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标  题: 五、日心学说的发展
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年06月30日18:03:01 星期一), 站内信件

哥白尼的日心学说的杰出的科学成就和特有的革命锋芒，点燃了近代科学革命的火
炬。就这个意义来说，哥白尼的日心说的成就无疑是主要的，它不愧为近代科学史
上诞生的第一个具有重大影响的科学体系。但是，哥白尼的日心学说也有实验基础
和数理基础不够完善的历史局限。尽管如此，日心学说在问世之初还是产生了强烈
的社会反响，并得以比较迅速地传播。

最先敏锐地觉察到哥白尼日心学说的理论局限的是哲学家和天文学家布鲁诺（
1548—1600）。布鲁诺在积极地宣传哥白尼的日心学说的同时，以他的宇宙理论修
正了哥白尼的日心学说中的“太阳是宇宙的中心”和“恒星天层是宇宙的边缘”等
理论谬误，从而对哥白尼的日心学说作出了重要的发展。

1584年，布鲁诺写成了《论无限、宇宙和世界》、《论原因、本原和统一》等重要
的自然哲学著作。在这些著作中，布鲁诺以他的宇宙论发展了哥白尼的日心说。

哥白尼的日心说认为，太阳是整个宇宙的中心。但布鲁诺的宇宙论认为，太阳并不
是整个宇宙的中心，而只不过是太阳系的中心。布鲁诺认为，太阳与其他恒星一样，
只不过是宇宙中的一颗普通的恒星。它与其他恒星并没有什么不同之处。反之，
其他千千万万颗恒星，也是它们各自所在的那个星系的太阳。至于地球，它只不过
是太阳系的一颗普通行星。对于整个宇宙来说，它不过是宇宙中的一粒微小的尘埃。
布鲁诺还由此推测，地球绝不是宇宙中唯一有人居住的星球，在别的星系之中，
也一定有与地球一样有人居住的星球。这样，布鲁诺就从根本上否定了哥白尼提出
的太阳是宇宙的中心的思想。布鲁诺还进一步推断，不仅太阳不是宇宙的中心，而
且整个宇宙根本就没有中心。这就是布鲁诺在修正哥白尼的太阳是宇宙的中心这一
思想的基础上提出的宇宙无中心论。

哥白尼的日心说认为恒星天层是宇宙的边缘。因此，哥白尼的日心体系与托勒密的
地心体系一样，实质上还是一种有限论的宇宙体系。而布鲁诺的宇宙论认为，既然
宇宙没有中心，那么它也就没有边缘。而一个没有中心和没有边缘的宇宙，必然是
一个无限的宇宙，这就是布鲁诺的宇宙无限论。

由于布鲁诺的宇宙理论的建立，不仅克服了哥白尼的日心说的理论局限，从而对日
心说作出重大发展；而且开了近代天文学的宇宙论之端，从宇宙学方面为近代天文
学的发展提供了一个最初的无限宇宙模型。

布鲁诺的宇宙论及其革命意义已经超越了他的时代，他的宇宙论在当时甚至连接受
哥白尼的日心学说的天文学家也难以接受，在宗教中更引起了震惊。1600年初，罗
马教廷将布鲁诺处以火刑。

由于哥白尼的日心学说存在着实验基础不够完备和数理基础不够完善这两个基本方
面的局限，所以自哥白尼之后，天文学革命出现了两种新趋势：其一，观测天文学
迅速发展。丹麦天文学家帝谷便是这种新趋势的代表人物。其二，数理天文学迅速
发展。德国天文学家开普勒便是这种新趋势的代表人物。

哥白尼的日心学说发表以后，第一个在观测天文学方面作出重要贡献的，是丹麦天
文学家、天文观测大师帝谷·布拉赫（1546—1601）。帝谷在天文观测上所取得的
成就是无与伦比的。近代早期天文学上的最重要的观测工作，差不多都是由帝谷进
行的。

帝谷的天文观测是比较精密的。为了进行精密的观测，他发明和改革了不少天文观
测仪器。利用这些观测仪器，他的天文观测精确度达到了当时肉眼观测能达到的最
高水平。由于观测精确度极高，帝谷因此发现了月球运动的“二均差”现象。帝谷
所编制的恒星表至今仍有重要价值，他在20余年时间内积累起来的行星运动史料，
后来成为开普勒发现行星运动定律的直接实验基础。

