太陽的故事(三)地心說vs日心說

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　　我們已經知道， 天上的日月星辰並不是靜止不動的， 從它們的東升西落中所能得到的最直接、 最直觀的結論， 就是所有天體都在一個以地球為中心的天球上， 圍繞地球轉動。 這種幾乎出現在所有早期文明中的猜測是地心說 (Geocentrism) 的雛形。

　　但世界的有趣之處就在於， 它常常給你一點希望， 似乎一個簡單圖像就能讓你抓住點什麼， 但稍稍細究一下卻會發現事情並不那麼妥帖。 拿日月星辰的運動來說， 星星的運動倒是的確能用一個天球的轉動來描述——因為它們只有周日運動， 但太陽、 月亮及五大行星卻除了周日運動外還各有各的 「私活」： 太陽有周年運動， 月亮有月相變化， 五大行星更不象話， 不僅各有各的周期， 甚至還每隔一段時間就 「倒行逆施」 (逆行) 一番。 區區一個天球是無論如何擺不平那麼多運動的。 怎麼辦呢？ 古人們想到了一招， 那就是把天球當成禮物派發， 讓太陽、 月亮及五大行星各佔一個， 乖乖聽話的其它星星們則共享一個[注一]。

　　但這還不夠， 因為行星的逆行還無法解釋。 有人也許會說， 那有什麼難的？ 讓天球一會兒正轉， 一會兒逆轉不就行了？ 打住！ 萬萬不行。 要知道， 從古希臘開始直到十七世紀之前， 在差不多兩千年的時間裡， 人們對天體運動的描述一直遵守著兩個要素： 一是天球必須為球形， 二是它的運動必須有某種類型的均勻性。 這幾乎是當時對 「解釋」 一詞的定義， 非如此不能算是解釋。 讓天球象眼珠子那樣亂轉是萬萬不行的——文雅點說是不完美的。

　　天球必須完美， 行星卻要倒行逆施， 這就讓人傷腦筋了。 在被傷了腦筋的人當中就有古希臘先賢柏拉圖 (Plato, 428/427BC-348/347BC)， 他給後人留了一道思考題： 如何用均勻有序的運動來描述看起來不規則的行星運動？

　　要說歷史上的聰明人還真不少， 柏拉圖的思考題一出， 很快就有人按下了搶答鍵。 搶答者不是外人， 而是柏拉圖的學生歐多克斯 (Eudoxus, 400/408BC-355/347BC)。 他的答案很豪爽， 那就是派發更多的天球， 讓每個行星都被幾個同心天球共同帶動， 直到滿意為止。 這個答案的妙處在於可以讓那些同心天球的轉軸及快慢彼此不同， 但卻各自保持均勻 (從而仍然是完美的)。 在歐多克斯的模型中一共用到了 27 個天球， 用這種方法， 他對包括行星逆行在內的很多天體運動現象給予了粗略描述。 為了表彰他的貢獻， 我們授予他一個榮譽稱號： 第一位試圖對行星運動做出數學描述的先賢。

　　但歐多克斯的模型無法經受住哪怕只是稍微細緻一點的觀測考驗， 而且人們早就發現行星的亮度並不是恆定的， 在當時這意味著它們與地球的距離不是恆定的， 這顯然不是歐多克斯的同心天球模型所能解釋的。 怎麼辦呢？ 另一位古希臘先賢， 以研究圓錐曲線著稱的阿波羅尼斯 (Apollonius, 262BC-190BC) 支了一個妙招。 阿波羅尼斯提出太陽、 月亮及五大行星各自繞一個所謂的本輪 (epicycle) 作勻速圓周運動， 而本輪的中心則繞一個以地球為中心的所謂均輪 (deferent) 作勻速圓周運動。 用這種方式， 他不僅可以讓行星與地球的距離發生變化， 而且同樣可以——並且能更好地——解釋行星的逆行。 不過在他的模型中出現了不以地球為中心的東西——本輪， 這對最刻板的地心說模型是一種偏離。 這種偏離是在純粹觀念與觀測現實之間小心翼翼的妥協， 它看似細微， 卻是一種實證精神的萌芽。

