第11章 天文学数据：经验事实
在接下来的几个章节中，我们将陆续研究托勒密、哥白尼、第谷和开普勒等人的天文学理论，随着这些理论的发展更迭，人们对宇宙的看法从旧的亚里士多德方式转变到了更新一点儿的牛顿方式。我们对这些理论的研究意在理解这个转变过程所涉及的某些因素和命题。在人们对宇宙看法转变的过程中，前面提到的几个理论都扮演了重要角色。为了理解这些理论，我们需要对某些数据进行研究，因为这些理论基本都是用来解释这些数据的。
我们在前面的章节中讨论过，不管我们希望从理论中得到什么，理论必须至少可以对相关数据进行解释和预言。换句话说，一般来说，对某个特定的理论，存在一系列相关事实，这个理论应该能够对这些事实进行解释和预言。
除此之外，正如我们在第3章中讨论过的，“事实”这个概念并不像其乍看起来那么直接明了。具体来说，我们提到了，某些事实是相对直接明了的经验事实，最好的经验事实范例就是直接的观察结果，比如，在我所在的地方，我们称为太阳的发光体今天早上6：33从东方地平线上出现了。同时，我们也注意到同样存在哲学性/概念性事实，也就是通常人们坚信不疑的观点，而且经常看起来是经验事实，但实际上更多的是基于某个人的世界观，而不是直接明了的观察结果。
在接下来的两章中，我的主要目标就是解释一些事实，这些事实都与托勒密、哥白尼、第谷和开普勒等人的天文学理论相关，其中既包括经验事实，也包括哲学性/概念性事实。在本章中，我们的重点将是某些更为重要的经验事实，而在下一章中，我们将研究哲学性/概念性事实。
托勒密、哥白尼、第谷和开普勒等人的理论都是天文学理论，所以这些理论必须解释和预言的相关事实，基本都与天文学事件相关。当我说“天文学事件”时，我指的是涉及天体的事件，比如涉及月球、太阳、恒星和行星的事件。这些事件在很大程度上都与人们所观察到的这些天体的运动有关。接下来的内容，并不是一个包含了所有这些天体运动的目录，但是可以让你很好地体会一下，不同天文学理论需要解释和预言的经验事实有怎样的一个范围。
重点是，这一章是关于经验事实的，因此，在谈到运动时，我们关注的重点是人们所观察到的太阳、月球、恒星和行星等天体的运动。举个例子，当我们谈到火星的运动时，重点并不是火星是沿什么形状的轨道运行的——是椭圆形、圆形，还是其他什么形状。相反，重点是人们所观察到的火星的运动。更具体地说，在夜空中有一个肉眼可见的亮点，我们通常称之为火星，这个亮点以某种方式运动（接下来我们将会更详细地描述这个运动）。因此，当我们谈到火星的运动时，我们谈到的其实是人们直接观察到的关于这个亮点如何在夜空中运动的直接明确的经验事实。
理解了这一点以后，让我们从人们所观察到的恒星运动开始讨论。
｜恒星运动｜
恒星运动似乎是以一种规律的模式，将近每24小时重复一次。举个例子，假设你身处北半球，晚上9点出门去观察恒星。假设你所关注的是我们称为北斗七星的七个亮点的运动。在夜晚，你会发现北斗七星围绕着被我们称为北极星的亮点做逆时针圆周运动。如果你在那个位置站整整24个小时，当然白天你肯定看不见北斗七星了，不过当夜晚再次降临时，你就会发现很明显北斗七星在继续围绕北极星做圆周运动。24小时后，也就是第二天晚上9点，你会发现北斗七星的位置与前一天晚上其所在的位置非常接近。简言之，北斗七星和其他靠近北极星的恒星似乎都在做圆周运动，而北极星就是这个圆周的中心。而且，这些恒星似乎将近每24小时完成一次围绕北极星的圆周运动。
假设接下来的一天晚上，你又出门，观察比北极星还要远的恒星，比如那些夜幕刚刚降临时靠近东边地平线的恒星。随着夜越来越深，你会发现这些恒星沿一条弧线运动（跟太阳在空中运动时所沿的弧线十分相像），最终从西边地平线落下。同样地，如果你观察整整24个小时，会发现同样的恒星所在的位置与你前一天晚上同一时间看到它们时的位置几乎是相同的。
南半球天空中的恒星同样也在空中沿弧线运动，也就是从东南地平线升起，从西南地平线落下。同样地，这些恒星所在的位置都与24小时前它们最初所在的位置非常接近。
