第14章 哥白尼体系
在前一章中，我们探讨了托勒密体系。我们看到了，托勒密体系在预言和解释相关数据方面相当成功。尽管在托勒密死后的几百年间，其理论得到了修改，但都是些相对较小的修改，因此在接下来的1400年间，占主导地位的天文学理论实际上还是托勒密的理论。
在16世纪，尼古拉·哥白尼（1473—1543）发展出了另一个关于宇宙的理论。哥白尼在16世纪初期发展出了他自己的理论体系，并在去世那一年出版了这个理论。我们在本章的主要目的之一就是探讨哥白尼体系是如何进行解释和预言的。除此之外，我们将对哥白尼体系和托勒密体系进行一个简要的对比，包括讨论哪个体系的宇宙模型更为可行。最后，我们将探讨一下是什么因素促动了哥白尼，而这里的重点将是讨论某些哲学性/概念性观点是如何影响哥白尼的研究工作的。
｜背景信息｜
哥白尼体系是一个日心说体系。今天，我们认为太阳是太阳系的中心，然而值得注意的是，在哥白尼体系中，太阳不仅仅是行星运转的中心；事实上，哥白尼认为太阳是整个宇宙的中心。
哥白尼体系跟托勒密体系在很多方面都是相似的，但是其中地球和太阳的位置发生了对调。举个例子，像托勒密一样，哥白尼认为所有恒星与宇宙中心的距离是相等的，也都镶嵌在所谓的恒星球面上。与在托勒密体系中一样，这个恒星球面就是宇宙最远的边界。哥白尼的宇宙比托勒密的宇宙大，也就是说，哥白尼体系中的恒星球面比托勒密体系的支持者通常所认为的要更大、更遥远，不过与我们现在对宇宙大小的认识相比，哥白尼体系的宇宙与托勒密体系的宇宙一样，都是相对较小的宇宙。同样，与托勒密体系一样，哥白尼体系也运用了周转圆、均轮和偏心圆，尽管这个体系明显不需要等距点。再次说明，总的来说，哥白尼体系与托勒密体系有许多共同点，而最明显的区别就在于太阳和地球的位置不同。
同样值得注意的是，哥白尼与托勒密所面对的经验事实其实是一样的（也就是第11章所讨论过的主要事实）。数据并不是完全一样的——哥白尼和托勒密生活的年代毕竟相差了1400年，在这期间，出现了很多新的天文学观察结果，有些已有的错误观察结果得到了修正，还出现了几个新的但错误的观察结果（这些错误要么是因为观察错误，要么是观察结果记录的过程中出现了错误而造成的）。不过，总的来说，在哥白尼生活的时代，可以在研究中使用的经验数据仍然以肉眼观察为基础，而这些数据与托勒密在研究中使用的数据是非常相似的。
除此之外，哥白尼所坚定相信的哲学性/概念性事实也与托勒密所相信的相同。也就是说，哥白尼（以及几乎所有与他同时代的人）坚定地认为一个可以让人接受的宇宙模型必须尊重正圆事实和匀速运动事实。
哥白尼体系通常被认为远远简化于托勒密体系，而且在预言和解释方面更胜一筹。不过，很快我们就会看到，这完全是一个错误的认识。哥白尼体系很容易就可以变得像托勒密体系一样复杂，而在预言和解释方面也没有比托勒密体系更好（或更糟）。当有人说哥白尼体系比托勒密体系更为简化且可以给出更好的预言和解释时，他们最有可能想到的其实是开普勒体系，那是一个在哥白尼去世70年以后才发展出来的体系，我们将在下一章中进行讨论。
了解了这些背景信息，让我们开始对哥白尼体系的概述。
｜哥白尼体系概述｜