【古希臘天文學家託勒密(90-168)】

　　阿波羅尼斯的這種均輪加本輪的構想成為了地心說模型的新框架。 為了擬合越來越精密的觀測， 地心說模型變得越來越 「輪丁興旺」。 但不幸的是， 人們很快就發現， 輪多不一定力量大， 有一些細微現象， 比如行星的逆行幅度時大時小， 似乎無法靠簡單地增添輪子來解釋。 怎麼辦呢？ 地心說模型的集大成者， 古希臘天文學家託勒密 (Ptolemy, 90-168) 決定下猛藥， 讓純粹觀念再次向觀測現實作出妥協——而且是重大妥協。 託勒密一舉放棄了均輪的中心為地球， 以及均輪的轉動為勻速這兩大幾乎被視為底線的觀念， 引進了所謂偏心等距點 (equant point) 的概念， 對諸如行星逆行幅度時大時小之類的現象作出了一定程度的解釋[注二]。

　　但這還不夠， 因為除上述現象外， 行星運動還有一個引人注目之處， 那就是水星和金星的運動總是局限在太陽左右一個小範圍之內， 而不象其它行星那樣滿世界亂跑。 為了解釋這一現象， 這兩顆行星的本輪中心被假定為永遠處在地球與太陽的聯線上。 把這些修正匯集到一起， 託勒密的地心說模型就基本完成了， 剩下的只是微調。

【簡化版的地心說】

　　後人對託勒密這個與地心說聯繫在一起的名字往往有一種模糊的錯覺， 以為那是某種保守理論的代言人。 事實上， 託勒密是一位真正偉大的天文學家， 他的偉大不僅體現在他自己的時代， 甚至還向後延伸了一千多年。 在那個重理念輕實踐的時代裡， 他明確提出理論必須擬合觀測。 他的地心說模型就是這種努力的典範， 其精度之高， 甚至連一千四百年後的日心說模型也無法輕易超越。 當代科學史學家霍爾頓 (Gerald Holton, 1922-) 曾有過這樣一句感慨： 「沒有什麼事情比低估古希臘人的觀點更容易和更錯誤」。 我有同感。 當我們挾兩千年的歷史優勢來回顧某些古希臘先賢的思想時， 理所當然地會看到大量的錯誤， 甚至可以不誇張地說， 他們寫得越多， 就錯得越多 (相比之下， 象 「道可道， 非常道」 那樣東方式的言簡意賅實在是太有才了)。 但那些錯誤就象孩子學步時的摔跤， 沒有它們， 人類恐怕直到今天還在爬。

　　在接下來一千多年的時間裡， 地心說模型作為天體運動的主流模型， 成為了導航、 測繪、 及星圖計算的基礎。 不過， 在這一模型的發展過程中， 如上所述， 實證精神已開始萌發。 隨著偏心等距點等概念的提出， 諸如天球以地球為中心以及天球必須作均勻圓周運動那樣的古老信念已被顯著削弱。 而且地心說雖然解釋了不少現象， 帶來的問題卻也不少。 對那些問題的探究使一些人進行了不同的嘗試， 其中最早的努力甚至在託勒密之前就出現了。

　　我們在 上一節 的 注四 中提到過， 古希臘先賢阿里斯塔克斯 (Aristarchus, 310BC-230BC) 曾經用我們介紹過的方法估計過太陽的直徑， 結果約為地球直徑的 7 倍 (相應的體積約為地球體積的 343 倍)。 雖然與現代值相差很遠， 但太陽比地球更大這一定性結果還是給了阿里斯塔克斯很大的啟示。 要知道， 地心說的產生在很大程度上乃是出自直覺， 而這直覺有兩個來源， 一個是天體的周日運動， 另一個則是天體看上去都很小——小東西圍繞大東西轉似乎是天經地義的。 但如果太陽比地球更大， 這直覺就成問題了。 一個龐大的太陽有什麼理由要繞一個體積不到自己 1/300 的小不點兒轉呢？ 一般認為， 正是這個懷疑使阿里斯塔克斯提出了太陽才是宇宙中心的觀點， 這是最早的日心說 (Heliocentrism)[注三]。