虽然帝谷的天文学兴趣主要在天文观测方面，但是他对于作为天文学基础的宇宙体
系同样感兴趣。在多年的观测实践与研究中，帝谷对日心体系和地心体系都不尽满
意。在神学与科学、地心体系与日心体系的矛盾夹击之下，帝谷逐渐构思出了一个
介于两大宇宙体系之间的折衷体系。1582年，帝谷明确提出了他的这个新的宇宙体
系。帝谷说：“按照古人的说法和《圣经》的启示，我认为只能把地球安置在世界
中心。但我不赞成托勒密的那种主张。我想，只有太阳、月亮以及包含全部恒星的
第八重天才以地球为中心而运行，五颗行星则绕太阳运行。太阳处在它们的轨道中
心，它们像陪伴君王那样绕太阳作周年运动。”这就是帝谷提出的行星绕着太阳转
而太阳、月亮绕着地球转的一个折衷的宇宙体系。这一太阳和地球的双重中心体系
实质上不过是托勒密的地心体系的翻版，吸收了哥白尼日心体系的某些理论而已。


帝谷在初步提出他的宇宙体系之后，就力图以天文观测来证实他的体系，但最终也
未能如愿。

帝谷体系如果出现在哥白尼之前，对于托勒密体系而言，它还具有一定的进步意义
。但是，在哥白尼的日心体系已经问世之后，帝谷的折衷体系就只能是一种历史的
倒退了。帝谷的天文观测成就是令人惊叹的，但他的理论失足却是令人遗憾的。在
近代天文学史上，他虽然是当之无愧的以观测见长的杰出的实验天文学家，但在数
理天文学方面，他却只是一个平庸的理论天文学家。帝谷在宇宙体系的理论探索中
看来是失足了，倒退了，但就一定的意义说来，帝谷体系确实又是日心学说由哥白
尼体系向开普勒体系发展过程中的一个必然的转化环节，一个必经的阶段。

帝谷在布拉格致力于天文学研究时，获得了一位他十分赏识的助手，这就是德国的
年青天文学家开普勒（1571—1630）。

和哥白尼一样，开普勒也受到当时在欧洲复兴的毕达哥拉斯的思想的影响，力图追
求宇宙的数的和谐。

1596年，开普勒发表了他的第一部天文学论著《神秘的宇宙》。在这一著作中，他
提出了一个以五个等边立体的外接圆球的套件来说明行星之间的数学关系的几何模
型。在这个几何模型中，开普勒认为，行星的距离与它所在的天层的天球壳的半径
相关，而这些天球壳又与五个等边立体套件内接和外切。这个模型没有也不可能真
正揭示出行星轨道之间的数的关系，但却集中表现了作为一个毕达哥拉斯主义者的
开普勒的科学思想、科学方法和科学追求。

1604年，开普勒发现了蛇天星座的超新星。这是当时发现的银河系的第三颗超新星
。由于开普勒历来具有浓厚的数理天文学兴趣，因此他逐渐把他的研究重点从观测
天文学转到数理天文学方面，试图建立一种新的宇宙的数的和谐体系。开普勒本人
既不相信托勒密的地心体系，也不相信帝谷的折衷体系，而是坚持哥白尼的日心体
系，坚持采用哥白尼的日心体系来作为数据分析的理论基础。

开普勒的第一个工作是企图将火星的观测数据，归纳为它的运动规律。开始他是以
旧有的几何技巧表示行星的运动，后来他从许多物理的根据去研究太阳怎样使行星
维持在轨道上运行。经过多年的研究，1609年，开普勒出版了一本题为《新天文学
》的论著。在这一论著中，开普勒论述了他所发现的行星运行的第一定律和第二定
律。

行星运动第一定律是：每一行星都沿一椭圆轨道环绕太阳运行，而太阳则处于椭圆
的一个焦点上。由于第一定律主要是描述行星环绕太阳的运行轨道，因此行星运动
第一定律也称为行星运动的轨道定律。