与我们讨论托勒密体系时一样，为了简化系统，我们将重点关注某一个行星的运动。我们将再次以火星为例，并同样从一幅示意图开始讨论。应该指出的是，图14-1中的圆圈半径大小并不是按比例计算的，而是为了能更容易地进行分辨而确定的。在哥白尼体系中，火星围绕点A沿圆形轨道运转（同样地，像这样的一个小圆圈就被称为周转圆）。点A围绕点B沿圆形轨道运转（同样地，这样的圆圈被称为均轮，或者如果这个圆圈是偏心的，那就是偏心圆）。点B同样在运动，但在运动的同时，它相对于点C的位置保持不变。地球沿偏心圆运转时，偏心圆圆心就是点C（为了简化示意图，图中没有标出地球，但是如果图中有地球，那么点C就将是地球沿偏心圆运转时的偏心圆圆心）。点C沿点D外围的一个圆圈运转，最后，点D围绕太阳沿圆形轨道运转。所以，我说哥白尼体系像托勒密体系一样复杂是有原因的。
图14-1 哥白尼体系对火星的研究
同样地，与托勒密体系非常相似，哥白尼体系也是一个圆圈围绕圆圈运动的复杂体系，其中使用了周转圆、均轮和偏心圆。然而，请注意，图中没有等距点，事实上，哥白尼体系并不使用等距点。同时，尽管哥白尼体系运用了周转圆，但只是为了利用周转圆所能提供的灵活性，而不是像托勒密体系那样用周转圆来解释逆行运动。
如果我们提出这样一个问题，“为什么哥白尼需要如此复杂的一套设置？”简单地说，答案会是如果没有这样一个复杂的设置，就不能给出合适的预言和解释。换句话说，跟托勒密体系的情况一样，通过使用这样复杂的设置，哥白尼发展出了一个能够很好地给出预言和解释的体系（尽管并没有比托勒密体系更好，但至少是一样好）。如果没有这样的设置，哥白尼就不能够得出与已知数据相符合的模型。简言之，就像托勒密体系一样，哥白尼体系也非常复杂，但是归根结底，这个系统是行得通的，也就是说，它对相关数据的解释和预言可以说是非常准确的。
到目前为止，我们只是讨论了火星的运动。在哥白尼体系中，描述其他外行星时，也就是描述木星和土星时，所需的设置与前面的示意图相似。描述地球所需的设置，复杂程度稍低一些，月球的情况也是如此。最后，解释内行星运动，也就是解释水星和金星运动所需的设置比火星的设置要更复杂一些。简言之，应该明确的是，哥白尼体系可以很容易就变得跟托勒密体系一样复杂。
｜托勒密体系与哥白尼体系的对比｜
尊重事实
正如我们在前面几章中讨论过的，不管我们对科学理论还有什么其他期望，它们首先必须能够预言和解释相关数据。因此，也就是说，在解释经验数据的准确性方面，托勒密体系和哥白尼体系实际上是一样的。没有一个理论是完美的，但两者都相当不错。举个例子，如果我们分别用这两个理论来预言一年以后的今天晚上火星会在夜空中的哪个位置出现，或者预言未来10年里每年的夏至具体会在哪天，或者对种类繁多的天文学事件中的任意一件进行预言，两个体系都会给出与事实非常贴近的预言。
至于正圆轨道和匀速运动这两个哲学性/概念性事实，哥白尼体系稍好一些。两个体系都尊重正圆事实，也就是两个体系都认为行星和恒星只沿正圆形轨道运动。然而，我们在前一章中讨论过，托勒密体系只是通过使用等距点这样一个相当勉强的概念才能与匀速运动事实相匹配。相比之下，哥白尼绕过了这个障碍，直接明确地尊重了匀速运动事实。强调一下，尽管这些“事实”对我们来说非常陌生，但是托勒密时代和哥白尼时代的大多数人都对这些事实深信不疑，因此，尊重这些事实是相当重要的。在这一点上，值得注意的是，哥白尼本人认为，不再使用等距点是其体系更胜一筹的重要原因之一。
简言之，在预言和解释经验事实方面，哥白尼体系和托勒密体系几乎没有区别。而在哲学性/概念性事实方面，哥白尼体系更直接明确地尊重了匀速运动事实。
复杂性
在复杂性方面，两个体系几乎没有什么不同。举个例子，如果我们看看两个体系所需要的设置（比如周转圆、均轮、偏心圆等），以及这些设置的数量，那么哥白尼体系几乎与托勒密体系同样复杂。就算像这样的系统复杂性无法精确量化，因而对两个体系的复杂性很难进行准确对比，但是我仍然认为可以得到一致认可的是，两个体系都很复杂，关于复杂程度方面，并没有什么因素可以把两个体系区分开来。