　　但阿里斯塔克斯的日心說並未引起什麼反響， 因為它面臨很多棘手的問題， 比方說如果地球在運動， 那天上的雲彩為什麼不會被運動的地球所拋離？ 這個問題別說阿里斯塔克斯， 就連一千八百年後哥白尼 (Nicolaus Copernicus, 1473-1543) 也難以回答。 另一個問題比較有意思， 那就是如果地球在運動， 那麼星星的位置應該會象用三角測距法測距時那樣顯示出視差 (因為觀測點隨地球運動而變化)， 但實際上我們卻從未發現過那樣的視差， 這是為什麼？ 對於這個問題， 阿里斯塔克斯作出了很正確的回答 (可惜沒人相信)， 那就是星星離我們實在太遠， 以至於視差小到了無法被察覺的程度。 他的這個回答本身就是一個了不起的天文發現， 因為它給當時尚無人知曉的宇宙大小設置了下限， 即宇宙起碼要大到能讓星星的視差不被肉眼所察覺的程度。 第三個問題來自所謂 「天貴地賤」 的觀念， 當時的很多人相信天上的星星是永恆而完美的， 地上的一切則是腐朽而卑微的， 兩者無論在外觀還是質料上都截然不同[注四]。 而日心說卻要讓腐朽卑微的地球混跡於永恆完美的行星行列， 這怎麼可以呢？ 這個問題在今天看來很無釐頭， 但在當時卻是難以抗拒的 「主流民意」。

　　雖然阿里斯塔克斯的日心說未能掀起波瀾， 但地心說的麻煩卻並未結束。 除了太陽比地球大所導致的困擾外， 地心說還有其它一些不如人意之處。 比方說行星和太陽在地心說中是有相似地位的， 但行星的本輪周期卻全都是一年， 即恰好等於太陽繞地球運動的周期， 這種巧合在地心說中是很難解釋的。 此外， 隨著航海業的興起及對日曆與定位精度的要求日益提高， 地心說的精度也越來越成問題了。 正是在這種背景下， 1543 年， 一本全面闡述日心說的著作 ——《天體運行論》(On the Revolutions of the Heavenly Spheres) 問世了。 這是一部 「難產」 的著作， 它的作者——波蘭天文學家哥白尼—— 用了長達二十三年的時間來撰寫它， 完成之後又因擔心觸怒教會 (同時也為了進行細節完善) 而延遲了十三年， 直到去世前不久才發表。

【波蘭天文學家哥白尼(1473-1543)】

　　哥白尼的這部著作是託勒密以來最傑出的天文學著作， 哥白尼雖然不是最早提出日心說的人， 卻是最早將日心說由一個觀念性學說轉變為具有預言能力的定量模型的人[注五]。 在哥白尼的日心說模型中， 我們這個系列的主角——太陽——榮升為了宇宙的中心， 我們腳下的地球則變成了行星， 一邊自轉， 一邊和其它行星一樣圍繞太陽公轉。 地心說無法解釋的行星本輪周期全都是一年的巧合在日心說中變得顯而易見， 因為那不過是地球公轉產生的表觀現象。 天體的周日運動也有了很簡單的解釋， 即那不過是地球自轉產生的表觀現象。 不過哥白尼的日心說模型在最低階近似上雖比同等近似的地心說模型高明得多 (因為無需引進本輪)， 但由於和地心說模型一樣未能擺脫圓周運動這一束縛 (在這方面哥白尼甚至比託勒密更保守， 連偏心等距點那樣的概念都不曾引進)， 從而一涉及到細微之處， 就無論以繁簡程度還是精度而論， 都無法真正超越託勒密的地心說模型， 這一點直到十七世紀初德國天文學家克卜勒 (Johannes Kepler, 1571-1630) 發現橢圓軌道後才得以改變。