行星运动的第二定律是：从太阳到行星所联接的直线在同等时间内扫过同等的面积
。行星运动第二定律是揭示行星的线速度不匀速的规律的，也称为行星运动的面积
定律。

发现行星的两个定律之后，开普勒并未就此止步。十年之后，开普勒于1619年在其
所著的《世界的和谐》这一新论著中，公布了他发现的行星运动的第三定律：行星
公转周期的平方等于它的对日平均距离的立方。第三定律给计算行星运动的轨道和
公转周期带来了极大的方便。更重要的是，第三定律揭示了行星向径与公转周期之
间的内在联系。因此，第三定律也称为行星运动的周期定律。

行星运动三定律的发现，是对哥白尼日心学说的重大发展，因为行星运动三定律不
仅初步克服了哥白尼学说的历史局限，而且把哥白尼的日心学说建立在更为完善的
数理基础之上。这样，日心学说就从哥白尼体系发展到开普勒体系这样一个新的发
展阶段。

当开普勒宣布发现行星运动第一定律和第二定律，从而奠定日心学说的数理基础时
，在意大利，近代实验科学的伟大奠基者、开普勒的朋友伽利略（1564—1642）也
以天文望远镜的发朋为日心学说的确立和发展作出了重大贡献。如果说，开普勒对
日心学说的重大贡献在于为日心学说奠定了实在的数理基础的话，那末伽利略对日
心学说的主要贡献在于为日心学说奠定了直接的实验基础。

哥白尼的理论开始所以遭到很多的反对，主要原因是那时的人对物体为什么运动有
一种错谬的看法。直到17世纪人们对于力学才有比较正确的看法。伽利略使力学成
为一种近代的科学。伽利略澄清了哥白尼理论在力学上的障碍之外，并从另外两个
方面去推进了它。首先，他用那时新发明的望远镜去观察天体，发现一些现象，对
于解决新旧两种宇宙观的纷争，起了很大的作用；其次，他在科学与宗教的战争里
，表现为无比英勇的战士。

1608年，荷兰德尔堡的眼镜制造商汉斯·利波尔塞根据一次偶然的发现，发明了第
一架望远镜。1609年5月伽利略听说这一消息时，立即意识到望远镜将对观测天文
学具有重大科学价值。于是，他立即对光学原理和磨镜技术进行了实验研究，于当
年试制成功了第一台可放大30倍的天文望远镜。第一台天文望远镜就这样发明了。


1601年伽利略开始用望远镜去观察天体，并在当年发表的《星际的信使》和《论太
阳的黑子》等论著中，报道了他的一系列重大的天文发现。在伽利略的天文望远镜
中，人们第一次见到了前所未知的天体奇观。而伽利略的这一系列的杰出天文发现
，特别是木星的卫星、金星的位相这些杰出的天文发现，第一次为哥白尼的日心学
说提供了直接的实验证据，而哥白尼的日心学说也因此第一次在实验观察中得到证
实。

哥白尼快要死去的时候，凡是主张不合教会思想的人就会受到迫害。不过那时还仅
限于宗教思想，一位有名的牺牲者，便是布鲁诺。到了伽利略的年代，这种不容异
己的迫害越来越严重，推广到有关科学的思想，于是伽利略便成了第二个受迫害者
，教廷禁止伽利略继续研究哥白尼的学说，不准他再为日心体系辩护。

伽利略虽然表面上表示服罪，但他在实际上并未放弃哥白尼的日心学说，悄悄开始
他的主要天文学著作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》的写作。《对话
》于1632年在佛罗伦萨出版。《对话》是一部巧妙地论证日心体系的科学巨著，是
继哥白尼的《天体运行论》和开普勒的《新天文学》之后的又一天文学杰作。同时
也是继哥白尼的日心体系和开普勒的行星定律之后对基督教神学的又一次沉重打击
。