逆行运动和其他更“自然”的解释
回忆一下托勒密体系对逆行运动的解释，也就是对行星偶尔向“相反方向”运动的解释。在托勒密体系中，每个行星都需要一个主要周转圆，其根本目的是解释行星的逆行运动。
相比之下，哥白尼体系对逆行运动的解释则大为不同。我们将同样以火星为例，不过类似的解释也适用于其他行星的逆行运动。
在哥白尼体系中，地球是与太阳的距离排名第三的行星，火星排名第四。除此之外，地球围绕太阳运转两圈时，火星只能围绕太阳运转一圈。因此，地球每两年可以追上火星一次，然后超过火星。在地球经过火星的这段时间里，从地球上观察，火星似乎是相对于背后的恒星在向反方向运动。图14-2可能有助于说明这一点。图中的直线同样是从地球看火星和后面恒星的视线，这些直线可以显示出火星与后面恒星的相对位置。请注意，这些直线通常沿一个方向运动，代表火星与恒星的相对位置通常向东偏移运动。举个例子，从1到3，火星表现出的是其通常的向东运动，而从4到6，火星是向西偏移，最后从7到8，火星又恢复了其通常的向东偏移。
关于逆行运动的话题，回忆一下我们在第11章最后讨论过的一个看似无关紧要的经验事实，也就是火星、木星和土星都是在进行逆行运动的时候亮度最大。再看一下图14-2，我们可以发现为什么会出现这种情况。在哥白尼体系中，火星只有在被地球追上并被赶超的过程中才会进行逆行运动。请注意，在这段时间里，地球和火星距离最近，因此在这段时间中，可以预期看到火星比其他任何时候都要更亮。木星和土星也都是相同的情况，也就是说，这些行星只有在大约与地球距离最近的时候才会进行逆行运动。所以，对火星、木星和土星的逆行运动与这些行星达到自身最大亮度的时间点之间的相互关联，哥白尼体系给出了相当自然的一个解释。
图14-2 哥白尼体系对逆行运动的解释
谈到更自然的解释，同样地，回忆一下另一个看起来无关紧要的经验证据，我们曾在第11章结尾进行过讨论，也就是金星和水星从来不会出现在距离太阳很远的地方。在哥白尼体系中，金星和水星是内行星（也就是说，它们位于太阳和地球之间）。所以，无论金星和水星处于各自围绕太阳运转的轨道上的哪个位置，从地球上观察，它们一定与太阳出现在天空中的同一片区域内。
简言之，对于行星的逆行运动，对于火星、木星和土星逆行运动与这些行星最大亮度之间的相互关联，以及对于金星和水星总是出现在距离太阳不远处的事实，哥白尼体系都给出了更自然的解释，而这些就是哥白尼体系的优势所在。
从现实主义者的角度出发，哪个体系的宇宙模型更为可行
回忆一下我们在前面对工具主义和现实主义的讨论。重申一下，工具主义是看待理论的一种态度，秉持这种态度的人最关心的是理论对相关数据的预言和解释能力有多强。而秉持现实主义态度的人所关心的不仅是理论的预言和解释能力，还有理论是否可以模拟或描绘出事物真实的样子。
几乎所有人都用工具主义态度来对待这些体系中的各种设置，比如周转圆。也就是说，通常人们认为这些设置并不是真实存在的，而是为了进行准确预言和解释所必需的数学工具。所以，现实主义通常不适用于像周转圆这样的设置。
但是对这两个理论中的地心观点和日心观点来说，现实主义就很有意义了。所以，一个有意义的问题是，从现实主义角度来看，哪个宇宙模型更为可行——是托勒密的地心模型还是哥白尼的日心模型？
关于这个问题，当时可用的数据有力地支持了托勒密体系。回忆一下第10章里的论据，它们支持了“地球是静止的，并位于宇宙中心”的结论。这些都是非常有力的论据（尽管最终这些论据被证明是错误的，但错误的原因都很难以察觉），所以关于哪个体系可以与当时最先进的科学更为一致的问题，答案是很明显的：托勒密体系优于哥白尼体系。
