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哥白尼

2010-11-17 13:11:25
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 哥白尼1473年2月19日出生于波兰维斯杜拉河畔的托伦市的一个富裕家庭。18岁时就读于波兰旧都的克莱考大学,学习医学期间对天文学产生了兴趣。1496年,23岁的哥白尼来到文艺复兴的策源地意大利,在博洛尼亚大学和帕多瓦大学攻读法律、医学和神学,博洛尼亚大学的天文学家徳·诺瓦拉对哥白尼影响极大,在他那里学到了天文观测技术以及希腊的天文学理论。后来在费拉拉大学获宗教法博士学位。哥白尼作为一名医生,由于医术高明而被人们誉名为神医。哥白尼成年的大部分时间是在费劳恩译格大教堂任职当一名教士,哥白尼并不是一位职业天文学家,他的成名巨著是在业余时间完成的。在意大利期间,哥白尼就熟悉了希腊哲学家阿里斯塔克斯的学说,确信地球和其他行星都围绕太阳运转这个日心说是正确的。阿里斯塔克斯比哥白尼提出日心学说早1700多年,凭借灵感做了一个猜想,并没有加以详细的讨论,因而他的学说在科学上毫无用处。哥白尼逐个解决了猜想中的数学问题后,就把它变成了有用的科学学说──一种可以用来做预测的学说,通过对天体观察结果的检验并与地球是宇宙中心的旧学说的比较,你就会发现它的重大意义。他大约在40岁时开始在朋友中散发一份简短的手稿,初步阐述了他自己有关日心说的看法。哥白尼经过长年的观察和计算终于完成了他的伟大著作《天体运行论》,他在《天体运行论》(De revolutionibus orbium coelestium)中观测计算所得数值的精确度是惊人的。如他得到恒星年的时间为365天6小时9分40秒,比现在的精确值约多30秒,误差只有百万分之一。他得到的月亮到地球的平均距离是地球半径的60.30倍,和现在的60.27倍相比,误差只有万分之五。


  1506年哥白尼从意大利归国时,亲眼看到宗教裁判官对胡斯分子的血腥镇压,许多密谋聚会的人都被抓起来活活烧死。在哥白尼的一生里,波兰国境内至少进行过300次以上的宗教裁判活动。哥白尼也经常受到威胁和迫害,在他担任弗隆堡大教堂修士的瓦尔米亚教区,他舅父务卡施大主教死后,几个继任的大主教都三令五申地“查禁邪教”并对修士们严加监视。他们认为哥白尼是个“叛教者”,直到他临终时,身边还有上司所布置的密探和奸细。1533年,60岁的哥白尼在罗马做了一系列的讲演,提出了他的学说的要点,并未遭到教皇的反对。但是他却害怕教会会反对,甚至在他的书完稿后,还是迟迟不敢发表。直到在他临近古稀之年才终于决定将它出版。1543年5月24日去世的那一天才收到出版商寄来的一部他写的书在书中他正确地论述了地球绕其轴心运转,月亮绕地球运转,地球和其他所有行星都绕太阳运转的事实。但是他也和前人一样严重低估了太阳系的规模。他认为星体运行的轨道是一系列的同心圆,这当然是错误的。他的学说里的数学运算很复杂也很不准确。但是他的书立即引起了极大的关注,驱使一些其他天文学家对行星运动作更为准确的观察,其中最著名的是丹麦伟大的天文学家第谷,开普勒就是根据第谷积累的观察资料,最终推导出了星体运行的正确规律。历史的角度来看,《天体运行论》是当代天文学的起点──当然也是现代科学的起点。