【簡化版的日心說模型】

　　我們剛才提到， 哥白尼曾經擔心自己的日心說會觸怒教會。 這種擔心並非杞人憂天， 因為《聖經》中有不止一處提到太陽運動而地球靜止， 日心說與那些文字是有衝突的。 不過具有諷刺意味的是， 哥白尼時代的教會雖竭力維護託勒密的地心說， 仿佛後者是天經地義的真理， 但實際上， 無論託勒密的地心說， 還是資格更老的亞裡斯多德 (Aristotle, 384BC-322BC) 的著作， 都並非一直就是教會的寵兒。 相反， 它們都曾經上過教會的黑名單——一度被教會所禁止。 因為那些著作的邏輯與實證色彩和教會所希望的盲從與盲信背道而馳， 而且它們在文字上雖對上帝充滿了虔敬， 其所宣揚的世界體系卻基本無需上帝的幫助， 把上帝這個 「活雷鋒」 架空了。 不過在十三世紀中期， 教會採取了新的策略， 對一些有影響力的自然哲學著作進行 「無菌處理」， 使之與聖經接軌。 這樣做既減少了對手， 又充實了自己的理論陣地， 可謂一舉兩得[注六]。 在哥白尼時代受教會維護的託勒密地心說就是這種經過 「無菌處理」 後具有教會特色的自然哲學。 而哥白尼要推出一種 「帶菌」 的學說， 心中自然不無忐忑。

　　不過忐忑歸忐忑， 哥白尼與教會的關係其實還是蠻 「和諧」 的， 因為他的正業其實是神職人員 (因此有人戲稱哥白尼白天是神父， 晚上才是天文學家)， 他甚至把自己的《天體運行論》獻給當時的教宗保羅三世 (Pope Paul III, 1468-1549)。 而《天體運行論》的出版者奧希亞德 (Andreas Osiander, 1498-1552) 更是為該書包上了一層精心製備的 「糖衣」——序言， 謙虛地宣稱日心說僅僅是一個便於計算的假設， 不一定是真實的。 經過這樣 「瞞天過海」 的包裝， 《天體運行論》這一 「糖衣炮彈」 的發表並未受到教會的幹預。 直到幾十年後義大利科學巨匠伽利略 (Galileo Galilei, 1564-1642) 支持日心說的著作引起強烈反響後， 教會才意識到自己被忽悠了。

【義大利科學巨匠伽利略(1564-1642)】

　　伽利略的工作為日心說的勝出提供了強有力的支持。 我們前面提到過， 在地心說模型中水星和金星的本輪中心被固定在地球與太陽的聯線上 (參閱 「簡化版的地心說模型」 插圖)， 按照那種模型， 相對於地球來說， 太陽永遠只能從後方或側後方照射水星和金星， 由此導致的結果是這兩者永遠只能有彎鉤狀的相 (感興趣的讀者請自行證明這一點)。 但伽利略卻通過望遠鏡發現金星具有類似 「滿月」 那樣的相， 從而對地心說構成了判決性的打擊[注七]。 另一方面， 在所有針對日心說的反對意見中， 除宗教因素外， 最棘手的問題是運動地球上的東西為什麼不會被地球所拋離？ 這個問題難倒了從阿里斯塔克斯到哥白尼的所有人， 卻被伽利略提出的相對性原理所回答。 甚至連 「天貴地賤」 那樣的 「主流民意」， 也因伽利略發現太陽黑子而遭到了駁斥。