最后，还有两点值得注意。第一，前面所描述的观察，其基础是假设你在北半球观察恒星。如果你身处南半球，你将会看到不同的恒星（比如，北极星你就看不到了），不过恒星的运动模式与前面所描述的模式是类似的。
第二，每颗恒星都会在空中运动（除了北极星，北极星运动的幅度并不特别明显），但它们与其他恒星的相对位置都保持不变。也就是说，恒星以组为单位在夜空中运动。如果你选择具体的一颗恒星来观察并记录它的运动轨迹，你会发现这颗恒星在夜空中与其他恒星的相对位置总是保持不变的。这也就是为什么恒星习惯上都被称为“固定的星星”。它们并不是真的固定在一个位置，因为它们看起来确实是每24小时围绕地球运转一圈，不过这些恒星是以组为单位来运转的，因此彼此之间的相对位置是固定的。
总结一下，我们称为恒星的亮点以一种可预测的模式运动，而这个运动模式早在人类有记录的历史开始之前就已经被发现了。接下来，让我们来研究一下太阳的运动。
｜太阳的运动｜
太阳最直接明了的运动是它每天在空中的运动。太阳从东方升起，在空中沿弧线运动，在西方落下。距离前一次升起将近24小时后，太阳会再次升起。
除此之外，太阳在东方升起的点的位置在一年之中进行南北移动。在冬至这一天（这是冬季的第一天，是一年之中白天时间最短的一天，一般是12月22日或前后几天），太阳在东方地平线升起的点位于其在一年之中的最南端。在接下来的几个月中，太阳在东方地平线升起的点逐渐向北移动，直到3月22日或前后几天（也就是春分日，是春季的第一天），太阳几乎是在正东方升起，这一天白天和夜晚的时长几乎相等（由于某些复杂的原因，在春分日这一天，白天和夜晚的时长并不是完全相等的，这与主流观点相左，但我们在这里并不需要关注）。同样地，在接下来的几个月中，太阳在地平线上升起的位置继续向北移动，在夏至（标志着夏季的第一天，是一年之中白天时间最长的一天，通常是6月21日或前后几天）这一天来到它所能到达的最北端。然后太阳升起的位置开始向南移动，到了秋分这天（秋季的第一天，通常是9月22日或前后几天），太阳再次几乎从正东方升起。最后，在秋分以后的几个月间，太阳升起的位置继续向南移动，直到12月22日或前后几天，太阳再次从其所能达到的最南端升起，同样地，这又标志着冬季的第一天。这个闭环的运动过程年复一年地重复着，从人类已知的历史之初就是这样了。（顺带提一句，请再次注意一下，我前面描述的情形是基于北半球视角。如果是基于南半球视角，太阳的运动模式是相似的，不过其中某些因素会有所不同，比如季节）。
以上这些运动并不是太阳所进行的唯一运动。太阳在空中与其他恒星之间的相对位置每天都在变化。尽管我们通常不会关注太阳与其他恒星的相对位置，但要记录这个位置并不困难。如果你在日落时分出门，观察在西方地平线上哪些恒星是在日落以后马上就可以看到的，你会发现这些恒星每天晚上的位置都会稍微发生一些变化。如果把这些恒星作为参照点，太阳相对于它们的位置看起来是在向东偏移。换句话说，相对于恒星来说，太阳每天所在的位置都会稍稍向东移动一点。（接下来我们将会看到行星也会偏移。这也就是为什么在占星学中，太阳和行星在一年中不同的时间里会位于不同的星座。因此，举个例子，随着太阳相对于恒星的位置不断向东偏移，可能它在某个月时就位于星座摩羯座附近，所以在占星界，人们可能就说太阳在摩羯座，到了另一个月就在双鱼座了，以此类推。）
对太阳较明显运动的描述就到此结束了。接下来我们将简要研究月球的运动。
｜月球的运动｜
月球的运动要更复杂一些，不过我们只会简要描述其中较为明显的一些运动。在可以看到月球的夜晚（在大多数夜晚我们都可以看到月球，但绝不是每个夜晚都可以），月球像太阳一样从东方升起，在天空中沿弧线运动（这点也与太阳相似），最后从西方落下（并不一定是每天都在天还没亮时就落下）。与恒星和太阳不同的是，月球并不是在前一次升起后24小时再次升起。相反，每天晚上，月球升起的时间都比前一天晚上要推迟一些（推迟的时长在一年之中会有所不同，不过平均来说略短于1小时）。
