视觉化经验在哥白尼“日心说”理论建立中的表现

吕仕儒，高 海

（山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同 037009）

近代自然科学诞生的标志是1543年哥白尼《天体运行论》的发表．《天体运行论》把托勒密本末倒置的“地心说”重新颠倒了过来，指出太阳是宇宙的中心，地球只不过是其中一颗普通的行星．那么，哥白尼对托勒密“地心说”的否定是缘何作出的呢？在理论的建立过程中，视觉化经验究竟在起着怎样的作用呢？

1 哥白尼的成长经历

尼古拉·哥白尼（Nikolaus Copernicus，1473～1543年）是波兰伟大的天文学家，近代天文学理论的奠基人，因“日心说”理论的建立而成为近代自然科学的先驱．哥白尼10岁丧父，由舅父乌卡什·瓦兹洛德抚养．他的舅舅乌卡什·瓦兹洛德是一个知识渊博、崇尚科学的人文主义者，对哥白尼影响很大，是哥白尼的启蒙者之一．哥白尼从小学到大学都是在他舅舅的照顾和安排下完成的．18岁他进入克拉科夫大学读书．在克拉科夫大学，哥白尼得到了当时侨居波兰的意大利人文主义者、著名革命诗人卡里马赫的指导，还得到波兰著名天文学家、数学家沃依切赫勃鲁泽夫斯基的悉心教诲和栽培．

1496－1503 年，哥白尼从博罗尼亚到意大利帕多瓦．又从帕多瓦转入费拉拉，以后又从费拉拉重新回到帕多瓦大学，并一度受聘于罗马大学讲授天文学和数学．这使得年轻的哥白尼可以尽情地在各大学府吸取人文主义的精华，领略处于世界文化和学术中心的意大利的最高科学成果，站到了当时人类最先进的思想精髓和最高学术水平这个“巨人的肩膀上”．从而使哥白尼始终以人文主义思想和追求科学真理的态度作为自己的精神动力，去开拓新的宇宙结构理论体系，改变人类有史以来笃信了几千年的宇宙观．在博罗尼亚哥白尼有幸结识了天文学家、意大利文艺复兴运动领导人达·诺瓦拉（de Novara，1454－1540年）教授．达·诺瓦拉是一位实践的天文学家，他亲自测量过南欧一些城市的纬度，发现这些纬度数据与托勒密（Ptolemy，90－168年）理论的差异，他还测量了黄道的倾角，发现了黄道倾角变化，这些观察发现使他对托勒密的理论体系发生了怀疑．他信奉古希腊哲学家毕达哥拉斯的主张，认为宇宙的法则是通过简单的几何图形或数字间的关系建立起来的．这位具有探索献身精神的对“地心说”大胆怀疑的科学家，其思想倾向和科学风格给哥白尼以深刻影响．正是在诺瓦拉的引导下，哥白尼学习和阅读了大量古希腊罗马哲学著作，从中找到了与占统治地位的“地心说”的不同见解，促使哥白尼对“地心说”产生怀疑，启发他开始探索建立宇宙结构新体系问题．建立“日心说”科学体系的因素主要有两个：一个是古人的启发；另一个是视觉化经验的提示．

2 古希腊“日心说”对哥白尼的影响

在阅读古典的作品当中，哥白尼发现在天文学史上首先提出太阳是宇宙中心的则是约公元前3世纪生活在希腊塞莫斯岛的阿利斯塔克（Aristarchus of Samos，公元前310～公元前250年）．这位古希腊的伟大学者在他的《论日月的大小和距离》中详细记录了他测定两个天球距离之比的方法．阿利斯塔克经过观察和计算得出：太阳的直径是地球直径的19倍，地球的直径是月球直径的3倍，太阳的体积是地球体积的200～350倍．当然从今天的角度看结论，无疑是不准确的甚至可以说是错误的，但是他的研究方向和原理则是正确的．在这样的基础上哥白尼提出：地球不应该是宇宙的中心，因为地球不是宇宙中最大的天体，而太阳才是宇宙的中心，地球和其他行星均在绕着太阳作圆周运动，地球每天绕轴自转一周，每年沿圆周绕太阳旋转一周．恩格斯对曾经这样评价阿利斯塔克的工作：“塞莫斯的阿利斯塔克早在公元前270年就已经提出哥白尼的地球和太阳理论了．”说“他是古代的哥白尼”．阿利斯塔克等人的思想对哥白尼的影响很大，他说：“我不辞辛苦重读了我所能得到的一切哲学家的著作……我首先在西塞罗的著作中查到，赫塞塔斯设想过地球在运动．后来我在普鲁塔尔赫的作品中也发现，还有别的一些人持有这一见解……地球像太阳和月亮那样，沿着倾斜的圆周绕一团火旋转……就这样，从这些资料出发，我也开始考虑地球的可动性．”[1]当然哥白尼很清楚这些结论仅仅是古人的一种推断和猜想，要把它变成真正的科学理论，还有好多工作要做，要经过进一步的观察和理论论证．

3 视觉化经验对哥白尼的启示

在毕达哥拉斯和柏拉图影响下，哥白尼认为上帝是按照完美的圆形和匀速圆周运动的方式创造世界的，所以当他看到托勒密模型用了80多个本轮和均轮，而且还使用了偏心圆，便认为这不符合上帝的意志，所以是不正确的．他说：“我看到这些缺点，时常想，也许能够找出这些圆形更合理的一种安排，使每一个出现的差异都可以从它推导出来，根据这种安排，每个天体都绕着它合适的中心均匀转动，正如绝对运动规律所要求的那样．”[2]可见，哥白尼从内心对托勒密的理论产生排斥是由托勒密所描绘的这种繁杂和不协调的图景引起的．因此，他认为“地球不动的看法是没有道理的．”当然，认为托勒密模型不真实的并非哥白尼一人，甚至连托勒密本人都说：“看起来，推动这些行星运行似比了解它们的复杂的运动还容易些．”当然，哥白尼明白仅有怀疑是不够的，要想建立一个新的理论是需要进一步的论证和探索．