总结一下，在预言、解释和复杂性方面，托勒密体系和哥白尼体系是相当的。由于没有使用等距点，哥白尼体系可以说是更直接明确地尊重了匀速运动事实，而且对逆行运动、多颗行星不同亮度与它们逆行运动时间点之间的相互关联，以及金星、水星总是出现在距离太阳不远处的事实，做出了更直接明确的解释。然而，与当时已有的证据相比，也就是与跟托勒密体系更为一致的、支持了“地球是静止的”观点的优势证据相比，这些似乎都是相对较小的优势。
｜是什么因素促动了哥白尼｜
正如在前面讨论中提到过的，哥白尼体系与托勒密体系十分相像。举个例子，两个体系都大量使用了周转圆、均轮和偏心圆。在大多数方面（除了不使用等距点和对逆行运动的解释两方面），哥白尼体系并没有比托勒密体系更好，在某些重要方面（比如，在“地球是静止的”和“地球是运动的”两个观点中，哪一个观点更为合理），哥白尼体系远不如托勒密体系。
所以，如果哥白尼体系只有几个无足轻重的优势，同时因为无法与当时最前沿的物理学保持一致而具有明显劣势，那么到底是什么因素促动了哥白尼来发展他的体系呢？生命短暂，然而哥白尼仍然把一生中大量时间都用来发展这个理论。如果有很好的理由认为地球不可能在运动，那么为什么哥白尼要花费这么多时间来发展一个以太阳为中心、地球围绕太阳运转的体系呢？
这是一个很值得思考的问题，也是一个值得再次强调的问题：哥白尼在几十年间花费了大量时间来发展他的体系，然而，他的体系很明显与所有支持“地球是静止的”观点的证据相矛盾。当时，哥白尼也没有得到任何新的经验证据来支持“地球在运动”的观点。所以，到底是什么因素促使哥白尼花费将近毕生的时间来发展一个看起来似乎不可能正确的理论？
在这一小节中，我并没试图找到这个问题的完整答案。然而，我确实希望表明哲学性/概念性命题是如何推动科学家的研究工作的。目前，有那么一段时间，很多学者都认为哥白尼向新柏拉图主义的倾斜，以及他对正圆事实和匀速运动事实等哲学性/概念性观点的坚持都是促动他发展其日心说体系的关键因素。接下来我们将对这些观点进行一下概括了解。
新柏拉图主义
简单地说，新柏拉图主义就是一种“基督教化”的柏拉图哲学。柏拉图生活在公元前400年，粗略地说，他认为有很多各种各样客观存在，但又没有实体的永恒“形式”。这些形式是知识的客观存在，也就是说，相对于仅仅得到一个信念或观点，当我们得到了知识时，我们的知识就是关于一个或多个这样客观存在，但又没有实体的永恒形式的。举个例子，当我们知道了毕达哥拉斯定理，或数学中的其他真理，我们所得到的知识并不是关于地球上某种物体的（比如，画在纸上的三角形），而是关于一个客观存在，但又没有实体的永恒形式的。
根据柏拉图的观点，这些永恒形式不仅涉及数学真理，还涉及“更高”的形式，比如真理和美的形式（这些形式“更高”不仅在于它们更难以掌握，还因为它们具有更强的重要性）。所有形式中的最高层次是至善的形式。柏拉图几乎没有直接对至善的形式进行过讨论。但是，他确实明确指出这个形式是最高、最重要的形式。
柏拉图并没有试图直接描述至善的形式，而是用暗喻来探讨。具体来说，柏拉图总是用太阳来暗喻至善。举个例子，柏拉图说，就像太阳是所有生命的来源，至善的形式也是所有真理和知识的来源。同样地，在洞穴寓言中，柏拉图描述了一个囚徒逃离了洞穴，并终于可以看到太阳了。在这个寓言中，囚徒代表的是一个热爱智慧的人，他已经完成了学术研究，脱离了无知状态（也就是洞穴所代表的状态），最终理解了最高的真理，即至善的形式（也就是太阳所代表的含义）。简言之，在洞穴寓言中，就像柏拉图的一贯做法，太阳就是对至善的暗喻。
