡單的幾何學知識就能確定恆星的大小。在地心宇宙模型中，恆星位於行星之外，這意味著恆星可以與太陽大小相比。但哥白尼的地心說則要求恆星極其遙遠，這意味著恆星會大得難以置信——是太陽尺寸的數百倍。哥白尼只能用「諸神的幹預」來解釋這一異常數據。事實上，恆星的確非常遙遠，但它們的視覺寬度是一種錯覺，緣於光進入瞳孔或望遠鏡時所產生的結果——科學家還需要到200年後才能理解這一現象。

第谷是一位傑出人物。他建造了一座城堡式的天文臺，開展了龐大的研究計劃，其預算堪比美國航空航天局的經費預算，配備了最好的儀器和最優秀的助手。正是由於最終採用了第谷的火星數據，約翰內斯·克卜勒（Johannes Kepler，第谷的助手之一）才算出了行星的運行軌道是橢圓形。在證明第谷對於天文學的重要性時，哈佛大學的歷史學家歐文·金格裡奇（Owen Gingerich）常會提到阿爾伯特·庫爾修斯（Albert Curtius）於17世紀中葉編纂的資料，其中集合了自古以來所有的天文學數據。從這些資料可以發現，兩千年來有價值的數據大多數都來自第谷。

哥白尼體系的精妙打動了這位成就極高的天文學家，但在某些方面也使第谷感到困惑。困惑之一是，無法解釋地球為什麼會運動（牛頓提出的萬有引力理論可以給出很好的解釋，但第谷生活的年代距離牛頓物理學的誕生還有一個多世紀）。地球的尺寸已為人們所知，這樣一個直徑數千千米、布滿巖石和泥土的球體的重量顯然十分巨大。在街上推動一輛負載貨車尚且困難，什麼力量能夠推動這樣一個物體繞太陽運轉呢？

相比之下，恆星和其他行星的運動則很容易解釋——自亞里斯多德時代以來，天文學家一直認為，天體是由一種地球上找不到的、特殊的以太物質構成的。這種物質會自然地快速旋轉，如同你不用力拉貨車它就自然會趨向停止。第谷說，哥白尼體系「巧妙而徹底地避免了託勒密體系中一切多餘或不和諧的內容……但它為地球這個笨重、怠惰、不適合運動的東西賦予了與以太天體一樣快的運動速度」。在這方面，古代天文學家和現代天文學家有共同之處，後者為了解釋他們觀察到的現象，假定宇宙在很大程度上由「暗物質」或「暗能量」所構成，這與我們已知的任何東西都不相同。

哥白尼體系中的恆星同樣令第谷感到困惑。託勒密說，恆星天體「大得無法度量」，因為我們觀察不到恆星的周日視差（diurnal parallax）——當恆星從地平線升起，越過頭頂又從地平線落下，地球觀察者與恆星之間的角度和距離發生變化時，恆星的位置和外觀沒有出現明顯變化。由此可以推出，地球的直徑與恆星距離相比可以忽略不計。託勒密寫道，地球「就像一個點」。

哥白尼知道，我們甚至連周年視差（annual parallax），即地球沿軌道公轉引起的恆星相對位置的變化也檢測不到。假設地球果真繞太陽旋轉，卻不存在周年視差，這將意味著，恆星間的距離非常大，與之相比，地球公轉軌道——哥白尼稱之為「大圓」（orbis magnus） 的直徑可以忽略不計，「就像一個點」。於是，宇宙的尺寸將被重新定義，變成了幾乎令人無法置信的——「無法估量的廣大」。

不僅如此，第谷很清楚，哥白尼的假說不僅對宇宙尺寸的認識有深遠影響，對單個恆星的尺寸也是如此。我們仰望夜空時，單個恆星看起來有固定的寬度，託勒密和第谷都曾測量過。我們現在知道，這些遙遠的恆星實際上是點光源，我們看到的寬度是光波通過圓孔（比如望遠鏡或虹膜）所產生的結果。

但在當時，天文學家們對光的波動性一無所知。第谷用簡單的幾何學計算出，如果恆星間的距離像哥白尼所說的那樣遙遠，那它們的尺寸則必須有「大圓」那麼大。即使是最小的恆星也會使太陽相形見絀，前者之於後者就如同一個葡萄柚之於一個點。這同樣很難讓人相信——第谷說，如此巨大的恆星是荒謬的。正如歷史學家阿爾伯特·范·海爾登（Albert Van Helden）所說，第谷的「邏輯無可挑剔，其測量也無可指摘。哥白尼主義者能做的無非是不得不接受這一論證的結果」。

面對著似乎無可辯駁的物理證據，哥白尼主義者並未放棄其理論，而是被迫訴諸神的全能。「俗眾初看起來荒謬不羈的這些觀點，不應被輕易地指責為荒謬，因為神的智慧和威嚴其實遠遠超出了他們所能理解的範圍，」哥白尼主義者克里斯多福·羅特曼（Christoph Rothmann）在一封給第谷的信中寫道，「你可以將宇宙想像為浩瀚無垠，將恆星想像得廣大無邊，但這仍然無法與無限的造物主相比。人們認為，國王地位越尊貴，其宮殿就應越加宏偉，才能配得上他的威嚴。那麼，你認為神的宮殿應有多宏偉？」

