他们为什么反对哥白尼？

哥白尼关于地球绕太阳旋转的革命性理论颠覆了一千多年来的科学与宗教智慧。在此后的数十年间，大多数科学家都拒绝接受这一理论，即使是在伽利略利用望远镜得到了那些划时代的观测结果之后，依然如此。他们的反驳不仅仅是出于神学观点。观测证据支持一种与之竞争的宇宙论，即第谷的“地缘日心说”。

2011年，日内瓦附近的欧洲核子研究中心（CERN）的一个研究小组，向730千米外的意大利格兰·萨索国家实验室（Gran Sasso National Laboratory）发射了一束中微子。研究人员在测定中微子飞行时间时发现，中微子的速度不知为何似乎超过了真空中的光速。科学界对这一惊人结果有何反应呢？

几乎所有人都没有放弃确立已久的爱因斯坦学说（即任何物体的速度都不可能超过光速），他们认为一定是研究人员的测量结果出了问题（事实证明的确如此）。

现在，想象我们处于400年以后的未来，那时爱因斯坦的观念已经被取代；科学家早已用实验证实，中微子的确能够超光速运动。如果我们那时回顾今天的物理学家，会如何解释他们不愿接受这一证据呢？我们会因此断言21世纪的物理学家顽固不化、不愿接受新思想吗？或者说他们这样做是出于非科学动机——一群保守的爱因斯坦主义者恪守着传统和权威的规定？

我们希望今天这些“顽固”的科学家能够得到更公正的评价，因为他们不愿放弃合理的结论（即使这些结论最终可能被证明是错误的）是有科学根据的，而不仅仅是出于一种顽固的偏见。

这类故事在科学史上并不少见。19世纪的天文学家认为，银河系构成了整个宇宙，他们分析了仙女座星系的首批图像，确信自己看到的是一颗恒星，其周围是一个初生的太阳系，而我们现在知道，仙女座星系其实是一个包含上万亿颗恒星的遥远星系。同样，爱因斯坦曾确信宇宙是静态的，因此在他的方程中引入一个宇宙学常数以使宇宙保持静止。这两种看法都是合理的，但都是错误的。正如在《环球科学》2012年第7期上，麻省理工学院的戴维·凯泽（David Kaiser）和普林斯顿大学的安吉拉·N.H.克里杰（Angela N. H. Creager）在《错误推动科学革命》一文中所说，本身是错误的，但同时能够有效推动科学进步的假说，是可能存在的。任何事在事后来看总是更清楚。

当然，对于超光速中微子案例，我们几乎没有什么后见之明。但我们的确知道一个著名的、已知结局的故事，即哥白尼和他的“日心说”理论。哥白尼认为，地球每天自转一周，每年绕太阳公转一周，今天所有人都接受这一理论。哥白尼体系直接挑战了人们长期持有的信念，这一信念在公元2世纪由天文学家托勒密（Ptolemy）写入其著作《天文学大成》（Almagest）中，即太阳、月亮和恒星围绕静止于宇宙中心的地球旋转。

1543年，哥白尼在《天球运行论》（De Revolutionibus Orbium Coelestium）中提出了他的革命性思想，当时有许多科学家阅读了这部著作并钦佩不已，科学家为之作注，并用它改进自己的天文学预测。然而，即使到了57年后的1600年，放弃地球静止这一信念的、真正意义上的天文学家两只手就能数完。大多数科学家仍然倾向于似乎已是常识的“地心说”。我们在谈论日出日落时，似乎也在赞同这一学说。

“日心说”宇宙论遭遇的僵局，有时会被认为是科学家固守偏见。这一僵局最终被伽利略打破。1609年，伽利略组装了一架望远镜，开始观测恒星、月亮和行星，结果发现“地心说”和“日心说”都是错误的。在1609年之后的很长时间里，天文学家仍然有令人信服的科学理由来怀疑哥白尼。他们的故事生动地表明，研究者可以有很好的理由来抵制革命性观念，甚至是那些最终被证明非常正确的观念。

第谷的新宇宙论

丹麦天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brahe）提出了一种看似很有力的怀疑理由。他于1588年提出了一种不同的地心理论（见左图下方），即“地缘日心说”（geoheliocentric），这个理论有两大优点：它符合我们对世界如何运作的深刻直觉，与已有数据的吻合程度也比哥白尼体系更好。

