他們為什麼反對哥白尼？

哥白尼（1473-1543） （南方周末資料圖/圖）

哥白尼關於地球繞太陽旋轉的革命性理論顛覆了一千多年來的科學與宗教智慧。在此後的數十年間，大多數科學家都拒絕接受這一理論，即使是在伽利略利用望遠鏡得到了那些劃時代的觀測結果之後，依然如此。他們的反駁不僅僅是出於神學觀點。觀測證據支持一種與之競爭的宇宙論，即第谷的「地緣日心說」。

2011年，日內瓦附近的歐洲核子研究中心（CERN）的一個研究小組，向730千米外的義大利格蘭·薩索國家實驗室（Gran Sasso National Laboratory）發射了一束中微子。研究人員在測定中微子飛行時間時發現，中微子的速度不知為何似乎超過了真空中的光速。科學界對這一驚人結果有何反應呢？

幾乎所有人都沒有放棄確立已久的愛因斯坦學說（即任何物體的速度都不可能超過光速），他們認為一定是研究人員的測量結果出了問題（事實證明的確如此）。

現在，想像我們處於400年以後的未來，那時愛因斯坦的觀念已經被取代；科學家早已用實驗證實，中微子的確能夠超光速運動。如果我們那時回顧今天的物理學家，會如何解釋他們不願接受這一證據呢？我們會因此斷言21世紀的物理學家頑固不化、不願接受新思想嗎？或者說他們這樣做是出於非科學動機——一群保守的愛因斯坦主義者恪守著傳統和權威的規定？

我們希望今天這些「頑固」的科學家能夠得到更公正的評價，因為他們不願放棄合理的結論（即使這些結論最終可能被證明是錯誤的）是有科學根據的，而不僅僅是出於一種頑固的偏見。

這類故事在科學史上並不少見。19世紀的天文學家認為，銀河系構成了整個宇宙，他們分析了仙女座星系的首批圖像，確信自己看到的是一顆恆星，其周圍是一個初生的太陽系，而我們現在知道，仙女座星系其實是一個包含上萬億顆恆星的遙遠星系。同樣，愛因斯坦曾確信宇宙是靜態的，因此在他的方程中引入一個宇宙學常數以使宇宙保持靜止。這兩種看法都是合理的，但都是錯誤的。正如在《環球科學》2012年第7期上，麻省理工學院的戴維·凱澤（David Kaiser）和普林斯頓大學的安吉拉·N.H.克里傑（Angela N. H. Creager）在《錯誤推動科學革命》一文中所說，本身是錯誤的，但同時能夠有效推動科學進步的假說，是可能存在的。任何事在事後來看總是更清楚。

當然，對於超光速中微子案例，我們幾乎沒有什麼後見之明。但我們的確知道一個著名的、已知結局的故事，即哥白尼和他的「日心說」理論。哥白尼認為，地球每天自轉一周，每年繞太陽公轉一周，今天所有人都接受這一理論。哥白尼體系直接挑戰了人們長期持有的信念，這一信念在公元2世紀由天文學家托勒密（Ptolemy）寫入其著作《天文學大成》（Almagest）中，即太陽、月亮和恆星圍繞靜止於宇宙中心的地球旋轉。

1543年，哥白尼在《天球運行論》（De Revolutionibus Orbium Coelestium）中提出了他的革命性思想，當時有許多科學家閱讀了這部著作並欽佩不已，科學家為之作注，並用它改進自己的天文學預測。然而，即使到了57年後的1600年，放棄地球靜止這一信念的、真正意義上的天文學家兩隻手就能數完。大多數科學家仍然傾向於似乎已是常識的「地心說」。我們在談論日出日落時，似乎也在贊同這一學說。

「日心說」宇宙論遭遇的僵局，有時會被認為是科學家固守偏見。這一僵局最終被伽利略打破。1609年，伽利略組裝了一架望遠鏡，開始觀測恆星、月亮和行星，結果發現「地心說」和「日心說」都是錯誤的。在1609年之後的很長時間裡，天文學家仍然有令人信服的科學理由來懷疑哥白尼。他們的故事生動地表明，研究者可以有很好的理由來抵製革命性觀念，甚至是那些最終被證明非常正確的觀念。

（南方周末資料圖）

丹麥天文學家第谷·布拉赫（Tycho Brahe）提出了一種看似很有力的懷疑理由。他於1588年提出了一種不同的地心理論（見左圖下方），即「地緣日心說」（geoheliocentric），這個理論有兩大優點：它符合我們對世界如何運作的深刻直覺，與已有數據的吻合程度也比哥白尼體系更好。