  日心说发表之前,地心说在中世纪的欧洲一直居于统治地位。自古以来,人类就对宇宙的结构不断地进行着思考,早在古希腊时代就有哲学家提出了地球在运动的主张,只是当时缺乏依据,因此没有得到人们的认可。在古代欧洲,亚里士多德和托勒密主张“地心说”,认为地球是静止不动的,其他的星体都围着地球这一宇宙中心旋转。这个学说的提出与基督教《圣经》中关于天堂、人间、地狱的说法刚好互相吻合,处于统治地位的教廷便竭力支持地心学说,把“地心说”和上帝创造世界融为一体,维护自己的统治。地心说被教会奉为和《圣经》一样的经典,长期居于统治地位。随着事物的不断发展,天文观测的精确度渐渐提高,人们逐渐发现了地心学说的破绽。到文艺复兴运动时期,人们发现托勒密所提出的均轮和本轮的数目竟多达八十个左右,这显然是不合理、不科学的。人们期待着能有一种科学的天体系统取代地心说。在这种历史背景下,哥白尼的地动学说应运而生了。约在1515年前,哥白尼为阐述自己关于天体运动学说的基本思想撰写了篇题为《浅说》的论文,他认为天体运动必须满足以下七点: 不存在一个所有天体轨道或天体的共同的中心;地球只是引力中心和月球轨道的中心,并不是宇宙的中心;所有天体都绕太阳运转,宇宙的中心在太阳附近;地球到太阳的距离同天穹高度之比是微不足道的;在天空中看到的任何运动,都是地球运动引起的;在空中看到的太阳运动的一切现象,都不是它本身运动产生的,而是地球运动引起的,地球同时进行着几种运动;人们看到的行星向前和向后运动,是由于地球运动引起的。地球的运动足以解释人们在空中见到的各种现象了。此外,哥白尼还描述了太阳、月球、三颗外行星(土星、木星和火星)和两颗内行星(金星、水星)的视运动。书中,哥白尼批判了托勒密的理论。科学地阐明了天体运行的现象,推翻了长期以来居于统治地位的地心说,并从根本上否定了基督教关于上帝创造一切的谬论,从而实现了天文学中的根本变革。哥白尼的书对伽利略和开普勒的工作是一个不可缺少的序幕。他俩又成了牛顿的主要前辈。是这两者的发现才使牛顿有能力确定运动定律和万有引力定律。 哥白尼的日心宇宙体系既然是时代的产物,它就不能不受到时代的限制。反对神学的不彻底性,同时表现在哥白尼的某些观点上,他的体系是存在缺陷的。哥白尼所指的宇宙是局限在一个小的范围内的,具体来说,他的宇宙结构就是今天我们所熟知的太阳系,即以太阳为中心的天体系统。宇宙既然有它的中心,就必须有它的边界,哥白尼虽然否定了托勒玫的“九重天”,但他却保留了一层恒星天,尽管他回避了宇宙是否有限这个问题,但实际上他是相信恒星天球是宇宙的“外壳”,他仍然相信天体只能按照所谓完美的圆形轨道运动,所以哥白尼的宇宙体系,仍然包含着不动的中心天体。哥白尼对地球的形状,曾多次作过间接的观测。早在1500年11月6日,他就在罗马近郊的一个高岗上观测月食,研究地球投射在月球表面的弧状阴影,从而证实了亚里士多德关于地球呈球状的论断。在定居弗隆堡时,他曾多次站在波罗的海岸边观察帆船。有一次,哥白尼请求一艘帆船在桅顶绑上一个闪光的物体,他站在岸边看着这艘帆船慢慢驶运。他描写这次观察的情况说:“随着帆船的远去,那个闪光的物体逐渐降落,最后完全隐没,好像太阳下山一样。”这次观察使他得出一个结论:“就连海面也是圆形的。”在阴湿多雾的波罗的海的岸边,逢到严寒的冬夜,天空没有云影,星星在蓝天闪烁着耀眼的寒光,哥白尼总是利用这种难得的机会,穿上皮袄,束紧风帽,把仪器搬到箭楼的露台上,进行通宵达旦的观测。他所用的仪器都是自己动手做的,一共有三种。测量行星距离的“三弧仪”,是用枞树杆削成的,用墨水划上刻度,照准器也是雕出来的。测量月球和行星位置的“捕星器”,是用六根树条绕成圆圈做成的。测定太阳中天时高度的“象限仪”,是一块很大的正方形木板,右上角装着带刻度的木环,搁架上有个“水准仪”,其实只是一个盛了水的玻璃管。观测日食本来要在水里观测倒影,为了减少提水上箭楼的麻烦,他打破常规,改用一块带孔眼的护窗板把日影映到墙上。哥白尼就是利用这些简陋的设备,在弗隆堡前后进行了有纪录可查的50多次观测,其中包括日食、月食、火星、金星、木星和土星的方位等等。这些观测在望远镜发明以前能做得那么精确,是很不容易的,难怪后来许多杰出的天文学家都非常钦佩。1516年秋天烽火连天的岁月里,哥白尼开始撰写他的不朽著作——《运行》。