月球同样经过一系列相位，每稍多于29天这些相位循环一次。这些相位所指的月球有时是月牙，有时是半月，有时是3/4月，还有时是满月，等等。不管月球在某天晚上处于哪个相位，从这一天起，经过稍多于29天的时间后，月球将再次处于这个相位。
像太阳一样，月球相对于其他恒星的位置也会向东偏移，但偏移的速度比太阳快。月球每经过大约27天就回到相对于其他恒星的同一个位置。换句话说，如果你今天晚上出门，把月球相对于其他恒星的位置观察记录下来，然后，经过稍多于27天的时间后，月球将会位于同样的相对位置。
正如前面提到过的，这些绝不是月球所进行的全部运动，但却是比较明显的几类月球运动。现在让我们转向更为复杂的行星运动。
｜行星的运动｜
讨论行星的时候，我们必须非常小心。你我所生活的时代是一个技术主导的时代。我们有幸看到了众多行星的照片，其中有些是由像哈勃太空望远镜这样的技术奇迹所呈现的，而有些则来自于飞到某些行星附近或登陆某些行星的宇宙飞船。
正因如此，提到行星时，第一时间出现在我们脑中的画面，与那些生活在还没有现代科技时代的人们脑中第一时间出现的画面相比，会非常不同。不过，有两点需要记在脑中。第一，我们现在的讨论只是为后面讨论托勒密、哥白尼、第谷和开普勒等人的天文学理论提供背景知识，而这些天文学家中没有一个能接触到我们所能接触的科学技术。第二，我们在讨论的是经验事实，就大多数明确的经验事实而言，它们都是由直接明了的、由观察得来的数据所组成的。
因此，一个相关联的问题是，关于行星，我们有哪些直接的、由观察得来的数据？换句话说，如果我们仅仅依靠直接的裸眼观察，那么关于行星的事实都有些什么？
需要指出的第一点是，在任意一个确定的夜晚，我们称为行星的一个亮点与我们称为恒星的一个亮点看起来并没有显著的不同。总的来说，恒星和行星看起来非常相像。
顺带提一句，你可能听说过恒星会闪烁，而行星不会。这个说法有一定依据，但是我从来没见过哪个人对夜晚星空没有什么了解却可以根据夜空中的亮点是否闪烁来区分行星跟恒星。只有当你学会了用其他条件来区分行星和恒星后，你才会开始注意夜空中某个亮点是否闪烁。
除此之外，在任意一个确定的夜晚，我们称为恒星的亮点和称为行星的亮点在空中的运动方式是相似的。也就是说，在单独某个晚上，所有亮点，不管是恒星还是行星，它们在夜空中的运动，都像我们在恒星的运动那个部分里所描述的一样。
简言之，如果你不是已经知道了如何分辨恒星和行星，那么在任意一个给定的夜晚你都无法看出两者之间的区别。然而，如果追溯到人类有记录的历史开始之前，我们的前人就发现了夜空中有5个亮点跟其他上千个亮点都有所不同。这个不同点主要是基于这5个亮点的运动模式，但并不是它们在某一个夜晚的运动，而是经过许多夜晚形成的运动模式。（顺带提一句，我们通常认为存在9颗行星，但是直到18世纪，随着望远镜技术的发展，人们所知的行星都还仅仅是那些肉眼观察可见的行星，也就是水星、金星、火星、木星和土星。）
正如前面提到过的，在任意一个给定的夜晚，行星通常看起来（至少是仅用肉眼观察）与恒星并没有什么不同。举个例子，如果你花上几个小时来观察木星，你会发现它随着恒星运动，而且通常看起来与恒星没有任何不同。然而，如果你持续几天或几个星期仔细观察木星，你就会注意到，与月球和太阳相似，木星与恒星的相对位置在不断偏移。一般来说，每天晚上，木星相对于恒星的位置都会比前一天晚上更靠东一点，因此几个星期或者几个月以后，木星相对于恒星的位置就出现了明显的向东偏移。
同样值得指出的是，与恒星不同，行星的亮度变化很大。举个例子，当金星肉眼可见的时候，总是看起来相当明亮，不过有些时候它会比其他时间更加明亮（最明亮的时候，金星看起来像一架正在着陆的飞机上的着陆灯）。其他行星亮度变化并不像金星那么显著，不过尽管如此，5颗肉眼可见的行星都会时常出现亮度上的明显变化。