第谷是一位傑出人物。他建造了一座城堡式的天文台，開展了龐大的研究計劃，其預算堪比美國航空航天局，配備了最好的儀器和最優秀的助手。正是由於最終採用了第谷的火星數據，約翰內斯·開普勒（Johannes Kepler，第谷的助手之一）才算出了行星的運行軌道是橢圓形。在證明第谷對於天文學的重要性時，哈佛大學的歷史學家歐文·金格里奇（Owen Gingerich）常會提到阿爾伯特·庫爾修斯（Albert Curtius）於17世紀中葉編撰的資料，其中集合了自古以來所有的天文學數據——從這些資料可以發現，兩千年來有價值的數據大多數都來自第谷。

哥白尼體系的精妙打動了這位成就極高的天文學家，但在某些方面也使第谷感到困惑。困惑之一是，無法解釋地球為什麼會運動（牛頓提出的引力理論可以給出很好的解釋，但第谷生活的年代距離牛頓物理學的誕生還有一個多世紀）。地球的尺寸已為人們所知，這樣一個直徑數千千米、布滿岩石和泥土的球體的重量顯然十分巨大。在街上推動一輛負載貨車尚且困難，什麼力量能夠推動這樣一個物體繞太陽運轉呢？

相比之下，恆星和其他行星的運動則很容易解釋——自亞里士多德時代以來，天文學家一直認為，天體是由一種地球上找不到的、特殊的以太物質構成的。這種物質會自然地快速旋轉，如同你不拉貨車它就會停止，都是很自然的事情。第谷說，哥白尼體系「巧妙而徹底地避免了托勒密體系中一切多餘或不和諧的內容……但它為地球這個笨重、怠惰、不適合運動的東西賦予了與以太天體一樣快的運動速度」。在這方面，古代天文學家和現代天文學家有共同之處，後者為了解釋他們觀察到的現象，假定宇宙在很大程度上由「暗物質」或「暗能量」所構成，這與我們已知的任何東西都不相同。

哥白尼體系中的恆星同樣令第谷感到困惑。托勒密說，恆星天體「大得無法度量」，因為我們觀察不到恆星的周日視差（diurnal parallax）——當恆星從地平線升起，越過頭頂又從地平線落下，地球觀察者與恆星之間的角度和距離發生變化時，恆星的位置和外觀沒有出現明顯變化。由此可以推出，地球的直徑與恆星距離相比可以忽略不計。托勒密寫道，地球「就像一個點」。

哥白尼知道，我們甚至連周年視差（annual parallax）——地球沿軌道公轉引起的恆星相對位置的變化——也檢測不到。假設地球果真繞太陽旋轉，卻不存在周年視差，這將意味著，恆星間的距離非常大，與之相比，地球公轉軌道（哥白尼稱之為「大圓」[orbis magnus]）的直徑可以忽略不計，「就像一個點」。於是，宇宙的尺寸將被重新定義，變成了——幾乎令人無法置信的——「無法估量的廣大」。

不僅如此，第谷很清楚，哥白尼的假說不僅對宇宙尺寸的認識有深遠影響，對單個恆星的尺寸也是如此。我們仰望夜空時，單個恆星看起來有固定的寬度，托勒密和第谷都曾測量過。我們現在知道，這些遙遠的恆星實際上是點光源，我們看到的寬度是光波通過圓孔（比如望遠鏡或虹膜）所產生的結果。

但在當時，天文學家們對光的波動性一無所知。第谷用簡單的幾何學計算出，如果恆星間的距離像哥白尼所說的那樣遙遠，那它們的尺寸則必須有「大圓」那麼大。即使是最小的恆星也會使太陽相形見絀，前者之於後者就如同一個葡萄柚之於一個點。這同樣很難讓人相信——第谷說，如此巨大的恆星是荒謬的。正如歷史學家阿爾伯特·范·海爾登（Albert Van Helden）所說，第谷的「邏輯無可挑剔，其測量也無可指責。哥白尼主義者能做的無非是不得不接受這一論證的結果」。

面對著似乎無可辯駁的物理證據，哥白尼主義者並未放棄其理論，而是被迫訴諸神的全能。「俗眾初看起來荒謬不經的這些觀點，不應被輕易地指責為荒謬，因為神的智慧和威嚴其實遠遠超出了他們所能理解的範圍，」哥白尼主義者克里斯托弗·羅特曼（Christoph Rothmann）在一封給第谷的信中寫道，「你可以將宇宙想像為浩瀚無垠，將恆星想像得廣大無邊，但這仍然無法與無限的造物主相比。人們認為，國王地位越尊貴，其宮殿就應越加宏偉，才能配得上他的威嚴。那麼，你認為神的宮殿應有多宏偉？」