对于宇宙这个远远超出人的直接经验范围的认识客体，在论证的过程中包含一些主观臆断的成分是在所难免的，即使在今天仍然如此．托勒密从直观的经验出发认为恒星的东升西落是地球不动的最好的证明．哥白尼同样也是从经验出发对这种观点提出质疑和否定的．他说我们观察一个物体的运动存在三种情况：一是观察者不动而被观察者在运动；二是观察者在运动而被观察者不动；三是观察者与被观察者都在运动，只是速度不同而已．譬如第二种情况，正如古罗马的维尔吉尔所说：“我们乘船向前航行，陆地和城市后退了．”[4]他说：“无论观察对象运动，还是观察者运动，或者两者同时运动但不一致，都会使观察对象的视位置发生变化（等速平行运动是不能互相察觉的）．要知道，我们是在地球上看天穹的旋转；如果假定是地球在运动，也会显得地外物体作方向相反的运动．”“这就如水上行船，当船平静地向前漂移时，外界的一切东西都像是在运动，而船里的人却感觉自己和船上的一切都是静止不动的．”[5]因此，哥白尼说：“所以，我认为，必须首先仔细地研究地球在天空中地位，以免舍近求远、本末倒置，错误地把地球运动造成的现象当成天体运动的结果．”[6]那么地球在天空中究竟处于什么地位呢？他说一方面地球和天空相比，地球是渺小的，而天空则巨大无比；而另一方面，按照亚里士多德的观点，稳定比变化高贵，而天空又比地球高贵．那么我们有什么理由让巨大而高贵的天空绕着小小而卑贱的地球旋转呢！从这里我们可以看到哥白尼首先是在视觉化的经验的提示下证明地球的运动是可能的之后，才回到亚里士多德的观点当中为自己的主张寻求辩护和支持的．因此，他质问到：“为什么我们不承认看起来是天穹的周日旋转，实际上是地球运动的反映呢？”[4]正是这种视觉化图景的提示才使他对自己的理论充满信心，从而有勇气去否定直观感觉，进而诉诸毕达哥拉斯主义的理性．

哥白尼的“日心说”所描绘的宇宙图景看上去比托勒密的“地心说”简洁优美得多．用他的话说：“中央就是太阳，在这华美的宫殿里，为了能同时照亮一切，我们还能把这个发光体放在更好的位置上面吗？太阳被称为宇宙之灯，宇宙之心，宇宙的主宰，……好象是坐在王位上统率着围绕它转的行星家族．” 可以看出他对这种简洁对称的图景是颇为满意的．

4 “日心说”理论的建立

哥白尼建立起一个新的宇宙体系，即太阳居于宇宙的中心静止不动，而包括地球在内的行星都绕太阳转动的日心体系．离太阳最近的是水星，其次是金星、地球、火星、木星和土星．只有月球绕地球转动．恒星则在离太阳很远的一个天球面上静止不动．哥白尼把统率整个宇宙的支配力量赋予太阳，而各个天体则都有其自然的运动．哥白尼用了“将近四个九年的时间”去测算、校核、修订他的学说．1543年，当一本印好的《天体运行论》送到哥白尼的病榻时候，哥白尼已到了弥留之际．

《天体运行论》出版后很少引起人们的注意．一般人不能了解，而许多天文工作者如奥塞安德尔所说的那样，只把这本书当作编算行星星表的一种方法．《天体运行论》在出版后70年间，虽然遭到马丁·路德（Martin Luther，1483－1546）的斥责，但未引起罗马教廷的注意．后来因为布鲁诺（GiordanoBruno，1548－1600年） 和伽利略（Galileo Galilei，1564－1642年）公开宣传日心地动说，危及教会的思想统治，罗马教廷才开始对这些科学家加以迫害，并于公元1616年把《天体运行论》列为禁书．然而经过开普勒、伽利略、牛顿等人的工作，哥白尼的学说不断获得胜利和发展．恒星光行差、视差的发现，使地球绕太阳转动的学说得到了令人信服的证明．

哥白尼的学说不仅改变了那个时代人类对宇宙的认识，而且动摇了欧洲中世纪宗教神学的理论基础．“从此自然科学便开始从神学中解放出来”，“科学的发展从此便大踏步前进”[1]．哥白尼在建立“日心说”时，虽然声称是由于受古人著作的启发而产生的，但我们很容易看到，仍然离不开他对自然现象中的运动相对性现象这种视觉图景的较深刻的体验和细心的观察[7]．

[1]恩格斯.自然辩证法[M].北京:人民出版社,1971.

[2]霍尔顿.物理科学的概念和理论导论：上册[M].北京:人民教育出版社,1982.

[3]波德纳尔斯基.古代的地理学[M].北京:商务印书馆,2009.

[4]尼古拉·哥白尼.天体运行论[M].叶式辉译.武汉:武汉出版社出版,1992.

[5]徐毅毅.物理学家看世界[M].上海:上海远东出版社,1998.

[6]尼古拉·哥白尼.天体运行论[M].启斌译.北京:科学出版社,1973.

[7]吕仕儒,高海.视觉思维在原子核式模型建立中的表现[J].山西大同大学学报:自然科学版,2008,24(6):94-96.