視覺化經驗在哥白尼“日心說”理論建立中的表現

呂仕儒，高 海

（山西大同大學物理與電子科學學院，山西大同 037009）

近代自然科學誕生的標志是1543年哥白尼《天體運行論》的發表．《天體運行論》把托勒密本末倒置的“地心說”重新顛倒了過來，指出太陽是宇宙的中心，地球只不過是其中一顆普通的行星．那么，哥白尼對托勒密“地心說”的否定是緣何作出的呢？在理論的建立過程中，視覺化經驗究竟在起著怎樣的作用呢？

1 哥白尼的成長經歷

尼古拉·哥白尼（Nikolaus Copernicus，1473～1543年）是波蘭偉大的天文學家，近代天文學理論的奠基人，因“日心說”理論的建立而成為近代自然科學的先驅．哥白尼10歲喪父，由舅父烏卡什·瓦茲洛德撫養．他的舅舅烏卡什·瓦茲洛德是一個知識淵博、崇尚科學的人文主義者，對哥白尼影響很大，是哥白尼的啟蒙者之一．哥白尼從小學到大學都是在他舅舅的照顧和安排下完成的．18歲他進入克拉科夫大學讀書．在克拉科夫大學，哥白尼得到了當時僑居波蘭的意大利人文主義者、著名革命詩人卡里馬赫的指導，還得到波蘭著名天文學家、數學家沃依切赫勃魯澤夫斯基的悉心教誨和栽培．

1496－1503 年，哥白尼從博羅尼亞到意大利帕多瓦．又從帕多瓦轉入費拉拉，以后又從費拉拉重新回到帕多瓦大學，并一度受聘于羅馬大學講授天文學和數學．這使得年輕的哥白尼可以盡情地在各大學府吸取人文主義的精華，領略處于世界文化和學術中心的意大利的最高科學成果，站到了當時人類最先進的思想精髓和最高學術水平這個“巨人的肩膀上”．從而使哥白尼始終以人文主義思想和追求科學真理的態度作為自己的精神動力，去開拓新的宇宙結構理論體系，改變人類有史以來篤信了幾千年的宇宙觀．在博羅尼亞哥白尼有幸結識了天文學家、意大利文藝復興運動領導人達·諾瓦拉（de Novara，1454－1540年）教授．達·諾瓦拉是一位實踐的天文學家，他親自測量過南歐一些城市的緯度，發現這些緯度數據與托勒密（Ptolemy，90－168年）理論的差異，他還測量了黃道的傾角，發現了黃道傾角變化，這些觀察發現使他對托勒密的理論體系發生了懷疑．他信奉古希臘哲學家畢達哥拉斯的主張，認為宇宙的法則是通過簡單的幾何圖形或數字間的關系建立起來的．這位具有探索獻身精神的對“地心說”大膽懷疑的科學家，其思想傾向和科學風格給哥白尼以深刻影響．正是在諾瓦拉的引導下，哥白尼學習和閱讀了大量古希臘羅馬哲學著作，從中找到了與占統治地位的“地心說”的不同見解，促使哥白尼對“地心說”產生懷疑，啟發他開始探索建立宇宙結構新體系問題．建立“日心說”科學體系的因素主要有兩個：一個是古人的啟發；另一個是視覺化經驗的提示．