第谷並不為這類論證所動，而是提出了自己的宇宙體系：太陽、月亮和恆星就像托勒密體系描述的那樣圍繞靜止的地球旋轉，而行星就像哥白尼體系描述的那樣圍繞太陽旋轉（見左上圖）。這種「第谷體系」（Tychonic）保留了「地心說」的優點，因此不需要解釋笨重而怠惰的地球是如何運動的，也不必因為周年時差的缺失得將恆星假設為非常遙遠、巨大——在第谷體系中，恆星就處在行星外面，尺寸也相當合理。但就行星而言，第谷體系和哥白尼體系在數學上是等價的。於是，第谷體系也保留了哥白尼體系在數學上的優雅，第谷認為這種優雅避免了托勒密體系中一切多餘和不和諧的內容。

伽利略用望遠鏡觀看天空時，發現了大量與托勒密的古代宇宙論直接相抵觸的現象。他看到木星有衛星，證明宇宙可能有不止一個運動中心。他還觀察到金星有位相，表明它圍繞太陽運轉。然而，這些發現並沒有被當作地球繞太陽運轉的證據，因為它們與第谷體系完全相容。

17世紀中葉，哥白尼、第谷、伽利略等先驅均已逝世，義大利天文學家喬萬尼·巴蒂斯塔·里喬利（Giovanni Battista Riccioli）出版了一部著作，對各種宇宙論進行了百科全書式的評價，名為《新天文學大成》（Almagestum Novum，追隨托勒密那部偉大著作）。里喬利考察了支持和反對哥白尼體系的眾多論據，以及涉及天文學、物理學和宗教的論據。但里喬利指出，有兩個主要論據構成了反對哥白尼體系的決定性證據。這兩條論據都源自第谷的觀點，都要到幾百年後才能得到明確的答案。

第一個論據是，里喬利認為旋轉的行星應該會使拋射物和下落的物體發生某些改變，而在現實中卻無法檢測到這些改變。第谷曾經認為，旋轉的地球會使拋射物的軌跡偏離直線。然而直到19世紀，法國科學家伽斯帕-古斯塔夫·德·科里奧利（Gaspard-Gustave de Coriolis）對這種效應做出完整的數學描述，這些偏離才被觀測到。

另一條是第谷提出的關於恆星尺寸的論據，里喬利用望遠鏡觀測了恆星尺寸，並對第谷的結果做了更新。（第谷從未使用過望遠鏡。）里喬利設計了一種可重複測量恆星直徑的流程，結果發現恆星看起來比第谷設想的還要小。但望遠鏡也增加了對周年視差的靈敏度，卻仍未檢測到周年視差，這意味著恆星必定比第谷認為的還要遠。最終的效果是，恆星必定像第谷所說的那樣巨大無比。

里喬利抱怨哥白尼主義者訴諸神的全能來迴避這個科學問題。作為一名耶穌會教士，里喬利幾乎不可能否認神的能力。但他仍然拒絕接受這種解釋，他說：「即使這種錯誤陳述無可辯駁，它也無法讓更嚴謹的人滿意。」

由於缺乏確鑿的科學證據，哥白尼學說中，關於宇宙和恆星尺寸的幾乎令人難以置信的說法，無法被證明是正確的，因此，哥白尼學說遲遲不被接受。1674年，英國皇家學會實驗館長羅伯特·胡克（Robert Hooke）承認：「地球是運動還是靜止仍然是一個問題，自從哥白尼提出這一問題之後，現代最優秀的天文學家和哲學家為之殫精竭慮，但迄今為止尚未有人能夠確切證明地球到底是運動還是靜止的。」

到胡克的時代，已經有越來越多的科學家接受了哥白尼的學說，儘管在一定程度上他們仍然面臨著科學難題。直到1838年，弗里德里希·白塞爾（Friedrich Bessel）才記錄下了令人信服的恆星的周年視差。大約在同一時間，喬治·艾里（George Airy）就恆星為何看起來比實際更大這一問題，第一次給出了一種完整的理論解釋，斐迪南·萊希（Ferdinand Reich）則首次成功檢測到因地球自轉引起的落體偏離。當然，牛頓的理論——不適用於第谷體系——早已回答了第谷提出的「笨重、怠惰」的地球如何運動這一問題。

然而，回到伽利略和里喬利的時代，那些反對哥白尼學說的人，也有一些基於科學的相當合理、清晰且有觀察依據的有利論據。雖然事實最終證明他們錯了，但這並沒有使他們成為糟糕的科學家。事實上，無論是過去還是現在，對他人的激烈爭論提出嚴謹的反駁意見，一直是科學研究中的挑戰和樂趣。

（本文由Scientific American中文版《環球科學》授權南方周末發表，張卜天翻譯。作者丹尼爾森是加拿大不列顛哥倫比亞大學英文教授，主要研究哥白尼革命的文化意義。葛蘭尼是美國肯塔基州傑佛遜社區和技術學院的物理學和天文學教授。）

（南方周末資料圖）