《对话》一书由萨尔维阿蒂、沙格列陀和辛普利邱三人在四天内的对话组成：

第一天，通过三人的对话，批判基督教神学的天体观，特别是批判基督教神学历来
认为天体与地球根本不同的谬论；同时论证地球是与其他行星一样的一颗运动中的
行星。

第二天，通过三人的对话，批判托勒密的地心学说中的地球静止不动的谬论，论证
地球的周日运动，即地球自身的绕轴自转运动。

第三天，通过三人的对话，批判托勒密体系的地球中心论；同时论证太阳系的中心
是太阳，而不是地球；并进而论证地球与其他行星一样的绕日公转运动，即地球的
周年运动。

第四天，通过三人的对话，讨论潮汐问题。

伽利略的《对话》也有其严重的理论局限。这种理论局限集中地表现为《对话》缺
乏像开普勒体系那样严密的数理基础。由于伽利略本人是比开普勒更道地的毕达哥
拉斯主义者，他不仅信守宇宙中存在着数的和谐这些基本合理的思想原则，而且笃
信天体运动是匀速圆周运动这样狭隘的思想信条。所以，在数理基础方面，伽利略
仍然与哥白尼一样，坚持认为天体运动是匀速圆周运动，而对开普勒早已提出的行
星运动是椭圆轨道上的变速运动的理论置之不理。

1632年《对话》出版之后，立刻遭到耶稣会教士的攻击，控诉他向检查人隐瞒了他
从前受到的不再宣传哥白尼学说的警告，而以欺骗教皇的方式取得他的书的刊印权
。1633年6月22日，伽利略以缺席被判终身监禁。由于伽利略对力学的改造，在望
远镜里的发现和对教士们所作的斗争，当其倒下的时候，他已经将哥白尼的学说推
进到最后的胜利，这是他没有想到的；因为1642年当伽利略在囚牢里死去之时，在
英国诞生了牛顿。

当开普勒想用力学的原理去说明行星为什么在轨道上运行的时候，他认为必定有一
种力量在推动它。伽利略发现了力学基本原理以后，他感觉这种力量是太阳拖着行
星的。牛顿根据这个线索终于引导他获得行星运动的正确解释，为人承认以至今日
。牛顿的行星运动理论是以哥白尼的理论为基础的。牛顿的理论不只应用于行星的
运动，而且推广到一切天体。因牛顿的理论范围广大，而且无往而不胜，所以很快
就被人接受，哥白尼的理论亦因而得到人们的承认。

牛顿潜心研究了开普勒的行星运动定律，他是了解这些定律的深切意义的第一个人
，他从这些定律得到他所需要的资料。他寻找着引力随距离变化的规律。他计算出
地球施于月亮的引力就是使月亮在其轨道上运行的力量，而且不需要有其他的力量
。牛顿更进一步证明太阳也施同性质的力量于行星上，使它们在各自的轨道上运行
。开普勒凭经验寻得行星的轨道是椭圆。牛顿根据他的引力定律，用数学推出这个
结果。

牛顿在行星运动的问题上工作了20年，最后写成了一本千古不朽的巨著：《自然哲
学的数学原理》。这本书奠定了近代力学的基础。它表明哥白尼的行星系统是一个
伟大的机构，可以从牛顿首先理会到的力学定律得到解释。在这种天体的机构下，
彗星的神秘的飘荡运动也被证明为受着同样的定律的支配。

经过多年的研究之后，牛顿终于将使苹果落地的力量，维持月亮在轨道上运行的力
量和一切天体互相吸引的力量都统一为一种力量，而且还证明这些力量产生于物质
所共有的一种性质，因而才使宇宙里每一个质点和另外的质点互相吸引。这引力的
强度和所讨论的两个质点的质量及其间的距离有一个确定的关系。这关系叫做万有
引力定律，牛顿根据它说明了有关天体的许多现象。牛顿以后的天文学家沿着他所
开辟的道路，解释了很多他没有察出的现象，并形成一种由数学去研究天体运动的
天体力学。

哥白尼的学说便这样得到全面的胜利，经过的过程并不是由于巧妙的推理，或者证
明地球运动的新发现，而只是被包括在牛顿关于物质世界的理论之内。牛顿的成功
摧毁了日心说的一切障碍。

亚里士多德认为土、水、火、风是地上的四种物质，都循直线的方向而运动，天上
的物质只有“以太”，循圆周的方向而旋转。牛顿的自然体系根本打消了天上地下
的区别，一切物质同为一种力学所支配。19世纪里由天体物理的研究，说明构成一
切天体的物质和地上的物质并无本质之不同。所以从哥白尼开始的思想革命，经过
了几百年，终于表明物质宇宙是一个统一的整体，没有任何一部分具有特殊的地位
与性质。宇宙到处运行着相同的规律，一切事件都在因果关系里不断地演变。

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