第谷是一位杰出人物。他建造了一座城堡式的天文台，开展了庞大的研究计划，其预算堪比美国航空航天局，配备了最好的仪器和最优秀的助手。正是由于最终采用了第谷的火星数据，约翰内斯·开普勒（Johannes Kepler，第谷的助手之一）才算出了行星的运行轨道是椭圆形。在证明第谷对于天文学的重要性时，哈佛大学的历史学家欧文·金格里奇（Owen Gingerich）常会提到阿尔伯特·库尔修斯（Albert Curtius）于17世纪中叶编撰的资料，其中集合了自古以来所有的天文学数据——从这些资料可以发现，两千年来有价值的数据大多数都来自第谷。

哥白尼体系的精妙打动了这位成就极高的天文学家，但在某些方面也使第谷感到困惑。困惑之一是，无法解释地球为什么会运动（牛顿提出的引力理论可以给出很好的解释，但第谷生活的年代距离牛顿物理学的诞生还有一个多世纪）。地球的尺寸已为人们所知，这样一个直径数千千米、布满岩石和泥土的球体的重量显然十分巨大。在街上推动一辆负载货车尚且困难，什么力量能够推动这样一个物体绕太阳运转呢？

相比之下，恒星和其他行星的运动则很容易解释——自亚里士多德时代以来，天文学家一直认为，天体是由一种地球上找不到的、特殊的以太物质构成的。这种物质会自然地快速旋转，如同你不拉货车它就会停止，都是很自然的事情。第谷说，哥白尼体系“巧妙而彻底地避免了托勒密体系中一切多余或不和谐的内容……但它为地球这个笨重、怠惰、不适合运动的东西赋予了与以太天体一样快的运动速度”。在这方面，古代天文学家和现代天文学家有共同之处，后者为了解释他们观察到的现象，假定宇宙在很大程度上由“暗物质”或“暗能量”所构成，这与我们已知的任何东西都不相同。

哥白尼体系中的恒星同样令第谷感到困惑。托勒密说，恒星天体“大得无法度量”，因为我们观察不到恒星的周日视差（diurnal parallax）——当恒星从地平线升起，越过头顶又从地平线落下，地球观察者与恒星之间的角度和距离发生变化时，恒星的位置和外观没有出现明显变化。由此可以推出，地球的直径与恒星距离相比可以忽略不计。托勒密写道，地球“就像一个点”。

哥白尼知道，我们甚至连周年视差（annual parallax）——地球沿轨道公转引起的恒星相对位置的变化——也检测不到。假设地球果真绕太阳旋转，却不存在周年视差，这将意味着，恒星间的距离非常大，与之相比，地球公转轨道（哥白尼称之为“大圆”[orbis magnus]）的直径可以忽略不计，“就像一个点”。于是，宇宙的尺寸将被重新定义，变成了——几乎令人无法置信的——“无法估量的广大”。

不仅如此，第谷很清楚，哥白尼的假说不仅对宇宙尺寸的认识有深远影响，对单个恒星的尺寸也是如此。我们仰望夜空时，单个恒星看起来有固定的宽度，托勒密和第谷都曾测量过。我们现在知道，这些遥远的恒星实际上是点光源，我们看到的宽度是光波通过圆孔（比如望远镜或虹膜）所产生的结果。

但在当时，天文学家们对光的波动性一无所知。第谷用简单的几何学计算出，如果恒星间的距离像哥白尼所说的那样遥远，那它们的尺寸则必须有“大圆”那么大。即使是最小的恒星也会使太阳相形见绌，前者之于后者就如同一个葡萄柚之于一个点。这同样很难让人相信——第谷说，如此巨大的恒星是荒谬的。正如历史学家阿尔伯特·范·海尔登（Albert Van Helden）所说，第谷的“逻辑无可挑剔，其测量也无可指责。哥白尼主义者能做的无非是不得不接受这一论证的结果”。

面对着似乎无可辩驳的物理证据，哥白尼主义者并未放弃其理论，而是被迫诉诸神的全能。“俗众初看起来荒谬不经的这些观点，不应被轻易地指责为荒谬，因为神的智慧和威严其实远远超出了他们所能理解的范围，”哥白尼主义者克里斯托弗·罗特曼（Christoph Rothmann）在一封给第谷的信中写道，“你可以将宇宙想象为浩瀚无垠，将恒星想象得广大无边，但这仍然无法与无限的造物主相比。人们认为，国王地位越尊贵，其宫殿就应越加宏伟，才能配得上他的威严。那么，你认为神的宫殿应有多宏伟？”