第谷並不為這類論證所動，而是提出了自己的宇宙體系：太陽、月亮和恆星就像託勒密體系描述的那樣圍繞靜止的地球旋轉，而行星就像哥白尼體系描述的那樣圍繞太陽旋轉。這種「第谷體系」（Tychonic）保留了「地心說」的優點，因此不需要解釋笨重而怠惰的地球是如何運動的，也不必因為周年視差的缺失而將恆星假設為非常遙遠、巨大——在第谷體系中，恆星就處在行星外面，尺寸也相當合理。但就行星而言，第谷體系和哥白尼體系在數學上是等價的。於是，第谷體系也保留了哥白尼體系在數學上的優雅，第谷認為這種優雅避免了託勒密體系中一切多餘和不和諧的內容。

伽利略用望遠鏡觀看天空時，發現了大量與託勒密的古代宇宙論直接相牴觸的現象。他看到木星有衛星，證明宇宙可能有不止一個運動中心。他還觀察到金星有位相（金星與月球一樣本身並不發光，光輝來自反射的太陽光，因此金星也像月球一樣會出現周期性的圓缺變化），表明它圍繞太陽運轉。然而，這些發現並沒有被當作地球繞太陽運轉的證據，因為它們與第谷體系完全相容。

200年的論據

17世紀中葉，哥白尼、第谷、伽利略等先驅均已逝世，義大利天文學家喬萬尼·巴蒂斯塔·裡喬利（Giovanni Battista Riccioli）出版了一部著作，對各種宇宙論進行了百科全書式的評價，名為《新天文學大成》（Almagestum Novum，追隨託勒密那部偉大著作）。裡喬利考察了支持和反對哥白尼體系的眾多論據，以及涉及天文學、物理學和宗教的論據。但裡喬利指出，有兩個主要論據構成了反對哥白尼體系的決定性證據。這兩條論據都源自第谷的觀點，都要到幾百年後才能得到明確的答案。

第一個論據是，裡喬利認為旋轉的行星應該會使拋射物和下落的物體發生某些改變，而在現實中卻無法檢測到這些改變。第谷曾經認為，旋轉的地球會使拋射物的軌跡偏離直線。然而直到19世紀，法國科學家伽斯帕－古斯塔夫·德·科裡奧利（Gaspard-Gustave de Coriolis）對這種效應做出完整的數學描述，這些偏離才被觀測到。

另一條是第谷提出的關於恆星尺寸的論據，裡喬利用望遠鏡觀測了恆星尺寸，並對第谷的結果做了更新（第谷從未使用過望遠鏡）。裡喬利設計了一種可重複測量恆星直徑的流程，結果發現恆星看起來比第谷設想的還要小。但望遠鏡也增加了對周年視差的靈敏度，卻仍未檢測到周年視差，這意味著恆星必定比第谷認為的還要遠。最終的效果是，恆星必定像第谷所說的那樣巨大無比。

三種宇宙模型：17世紀的天文學家對宇宙的描述有三種模型。地心模型的特徵是，地球是靜止的，太陽、月亮、行星和恆星圍繞地球旋轉。天文學家用「本輪」（epicycle）這個詞來解釋行星的逆行，「本輪」是在主軌道的基礎上添加的較小的環行軌道。哥白尼的日心模型看起來要簡單些，但它引出了新的概念問題，比如恆星的距離必須遠得難以想像。第谷的地緣日心模型在兩者之間折中了一下：太陽、月亮和恆星圍繞地球旋轉，行星圍繞太陽旋轉，恆星的距離又被拉近了。

裡喬利抱怨哥白尼主義者訴諸神的全能來迴避這個科學問題。作為一名耶穌會教士，裡喬利幾乎不可能否認神的能力。但他仍然拒絕接受這種解釋，他說：「即使這種錯誤陳述無可辯駁，但它無法讓更嚴謹的人滿意。」

由於缺乏確鑿的科學證據，哥白尼學說中，關於宇宙和恆星尺寸的幾乎令人難以置信的說法，無法被證明是正確的，因此，哥白尼學說遲遲不被接受。1674年，英國皇家學會實驗館館長羅伯特·胡克（Robert Hooke）承認：「地球是運動還是靜止仍然是一個問題，自從哥白尼提出這一問題之後，現代最優秀的天文學家和哲學家為之殫精竭慮，但迄今為止尚未有人能夠確切證明地球到底是運動還是靜止的。」

到胡克的時代，已經有越來越多的科學家接受了哥白尼的學說，儘管在一定程度上他們仍然面臨著科學難題。直到1838年，弗裡德裡希·白塞爾（Friedrich Bessel）才記錄下了令人信服的恆星的周年視差。大約在同一時間，喬治·艾裡（George Airy）就恆星為何看起來比實際更大這一問題，第一次給出了一種完整的理論解釋，斐迪南·萊希（Ferdinand Reich）則首次成功檢測到因地球自轉引起的落體偏離。當然，牛頓的理論——不適用於第谷體系——早已回答了第谷提出的「笨重、怠惰」的地球如何運動這一問題。

然而，回到伽利略和裡喬利的時代，那些反對哥白尼學說的人，也有一些基於科學的相當合理、清晰且有觀察依據的有利論據。雖然事實最終證明他們錯了，但這並沒有使他們成為糟糕的科學家。事實上，無論是過去還是現在，對他人的激烈爭論提出嚴謹的反駁意見，一直是科學研究中的挑戰和樂趣。

本文作者：

丹尼斯·丹尼爾森是加拿大不列顛哥倫比亞大學英文教授，主要研究哥白尼革命的文化意義。

克裡斯多夫·M·葛蘭尼曾是美國傑佛遜社區和技術學院（Jefferson Community and Technical College）的物理學和天文學教授。

本文譯者：

張卜天畢業於中國科技大學物理系，在北京大學獲得科學哲學博士學位，現任清華大學人文學院科學史系教授，清華大學科學人文經典研究中心主任。

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編輯：hxg