柏拉图去世几百年后，一个名为“新柏拉图主义”的运动把柏拉图哲学与基督教精神相融合。我会忽略新柏拉图主义的大部分细节，只想强调，对新柏拉图主义者来说，柏拉图的至善形式与基督教的“上帝”画上了等号。而太阳，也就是柏拉图对至善的暗喻，也就变成了“上帝”的代表。
作为一个哲学体系，新柏拉图主义经历了西方历史上的多个时期。在哥白尼时代，新柏拉图主义并不是一个冷门哲学体系；然而，把哥白尼和新柏拉图主义联系在一起的证据并不像人们所期待的那么明确。很有可能的是，哥白尼在学生时代接触到了新柏拉图主义思想，而且哥白尼的某些文章读起来就像是出自有新柏拉图主义倾向的人之手。有些学者已经相当认可“哥白尼深受新柏拉图主义影响”的观点；而另一些人则没有那么信服。对新柏拉图主义与哥白尼发展日心说观点之间的联系，通常的解释都是非常直接明确的：如果哥白尼是新柏拉图主义者，而且认为太阳是“上帝”在宇宙中的实体代表，那么“上帝”的实体代表最合适的位置将是宇宙的中心。在这个解释中，为什么哥白尼会秉持一个以太阳为中心的宇宙观，其实主要原因就在于其深受新柏拉图主义影响的哲学性观点。
哥白尼对匀速圆形轨道运动的坚持
大多数天文学家对“恒星和行星的运动必须是沿正圆轨道，且从不加速或减速的匀速运动”的观点有多深信不疑，我在前面很多地方都已经讨论过了。现在回过头去看，这些天文学家的坚持主要是一种哲学性/概念性的坚持。尽管存在少量经验证据支持这个观点（比如，恒星确实看起来沿圆形轨道运动），但是大多数天文学家对这个观点深信不疑的程度已经远远超过了经验证据所带来的支持力度。
正如在前一章中所描述的，托勒密只有通过使用等距点这样一个相当勉强的概念才实现了对匀速运动事实的尊重。我们来快速回顾一下，行星的周转圆，比如火星的周转圆，相对一个想象出来的点做匀速运动，这个想象出来的点就被称为等距点。用一条直线连接等距点和火星周转圆的圆心，这条线将在相同时间内扫过相同的角度，从这个意义上来说，火星周转圆相对于等距点做匀速运动。然而，火星周转圆很明显并没有相对于地球做匀速运动，也没有相对于周转圆运动轨道的圆心做匀速运动。
由于托勒密体系可以很好地解释经验数据，因此它是一个非常有用也非常有价值的模型，几乎所有天文学家都乐于接受这样一个想象出来的等距点。然而，哥白尼并不接受。他对匀速运动事实深信不疑，因而无法接受像等距点这样的一个概念，而对匀速运动事实的坚持也促使哥白尼想要发展出一个不需要等距点的体系。
这就很好地说明了哥白尼是如何在哲学性/概念性事实而不是经验事实的促动下发展出其理论的。后来证明，这并不是特例。在科学史上，哲学性/概念性事实通常都是促使科学家发展新理论的部分因素。因此，从这个意义上来说，哥白尼完全算不上是一位特殊的科学家。
作为这一小节的最后一点，值得注意的是，我们都会秉持这样的哲学性/概念性观点，其中很多在我们的思维方式中都已根深蒂固，因而看起来似乎是直接明确的经验事实。当我们回望历史去找出那些主要算是哲学性/概念性事实的观点，比如正圆事实和匀速运动事实，是相对比较容易的；看到这些事实如何激发了包括哥白尼在内的科学家也是相对比较容易的。相比之下，要找出我们自己观点中那些伪装成经验事实的哲学性/概念性观点，就比较困难了。随后在这本书中，我们会探讨某些在时间上距离我们更近一些的科学史中的例子，尝试从中找出我们自己对某些哲学性/概念性观点的坚持。