　　1632 年， 伽利略發表了名著《關於兩大世界體系的對話》(Dialogue concerning the Two Chief World Systems——簡稱《對話》)， 對地心說和日心說這兩大世界體系進行了看似不偏不倚， 實則顯著青睞後者的闡述， 而且在闡述中還對已被教會認可的亞裡斯多德的很多觀點提出了異議。 這一切令教會很生氣， 後果很嚴重。 其實， 伽利略倒也並非吃了熊心豹子膽， 他在 1616 年曾受到過教會的 「警告處分」， 在那之後安靜過幾年。 這回之所以敢 「頂風作案」， 是因為他的一位大主教朋友於 1623 年成為了教宗厄本八世 (Pope Urban VIII, 1568-1644)。 這麼過硬的上層關係給了伽利略一種安全感， 使他以為 「科學的春天」 到來了。

　　他完全錯判了形勢。

　　Too simple, too naive！

　　實際情況是：《對話》發表後才不過一年， 1633 年， 羅馬宗教裁判所就對伽利略進行了審判， 並裁定他有罪。 低頭認罪還是頑抗到底？ 這是一個問題。 年近古稀的伽利略選擇了前者， 他在認罪書中表示： 「我， 伽利略， ... ... 手按聖經起誓， 我過去和現在一直相信， 在主的幫助下今後也將相信聖天主教和使徒教會所持有、 傳授及教導的一切」。 對於日心說， 他表示： 「我發誓今後絕不以口頭或書面形式發表任何類似的東西」。

　　但教會的幹預最終未能阻止科學在經歷了中世紀黑暗後的快速復興。 日心說先是作為一種純粹的計算工具 (如《天體運行論》的序言所謙稱的那樣)， 而後作為一種具有真理性的理論還是逐漸流行了起來。 1832 年， 蘇格蘭天文學家亨德森 (Thomas Henderson, 1798-1844) 發現了半人馬座 α 星 (α Centauri) 的視差[注八]， 從而直接證實了阿里斯塔克斯的先見之明， 同時也掃清了日心說的最後一個技術障礙。

　　在無可逆轉的局勢面前， 教會的態度也終於有了變化。 1992 年 10 月， 教宗保羅二世 (Pope John Paul II, 1920-2005) 向伽利略在引進實驗方法及理解日心說方面所做的巨大貢獻表示了敬意和感謝， 並承認教會對地心說的維護乃是對《聖經》作字面解讀導致的錯誤。 2000 年 3 月， 保羅二世籤署正式聲明， 承認當年對伽利略的審判是錯誤的， 並為教會兩千年來所犯的暴力、 迫害及錯誤道歉。 2008 年 3 月， 梵蒂岡教廷為伽利略建造了雕像——離那雕像的矗立之處不遠， 便是 375 年前伽利略等待審判的地方。

　　無可奈何花落去， 似曾相識燕歸來， 歷史走過了一個漫長而沉重的輪迴。

　　日心說與地心說的爭論雖然以日心說的勝出而落幕， 但日心說將太陽視為宇宙中心的做法卻很快也受到了質疑。 事實上， 太陽與星星的差別不就是前者看上去象一個圓盤而後者象一群小點嗎？ 既然日心說已經把我們腳下這個看起來比太陽還大的地球與那五個看上去象小點的行星歸入了同一類別， 太陽為什麼就不能和星星一樣呢？

　　思想的禁忌一旦被打破， 新的想法就會源源而生。 1584 年， 義大利哲學家布魯諾 (Giordano Bruno, 1548-1600) 提出了太陽只是無限宇宙裡的無數顆星星之一的想法[注九]。 1644 年， 法國數學家笛卡爾 (René Descartes, 1596-1650) 也提出了太陽和其它星星一樣的觀點 (雖然他有關太陽和星星的具體模型——漩渦模型——是完全錯誤的)。 今天我們知道， 太陽只是太陽系的中心， 而不是宇宙的中心。 太陽是銀河系上千億顆恆星中很普通的一員， 而銀河系又只是可觀測宇宙上千億個星系中很普通的一員。