2 古希臘“日心說”對哥白尼的影響

在閱讀古典的作品當中，哥白尼發現在天文學史上首先提出太陽是宇宙中心的則是約公元前3世紀生活在希臘塞莫斯島的阿利斯塔克（Aristarchus of Samos，公元前310～公元前250年）．這位古希臘的偉大學者在他的《論日月的大小和距離》中詳細記錄了他測定兩個天球距離之比的方法．阿利斯塔克經過觀察和計算得出：太陽的直徑是地球直徑的19倍，地球的直徑是月球直徑的3倍，太陽的體積是地球體積的200～350倍．當然從今天的角度看結論，無疑是不準確的甚至可以說是錯誤的，但是他的研究方向和原理則是正確的．在這樣的基礎上哥白尼提出：地球不應該是宇宙的中心，因為地球不是宇宙中最大的天體，而太陽才是宇宙的中心，地球和其他行星均在繞著太陽作圓周運動，地球每天繞軸自轉一周，每年沿圓周繞太陽旋轉一周．恩格斯對曾經這樣評價阿利斯塔克的工作：“塞莫斯的阿利斯塔克早在公元前270年就已經提出哥白尼的地球和太陽理論了．”說“他是古代的哥白尼”．阿利斯塔克等人的思想對哥白尼的影響很大，他說：“我不辭辛苦重讀了我所能得到的一切哲學家的著作……我首先在西塞羅的著作中查到，赫塞塔斯設想過地球在運動．后來我在普魯塔爾赫的作品中也發現，還有別的一些人持有這一見解……地球像太陽和月亮那樣，沿著傾斜的圓周繞一團火旋轉……就這樣，從這些資料出發，我也開始考慮地球的可動性．”[1]當然哥白尼很清楚這些結論僅僅是古人的一種推斷和猜想，要把它變成真正的科學理論，還有好多工作要做，要經過進一步的觀察和理論論證．

3 視覺化經驗對哥白尼的啟示

在畢達哥拉斯和柏拉圖影響下，哥白尼認為上帝是按照完美的圓形和勻速圓周運動的方式創造世界的，所以當他看到托勒密模型用了80多個本輪和均輪，而且還使用了偏心圓，便認為這不符合上帝的意志，所以是不正確的．他說：“我看到這些缺點，時常想，也許能夠找出這些圓形更合理的一種安排，使每一個出現的差異都可以從它推導出來，根據這種安排，每個天體都繞著它合適的中心均勻轉動，正如絕對運動規律所要求的那樣．”[2]可見，哥白尼從內心對托勒密的理論產生排斥是由托勒密所描繪的這種繁雜和不協調的圖景引起的．因此，他認為“地球不動的看法是沒有道理的．”當然，認為托勒密模型不真實的并非哥白尼一人，甚至連托勒密本人都說：“看起來，推動這些行星運行似比了解它們的復雜的運動還容易些．”當然，哥白尼明白僅有懷疑是不夠的，要想建立一個新的理論是需要進一步的論證和探索．

對于宇宙這個遠遠超出人的直接經驗范圍的認識客體，在論證的過程中包含一些主觀臆斷的成分是在所難免的，即使在今天仍然如此．托勒密從直觀的經驗出發認為恒星的東升西落是地球不動的最好的證明．哥白尼同樣也是從經驗出發對這種觀點提出質疑和否定的．他說我們觀察一個物體的運動存在三種情況：一是觀察者不動而被觀察者在運動；二是觀察者在運動而被觀察者不動；三是觀察者與被觀察者都在運動，只是速度不同而已．譬如第二種情況，正如古羅馬的維爾吉爾所說：“我們乘船向前航行，陸地和城市后退了．”[4]他說：“無論觀察對象運動，還是觀察者運動，或者兩者同時運動但不一致，都會使觀察對象的視位置發生變化（等速平行運動是不能互相察覺的）．要知道，我們是在地球上看天穹的旋轉；如果假定是地球在運動，也會顯得地外物體作方向相反的運動．”“這就如水上行船，當船平靜地向前漂移時，外界的一切東西都像是在運動，而船里的人卻感覺自己和船上的一切都是靜止不動的．”[5]因此，哥白尼說：“所以，我認為，必須首先仔細地研究地球在天空中地位，以免舍近求遠、本末倒置，錯誤地把地球運動造成的現象當成天體運動的結果．”[6]那么地球在天空中究竟處于什么地位呢？他說一方面地球和天空相比，地球是渺小的，而天空則巨大無比；而另一方面，按照亞里士多德的觀點，穩定比變化高貴，而天空又比地球高貴．那么我們有什么理由讓巨大而高貴的天空繞著小小而卑賤的地球旋轉呢！從這里我們可以看到哥白尼首先是在視覺化的經驗的提示下證明地球的運動是可能的之后，才回到亞里士多德的觀點當中為自己的主張尋求辯護和支持的．因此，他質問到：“為什么我們不承認看起來是天穹的周日旋轉，實際上是地球運動的反映呢？”[4]正是這種視覺化圖景的提示才使他對自己的理論充滿信心，從而有勇氣去否定直觀感覺，進而訴諸畢達哥拉斯主義的理性．