｜对哥白尼理论的评价｜
回忆一下，当时所有的证据都支持“地球是静止的”这一观点，因此似乎哥白尼的理论完全没有可能是正确的。考虑到这一点，你可能会认为哥白尼的理论在发表之后并不会受到重视，当然也就不会被广泛阅读或探讨。
然而，事实上，从哥白尼去世（也就是他发表其体系的同一年）后几年开始，一直到16世纪末，哥白尼的理论被广泛阅读、讨论、纳入课堂，并运用到实际生活中。造成这一情况的部分原因是，哥白尼体系是自托勒密体系以后，在15世纪里发表的第一个全面、复杂的天文学体系。哥白尼体系引起当时人们的重视是有道理的，而哥白尼更被许多人称为“托勒密第二”。
另一个原因与制作天文学表格有关。这些天文学表格就是像托勒密体系这样的天文学体系在现实生活中的一个实际应用。做一个类比可能有助于说明这一点。假设我需要了解某种天文学事件，比如，假设我计划傍晚时出门办事，需要知道太阳什么时候落山。我利用现在最先进的天文学理论来计算出日落时间是完全有可能的，但是这么做会特别麻烦。因此，我将用一个更简单的办法，也就是我很有可能会上网搜索关于日落时间的信息。
我在网上（或从其他渠道，比如从当前的天文年历中）找到的关于日落时间的数据来自当前的天文学理论，不过编纂出这些数据的人们其实进行了大量辛勤的工作。天文学表格与此多少有些相似。它们源自于当时最好的理论，而这个最好的理论在我们的大部分历史上都是托勒密理论，有了这些表格，需要天文学数据的人们可以把它们当作一个数据来源。
在16世纪，人们急需一套新的天文学表格（前一套表格产生于13世纪，当时已经过时了）。后来证明，做出新一套表格的这位天文学家正是以哥白尼理论为基础的。同样地，由于在预言和解释方面，哥白尼体系和托勒密体系实质上是等价的，这位天文学家本来也可以使用托勒密体系，会得到一套几乎一样好的表格。但是，他使用了哥白尼体系，这使哥白尼体系得到了推广，并且威望大增。
因此，在16世纪下半叶，哥白尼体系已广为人们所知、所读，并成为欧洲大学中广泛教授的内容。然而，重点是，几乎所有人都用工具主义态度来看待哥白尼体系。也就是说，除了少数一些例外情况（当时存在某些新柏拉图主义者和少数其他人用现实主义态度看待哥白尼体系），哥白尼体系都被当作一个实用工具，并没有人认为它是对宇宙真实情形的反映。简言之，在16世纪晚期，托勒密体系和哥白尼体系和平共存。（至少，在天文学家之间，情况确实如此；一些强烈反对哥白尼体系的宗教领袖对哥白尼体系进行了攻击，不过是出于宗教原因，而不是经验原因。）总的来说，在天文学界，托勒密体系都被用现实主义态度来对待（或者至少，其中关于地球是宇宙中心的部分是一直被用现实主义态度来看待的），而哥白尼体系则被用工具主义态度来对待。也就是说，哥白尼体系被认为是一个有用的系统，但并不是对宇宙真实情况的反映。
｜结语｜
在这一章中，我们概括研究了哥白尼体系，把这一体系与托勒密体系进行了对比，探讨了促使哥白尼发展这一体系的因素，讨论了当时的人们对哥白尼体系的接受情况，并发现尽管在16世纪末期天文学家都用工具主义态度来看待哥白尼体系，但这一体系还是得到了广泛接受。我们的这些研究和讨论是相当简短的，用非常短的篇幅涵盖了诸多话题，但这样做应该至少让你对哥白尼体系和围绕这一体系的某些关键命题有了一些体会。
这个相对和平的形势将在17世纪初发生天翻地覆的变化。那个时候，望远镜已问世，并带来了新的天文学数据，这是自人类有记录的历史以来第一次出现这种情况。在接下来的两章里，我们会简要探讨两个更关键的天文学体系，然后再对望远镜带来的新数据进行研究。