他在俄尔斯丁城堡的哨塔上布置了一个简单的观测台,并随身带去一些必要的资料。当时整部著作的内容已有个轮廓了,全书计划写成八卷(出版时是六卷)。第一卷已经动笔了,但是进展很慢,这是因为大敌当前,哥白尼必须全力以赴地对付敌人的挑衅和骚扰。1519年秋天,哥白尼辞去教产总管的职务,又回到弗隆堡,用他的全部精力来撰写 《运行》。但是,战争的风暴很快席卷到这里,弗隆堡陷入十字骑士团的重围之中。敌人烧杀虏掠,断绝粮草,企图迫使守军投降。这时,教堂的神父都逃跑了,有的甚至叛国投敌。但哥白尼仍旧留在城中,同居民一起支援守军作战。他们还修筑运河,兴修水利,哥白尼设计修建的水闸和水磨,在当时对支持战争和繁荣经济是具有重大意义的。第二年秋天,哥白尼再度担任俄尔斯丁教产总管。这时十字骑士团已经侵占了附近的许多城堡,直逼俄尔斯丁。哥白尼把由他保管的钱财全部拿出来支援作战,并亲自部署防务,登城督战。十字骑士团用燃烧弹攻城,哥白尼叫人用浸湿的皮子去捂灭敌人的燃烧弹。经过五天五夜的激烈战斗,城市依然屹立着。十字骑士团大公霍亨仑恼羞成怒,特地派人到弗隆堡去,把他的藏书、手稿和仪器一把火烧光。但哥白尼始终坚守城堡,霍亨仑无可奈何,只好撤军,同意休战。战后,波兰国王齐格蒙特论功行赏,委派哥白尼为俄尔斯丁的行政长官。1525年秋天,哥白尼写作《运行》的工作,才在弗隆堡全力展开。这时,哥白尼的箭楼上来了一个女管家,名叫安娜。安娜出身名门,性情娴淑,衷心爱慕哥白尼,毅然抛弃世俗的成见,和被教会剥夺了结婚权利的哥白尼同居。哥白尼在安娜的帮助和照顾下,书桌上的手稿迅速地一叠叠地增加起来了。丹提谢克又根据弗隆堡教长的告密,强迫哥白尼和安娜脱离关系。哥白尼和安娜同居已近十年,感情很深。哥白尼向丹提谢克这个无理的要求提出抗议,但丹提谢克胡说安娜已使哥白尼“失魂落魄”,为了他的“灵魂得救”,他勒令安娜立即迁出弗隆堡。哥白尼在悲愤之下,几次要扯下身上的僧袍,扬言要还俗。为了使哥白尼的写作工作能继续下去,安娜忍痛离开了箭楼。不久,她又被驱逐出境。
 


 《运行》的第一卷 鸟瞰式地介绍了宇宙的结构。在论证的开始,哥白尼列举了许多观测资料来证明地球是圆形的。接着他指出了地球呈圆状的理由。他说:“所有的物体都倾向于将自己凝聚成为这种球状,正如同一滴水或一滴其他的流体一样,总是极力将自己形成一个独立的整体。”“物体呈球状的原因在于它的重量,即在于物体的微粒或者说原子的一种自然倾向,要把自己凝聚成一个整体,并收缩成球状。”他对这个问题的解答,给一百多年以后牛顿]发现万有引力开辟了道路。关于原子他还写了这样一段:“所谓原子,是最细微的、不能再分割的微粒,它们重叠地或是成倍地相聚在一起,但由于它们看不见,并不立即形成看得见的物体;可是它们的数量可以增加到这种程度,足够累积到可以看见的大小。”《运行》的第二卷 介绍了有关的数学原理,其中平面三角和球面三角的演算方法都是哥白尼首创的。这里陈述了三角形的规则,即从三角形的已知某些边和角去推算其他边和角的规则。这包括了三边是直线的平面三角形和三边是球面上圆弧作成的球面三角形。《运行》的第三卷 是恒星表。《运行》的第四卷 介绍地球的绕轴运行和周年运行。第五卷论述了地球的卫星——月球。哥白尼非常重视研究月球,特别是月食。他认为在月食的时候,人们可以从月球、地球和太阳的相对位置,得到关于宇宙的真实结构的暗示。《运行》的不朽的贡献,在于它根据相对运动的原理,解释了行星运行的视运动。在哥白尼以前,这一原理从来没有被人这样详尽地阐述过,也没有人从这一原理得出过这样重要的结论。哥白尼对这个问题是这样说:“所有被我们观测的物体的位置变动,不是由于被观测的物体的运动所引起,就是由于观测者的运动,或由于物体和人的不一致的变动所引起的。”既然地球是我们在它的移动中进行观测的基地,那么我们观测到的天空中的运动,例如太阳的运动,就可能是一种表面的运动,是一种由于地球本身的运动所引起的幻觉,而其他天体的运动,就可能是那个天体以及地球的不一致的运动所引起的结果。