　　這就是太陽的真正身份——一顆非常普通的恆星， 可觀測宇宙中發光星體的一百萬億億分之一。

　　但無論多麼普通， 太陽對於人類來說都是獨一無二的。 它是光和熱的源泉， 也是唯一一顆能讓我們看到圓面的恆星。 它與我們的關係是如此密切， 在任何一個晴朗的白天， 它那光芒奪目的圓面哪怕只出現些許的破缺， 或幾分鐘的消失， 都是非同小可的事情。 在 下一節 裡， 我們將一同去欣賞這種被稱為日食的現象。

注釋順便說一下， 從那時起直到中世紀， 太陽和月亮是被很多人視為行星的 (因此那時的行星實際上有七顆， 太陽和月亮都曾擁有一個名字叫行星)， 我們為了避免混淆才將它們單獨列出。託勒密的偏心等距點概念是對他所放棄的以地球為均輪中心， 以及均輪的轉動必須均勻這兩大觀念的補償。 在他的模型中， 地球雖不再處於均輪的中心， 但和一個被稱為偏心等距點的位置對稱分布在均輪中心的兩側， 均輪轉動的角速度相對於球心和地球雖不再均勻， 但相對於偏心等距點卻是均勻的。 這個模型可以說是天球體系中最接近橢圓軌道的構想 (偏心等距點的作用接近於橢圓的焦點)。阿里斯塔克斯是最早提出地球繞太陽運動的人， 但在他之前就有人提出過地球運動的想法， 比如畢達哥拉斯學派的古希臘先賢菲洛勞斯 (Philolaus, 470BC-385BC) 曾提出過包括地球、 太陽在內的所有天體都圍繞一個所謂的 「中央火」 (central fire) 轉動的觀點。細心的讀者也許會問： 我們用肉眼就能看到月亮上的陰影， 這豈不是與天體的完美相矛盾？ Good question！ 古希臘人對此的解釋是月亮離地球太近， 從而被 「汙染」 了 (近墨者黑嘛)。 有人可能還會進一步問： 為什麼要讓一大批永恆完美的天體圍繞一個腐朽卑微的地球轉呢？ 這不是把鮮花插在牛糞上嗎？ 這個大逆不道的問題就得問上帝了， 據說是它把人類造在地球上， 並讓天體圍繞地球轉的。在從阿里斯塔克斯到哥白尼的一千八百年間， 有一些其它人也提出過背離地心說或接近日心說的理論， 但都沒有定量化， 且大都因不符合 「主流民意」 而自行或被迫放棄了。在這一過程中為教會立下汗馬功勞的是所謂的經院哲學家 (scholastic philosopher)， 其代表人物是被教會封為 「天使聖師」 的阿奎納斯 (Thomas Aquinas, 1225-1274)。 經院哲學家以宗教教義為指導， 通過對古典哲學思想進行包裝、 詮釋及歪曲、 詭辯， 而構建出與聖經相協調的新體系。在日心說模型中， 金星的 「滿月」 相出現在它與地球分處於太陽兩側的情形下， 這時金星離地球的距離最大， 從而部分抵消了 「滿月」 相的亮度優勢， 因此金星的亮度變化遠小於單純由距離變化所預期的， 這一點曾被認為是日心說的一個困難。不過亨德森對自己的觀測缺乏信心， 直到 1839 年 1 月才發表， 在發表時間上落後於德國天文學家貝塞爾 (Friedrich Bessel, 1784-1846)， 後者於 1838 年發現了天鵝座 61 星 (61 Cygni) 的視差。布魯諾因為這一信念及其它若干罪名被羅馬宗教裁判所起訴， 並最終判處火刑， 於 1600 年 2 月 17 日處決。

　　二零一零年二月九日寫於紐約
二零一零年二月十日發表於本站