哥白尼的“日心說”所描繪的宇宙圖景看上去比托勒密的“地心說”簡潔優美得多．用他的話說：“中央就是太陽，在這華美的宮殿里，為了能同時照亮一切，我們還能把這個發光體放在更好的位置上面嗎？太陽被稱為宇宙之燈，宇宙之心，宇宙的主宰，……好象是坐在王位上統率著圍繞它轉的行星家族．” 可以看出他對這種簡潔對稱的圖景是頗為滿意的．

4 “日心說”理論的建立

哥白尼建立起一個新的宇宙體系，即太陽居于宇宙的中心靜止不動，而包括地球在內的行星都繞太陽轉動的日心體系．離太陽最近的是水星，其次是金星、地球、火星、木星和土星．只有月球繞地球轉動．恒星則在離太陽很遠的一個天球面上靜止不動．哥白尼把統率整個宇宙的支配力量賦予太陽，而各個天體則都有其自然的運動．哥白尼用了“將近四個九年的時間”去測算、校核、修訂他的學說．1543年，當一本印好的《天體運行論》送到哥白尼的病榻時候，哥白尼已到了彌留之際．

《天體運行論》出版后很少引起人們的注意．一般人不能了解，而許多天文工作者如奧塞安德爾所說的那樣，只把這本書當作編算行星星表的一種方法．《天體運行論》在出版后70年間，雖然遭到馬丁·路德（Martin Luther，1483－1546）的斥責，但未引起羅馬教廷的注意．后來因為布魯諾（GiordanoBruno，1548－1600年） 和伽利略（Galileo Galilei，1564－1642年）公開宣傳日心地動說，危及教會的思想統治，羅馬教廷才開始對這些科學家加以迫害，并于公元1616年把《天體運行論》列為禁書．然而經過開普勒、伽利略、牛頓等人的工作，哥白尼的學說不斷獲得勝利和發展．恒星光行差、視差的發現，使地球繞太陽轉動的學說得到了令人信服的證明．

哥白尼的學說不僅改變了那個時代人類對宇宙的認識，而且動搖了歐洲中世紀宗教神學的理論基礎．“從此自然科學便開始從神學中解放出來”，“科學的發展從此便大踏步前進”[1]．哥白尼在建立“日心說”時，雖然聲稱是由于受古人著作的啟發而產生的，但我們很容易看到，仍然離不開他對自然現象中的運動相對性現象這種視覺圖景的較深刻的體驗和細心的觀察[7]．

[1]恩格斯.自然辯證法[M].北京:人民出版社,1971.

[2]霍爾頓.物理科學的概念和理論導論：上冊[M].北京:人民教育出版社,1982.

[3]波德納爾斯基.古代的地理學[M].北京:商務印書館,2009.

[4]尼古拉·哥白尼.天體運行論[M].葉式輝譯.武漢:武漢出版社出版,1992.

[5]徐毅毅.物理學家看世界[M].上海:上海遠東出版社,1998.

[6]尼古拉·哥白尼.天體運行論[M].啟斌譯.北京:科學出版社,1973.

[7]呂仕儒,高海.視覺思維在原子核式模型建立中的表現[J].山西大同大學學報:自然科學版,2008,24(6):94-96.