第谷并不为这类论证所动，而是提出了自己的宇宙体系：太阳、月亮和恒星就像托勒密体系描述的那样围绕静止的地球旋转，而行星就像哥白尼体系描述的那样围绕太阳旋转（见左上图）。这种“第谷体系”（Tychonic）保留了“地心说”的优点，因此不需要解释笨重而怠惰的地球是如何运动的，也不必因为周年时差的缺失得将恒星假设为非常遥远、巨大——在第谷体系中，恒星就处在行星外面，尺寸也相当合理。但就行星而言，第谷体系和哥白尼体系在数学上是等价的。于是，第谷体系也保留了哥白尼体系在数学上的优雅，第谷认为这种优雅避免了托勒密体系中一切多余和不和谐的内容。

伽利略用望远镜观看天空时，发现了大量与托勒密的古代宇宙论直接相抵触的现象。他看到木星有卫星，证明宇宙可能有不止一个运动中心。他还观察到金星有位相，表明它围绕太阳运转。然而，这些发现并没有被当作地球绕太阳运转的证据，因为它们与第谷体系完全相容。

200年的论据

17世纪中叶，哥白尼、第谷、伽利略等先驱均已逝世，意大利天文学家乔万尼·巴蒂斯塔·里乔利（Giovanni Battista Riccioli）出版了一部著作，对各种宇宙论进行了百科全书式的评价，名为《新天文学大成》（Almagestum Novum，追随托勒密那部伟大著作）。里乔利考察了支持和反对哥白尼体系的众多论据，以及涉及天文学、物理学和宗教的论据。但里乔利指出，有两个主要论据构成了反对哥白尼体系的决定性证据。这两条论据都源自第谷的观点，都要到几百年后才能得到明确的答案。

第一个论据是，里乔利认为旋转的行星应该会使抛射物和下落的物体发生某些改变，而在现实中却无法检测到这些改变。第谷曾经认为，旋转的地球会使抛射物的轨迹偏离直线。然而直到19世纪，法国科学家伽斯帕-古斯塔夫·德·科里奥利（Gaspard-Gustave de Coriolis）对这种效应做出完整的数学描述，这些偏离才被观测到。

另一条是第谷提出的关于恒星尺寸的论据，里乔利用望远镜观测了恒星尺寸，并对第谷的结果做了更新。（第谷从未使用过望远镜。）里乔利设计了一种可重复测量恒星直径的流程，结果发现恒星看起来比第谷设想的还要小。但望远镜也增加了对周年视差的灵敏度，却仍未检测到周年视差，这意味着恒星必定比第谷认为的还要远。最终的效果是，恒星必定像第谷所说的那样巨大无比。

里乔利抱怨哥白尼主义者诉诸神的全能来回避这个科学问题。作为一名耶稣会教士，里乔利几乎不可能否认神的能力。但他仍然拒绝接受这种解释，他说：“即使这种错误陈述无可辩驳，它也无法让更严谨的人满意。”

由于缺乏确凿的科学证据，哥白尼学说中，关于宇宙和恒星尺寸的几乎令人难以置信的说法，无法被证明是正确的，因此，哥白尼学说迟迟不被接受。1674年，英国皇家学会实验馆长罗伯特·胡克（Robert Hooke）承认：“地球是运动还是静止仍然是一个问题，自从哥白尼提出这一问题之后，现代最优秀的天文学家和哲学家为之殚精竭虑，但迄今为止尚未有人能够确切证明地球到底是运动还是静止的。”

到胡克的时代，已经有越来越多的科学家接受了哥白尼的学说，尽管在一定程度上他们仍然面临着科学难题。直到1838年，弗里德里希·白塞尔（Friedrich Bessel）才记录下了令人信服的恒星的周年视差。大约在同一时间，乔治·艾里（George Airy）就恒星为何看起来比实际更大这一问题，第一次给出了一种完整的理论解释，斐迪南·莱希（Ferdinand Reich）则首次成功检测到因地球自转引起的落体偏离。当然，牛顿的理论——不适用于第谷体系——早已回答了第谷提出的“笨重、怠惰”的地球如何运动这一问题。

然而，回到伽利略和里乔利的时代，那些反对哥白尼学说的人，也有一些基于科学的相当合理、清晰且有观察依据的有利论据。虽然事实最终证明他们错了，但这并没有使他们成为糟糕的科学家。事实上，无论是过去还是现在，对他人的激烈争论提出严谨的反驳意见，一直是科学研究中的挑战和乐趣。

（本文由Scientific American中文版《环球科学》授权南方周末发表，张卜天翻译。作者丹尼尔森是加拿大不列颠哥伦比亚大学英文教授，主要研究哥白尼革命的文化意义。葛兰尼是美国肯塔基州杰佛逊社区和技术学院的物理学和天文学教授。）