因此,如果承认‘地球从西向东地自转’,那么显然会觉得好像是太阳、月亮、和星辰在升起和降落。”哥白尼还论证说:“地球虽是一个巨大的球体,但比起宇宙来却微不足道。”他注意到地平线把天球剖分为均匀的两半,曾利用这一现象来证实宇宙是无限的这个论断。“根据这一论断,可见宇宙跟地球相比是无法测度的,它是一个无边无际的庞然大物。”哥白尼还认为太阳是行星中相对不动的中心。哥白尼的功绩在于:他用科学的太阳中心说,推翻了在天文学上统治了几千年的地球中心说。这是天文学上一次重大的革命,引起了人类宇宙观的革新。


 这一期间,罗马教廷对哥白尼的学说也很感惊慌。1533年,教皇克雷蒙七世曾叫人阐述“太阳中心学说”的基本原理。哥白尼学说的革命内容使教皇大为震惊,他决定想办法把哥白尼的手稿控制起来。1536年,一个红衣主教写信向哥白尼索取手稿,哥白尼拒绝了。意大利天文学家伽利略 (1564~1642年)曾经说过:“我一想起我们的教师哥白尼的命运,就感到心惊胆颤。”但是,教会的迫害并不能阻止《运行》的出版,哥白尼的斗争得到了不少人的支持。1539年春天,一个青年学者带着许多珍贵的书籍,千里迢迢地来到弗隆堡,拜哥白尼为师。他就是德国威滕堡大学的数学教授列提克,后来成为哥白尼唯一的门生。在列提克的鼓励和支持下,哥白尼很快就振奋起来了。他们一起修订《运行》的原槁,积极准备出版。这时,丹提谢克听说哥白尼收留了一个“邪教徒”,就命令搜查修士们的住宅,看看“是否藏有充满路德教派毒素的书籍”。积极支持哥白尼出版 《运行》的,还有他的朋友铁德曼·吉哲,铁德曼当初是弗隆堡的修士,早就了解哥白尼并一直支持他的科学研究工作。后来,铁德曼升为柳瓦巴教区的主教。他看到哥白尼的困境,就邀请哥白尼和列提克到柳瓦巴教廷作客,以便他们集中精力完成定稿工作。丹提谢克立即对铁德曼进行恫吓,宗教裁判官霍兹乌施还说在铁德曼的著作里发现了什么“荷兰邪教”,企图加罪于他。这时,哥白尼的学说在社会上也引起了不少的非难。新教徒 (路德派)比旧教徒更为敌视哥白尼的学说。马丁·路德曾挖苦说:“这个傻瓜想要推翻整个天文学!”《宗教宣言》的执笔人菲利普·梅兰赫东也指责哥白尼“不顾眼前的事实而想入非非。”在埃尔布郎格城里还上演了一幕闹剧。它讽刺一个装腔作势的天文学家把自己的著作锁在柜子里,满嘴胡言乱语,最后被魔鬼套上大车送进了地狱。这个剧本当然是影射哥白尼的。原来,哥白尼那篇阐明当时连续出现彗星完全是大自然的现象、和人们的生活毫不相干的论文的发表,得罪了教会,教会就采取这种卑鄙的伎俩对哥白尼进行公开的侮辱。尽管环境很险恶,哥白尼并没有妥协。1541年,他最后下决心将他的著作付印。哥白尼将他几十年来心血的结晶——《运行》的手稿,交给他的朋友柳瓦巴教区的主教铁德曼,铁德曼又转交列提克。列提克因被来比锡大学请去教书,便将这本书的出版工作交给他的朋友、纽伦堡的一个出版商奥塞安德尔。奥塞安德尔曾学过天文学,他在领袖梅兰赫东的授意下,窜改了原稿,删减了哥白尼学说的一些内容,力求使科学迁就当时社会的旧有认识。1543年5月24日,当这部巨著印好并送到弗隆堡时,久病的哥白尼已危在旦夕。御医梭尔法把书放到被子上,并把哥白尼的手放到书上,哥白尼用他的无力的手痉挛地抓住书本。哥白尼已到弥留的时刻,一小时以后他就与世长辞了。《运行》带着遍体鳞伤,在人世间流传了300多年。直到19世纪中叶,《运行》的原稿才在布拉格一家私人图书馆里被发现。1873年,出版了增补哥白尼原序的《天体运行》,但有关原子说的章节仍未补入。1953年,《天体运行》出第四版时,才全部补足原有的章节。这时哥白尼已经逝世了410年。
 

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