总之，上面这些就是行星和恒星之间唯一明确的、可观察到的区别。我们称为恒星的上千个亮点彼此之间的相对位置，至少从人类有记录的历史开始，就一直没有发生变化，而且通常每颗恒星的亮度在不同时间点看起来似乎都是一样的，而我们称为行星（行星这个词英文是planet，源于希腊语中“漫游者”这个词）的5个亮点，它们相对于恒星的位置会发生偏移，而且在不同时间点，亮度也有高有低。
任何一个适当的天文学理论都必须可以解释这些观察结果。举个例子，一个适当的理论必须能够考虑到木星不同的亮度和与恒星相对位置的偏移，必须能够预言明年这个时候木星将会出现在夜空中的什么位置。
由于行星与恒星的相对位置会发生偏移，因此相比之下，预言行星位置比预言恒星位置的难度要大得多。然而，实际情况还要比这更复杂一些。举个例子，尽管通常每天晚上木星相对于恒星的位置都会向东偏移一些，但大约每年有那么一次，木星的位置会有那么几天不发生偏移，紧接着就开始向“错误”的方向偏移，也就是向西偏移。接下来，它会一直向西偏移几个星期，然后再次有那么几天停止偏移，紧接着重新开始向东偏移，持续时间大约又是一年。
行星这种非常有意思的“反方向”偏移被称为“逆行运动”。所有的行星都有逆行运动，尽管逆行的间隔并不完全相同。木星和土星大约一年有一次逆行，火星大约每两年逆行一次，金星大约每一年半一次，而水星则是大约一年三次。
在构建有较好解释和预言能力的天文学理论时，行星的运动，特别是这个有意思的逆行运动，使行星成了最让人头疼的一类物体。然而，很快我们将看到，理论还是被构建了起来，而且在解释和预言方面都有不错的表现。
在结束之前，还有最后几个关于行星的经验事实值得一提。这些事实看起来微不足道，从某种意义上说，也确实是这样，但是随后，当我们需要判断两个相互竞争的天文学理论哪个更合理时，这些事实将会发挥重要作用。第一，水星和金星的位置从来不会离太阳很远。也就是说，不管太阳在空中的位置在哪里，水星和金星都会在附近。如果你拿着一个一英尺长的尺子，放在距离眼睛一臂远的地方，那也就是金星位置与太阳位置之间（看上去）最远的距离了，水星的距离还会更近。
这个事实的一个推论是，你只能在太阳快要升起时或刚刚落下后看到水星和金星。举个例子，有时候，金星跟在太阳后面，因此当太阳落下以后，金星就会在西方天空中距离日落点不太远的地方。同样地，金星的位置距离西方地平线绝不会大大超出一把尺子的长度，日落后几小时内，金星就会从西方地平线落下。或者，在一年中的某些时候，金星将在太阳前面，在这种情况下，你会看到金星在清晨日出之前升起，最多在几个小时内可见，到太阳升起后，金星就看不见了。
还有一个事实表面上看起来微不足道，但后续在面临相互竞争的天文学理论时，这个事实在支持或反对某个理论的论据中会发挥重要作用。这个事实涉及火星、木星和土星三颗行星的亮度变化与它们进行逆行运动次数之间的关系。正如前面提到过的，所有行星的亮度都会发生变化。举个例子，火星每两年会明显变亮一点。回忆一下，在前面的讨论里，我们提到过火星大约每两年进行一次逆行运动。后来，火星的逆行运动被证明与火星亮度达到最大值的时点之间存在相互关联。也就是说，火星亮度的最高值总是出现在火星进行逆行运动的时候。木星和土星的情况相仿。它们也是在进行逆行运动的时候达到亮度最大值。
不同的天文学体系对这些看起来微不足道的事实会进行不同的解释。在后续章节中我们将看到，某些体系会用一种更自然的方法来解释这些事实，这在关于哪个天文学体系最好的争论中将成为一个考虑因素。
｜结语｜
天文学理论必须尊重的经验事实绝不简单，不过相对直接明确。这些事实很久以前就为人所知了，追溯到上千年前，某些人类早期的主要文明对这些事实都非常熟悉。后来人们发现，要用某一个天文学理论来解释这些事实一点儿都不简单。也就是说，要构建一个理论来准确预言和解释所有事实被证明是非常困难的。在开始讨论这样的理论之前，我们需要研究一下这些理论需要尊重的其他一些事实。这些事实是哲学性/概念性事实，与月球、太阳、恒星和行星的运动有关，在相互竞争的天文学理论的争论中扮演重要角色。这些哲学性/概念性事实将是下一章的主要话题。
