地球是不是宇宙的中心？

美國國家航空航天局（NASA）表示將於北京時間7月24日0點發布開普勒太空望遠鏡的一項新發現，並暗示這將是一個重大消息：天文學家可能發現了人類幾千年來夢寐以求的「另一顆地球」。

在上述消息發布前，我們先來分享這篇文章。

本文刊於《經濟觀察報》觀察家「格物致知」專欄

文｜方 舟 子

在哥白尼提出日心說的幾十年間，幾乎沒有人接受他的觀點。除了托勒密模型比它更實用外，還有宗教和哲學的原因導致人們排斥日心說。當時在西方國家占統治地位的天主教會支持地心說，很容易從他們信奉的基督教《聖經》裡頭找到依據。另一方面，地心說也更符合當時西方學者信奉的亞里斯多德物理學。不過，日心說模型對行星運動的解釋更簡單明了，這一優勢仍不容忽視。丹麥天文學家第谷（1546－1601）試圖把日心說的理論解釋優勢和地心說的實際觀測優勢結合起來，提出了一個調和模型。在第谷的模型中，地球仍是宇宙的中心，太陽和月球圍繞著地球運動，但是其他的天體則圍繞著太陽運動。

第谷被認為是天文望遠鏡發明之前最偉大的天文學家，手中掌握著當時最精確的行星觀測數據，需要有人加以整理。1600年，德國天文學家開普勒（1571–1630）去第谷的天文台工作。分派到的活就是根據第谷的數據確定火星的運行軌道。開普勒對自己的數學能力非常自信，跟人打賭說用8天的時間就可以完工，但他遠遠低估了這項工作的艱巨性，事實上，他花了5年的時間才找到了答案。

開普勒一開始之所以如此自信，是因為他認為已發現了行星運動模型。和第谷不同，他堅信日心說。起初，開普勒像哥白尼那樣認定行星在做勻速圓周運動，但是採用哥白尼所反對、托勒密使用的偏心圓方法來求解火星軌道模型。在經過大約70次嘗試後，終於讓火星軌道和觀測數據基本吻合。但是這個模型很繁瑣，而且結果還有一點誤差。對此，開普勒仍不滿意。他開始意識到無法找到一個符合第谷的觀測數據的圓形軌道，就試著把軌道用卵形來表示。

如果火星的軌道不是圓形，它與太陽的距離就是變化的。開普勒認為，是太陽發出的力在推動著行星運動，它們之間的距離越遠，推動力越弱，運動速度就越慢。在遠日點速度應該最慢，而在近日點速度應該最快。這樣，在開普勒看來，行星就不是在做勻速運動了，不過他仍然想找到某種類似勻速的東西，認為火星在軌道上速度最慢與最快的這兩點，與太陽的連線在相等時間內所掃過的面積相等。他進而把這個結論推廣到軌道上的所有點，也就是我們今天說的行星運動第二定律（也叫面積定律）。

接下來，開普勒試圖據此計算出火星的整個軌道。他是把軌道當成卵形來計算的，在失敗了大約40次之後，終於在1605年想到火星軌道應是橢圓，發現橢圓軌道與火星的觀測數據都吻合之後，開普勒進而提出，所有行星繞太陽運動的軌道都是橢圓，太陽處在橢圓的一個焦點上。這就是我們今天說的行星運動第一定律 （也叫軌道定律）。此時第谷已經去世4年了，開普勒對能否使用第谷的數據問題與第谷繼承人發生爭執，一直到1609年才出版《新天文學》一書和《論火星運動》一文，公布了這兩個定律。之後，開普勒在編製星表時，用了9年的時間，發現了行星公轉周期和軌道大小之間存在著關係：行星公轉周期的平方同行星軌道半長徑的立方之比是一個常數。此即行星運動第三定律（也叫周期定律）。

開普勒的橢圓軌道模型精巧地描述了天文觀測的結果，這是非常大膽的創見。開普勒的日心說模型不僅極為簡單，只用7個橢圓就取代了幾十個圓周，而且非常精確，很容易讓做實際觀測的天文學家接受。

開普勒從小因病眼力受損，沒法自己做天文觀察。日心說的天文觀測證據是由伽利略（1564－1642）提供的。伽利略手中多了一樣第谷所沒有的東西：天文望遠鏡。1610年1月，伽利略發現有4顆衛星圍繞著木星運行，這對托勒密模型是一大打擊。對托勒密模型最致命的打擊發生於1610年9月，伽利略發現金星像月球一樣會出現周期性的盈虧變化。金星的位相變化正是日心說所預測的，托勒密模型則完全無法解釋。在伽利略公布了這一發現後，大部分天文學家就不得不放棄托勒密模型，改用日心說模型或第谷模型。

伽利略的其他發現也在顛覆著天文學的傳統觀念。伽利略發現月球表面起伏不平，布滿了坑窪，這與天體都是由完美無缺、永恆不變的物質組成這一傳統觀念直接衝突，說明天體可能是由和地球一樣的物質組成的。伽利略還發現，用望遠鏡看來，行星都是有確定形狀的圓盤，但是恆星卻仍然看不清形狀，這說明恆星與地球的距離要比行星遠得多，宇宙比托勒密模型認為的浩瀚得多。此外，伽利略還發現銀河其實是由無數恆星組成的，恆星的數量比以前認為的多得多。

如果日心說是正確的，那麼不僅地心說是錯誤的，亞里斯多德的物理學也出了問題。亞里斯多德物理學認為，運動或不動是物體的內在屬性。地球有不動的屬性，所以它必然是宇宙的中心，而天體有運動的屬性，所以它們繞著地球運行。但是伽利略指出，運動並非物體的內在屬性，而是外在的過程，地球在這方面與天體並無不同。而且，物體一旦運動起來，不靠外力也能持續下去，也就是我們今天說的慣性。慣性概念的提出，解釋了我們為什麼覺察不到地球在自轉。

但日心說當時還遺留了一個問題沒有解決。如果地球圍繞著太陽公轉，在公轉軌道的不同位置上觀測恆星，應該看到恆星在天球上的位置發生了變化，出現了視差。由於恆星的距離極為遙遠，不僅肉眼看不到恆星視差，早期的望遠鏡也看不到。直到1838年，德國天文學家貝塞耳（1784－1846）才用太陽儀首次觀測到恆星視差，證明了地球的確在圍繞著太陽公轉。1851年，法國物理學家傅科（1819－1868）在巴黎先賢祠的大廳做了「傅科擺」實驗也證明了地球在自轉。19世紀的這兩個觀察為地球的兩種運動提供了直接證據，從而最終證明了日心說的正確——當然，這時候科學家已知道太陽只是太陽系的中心，而不是宇宙的中心。

但是在科學界之外，日心說並沒有取得完全的勝利。許多人仍然習慣於把地球當成宇宙的中心。2005年的一項調查表明，1/5的美國人相信地心說。這很大程度上可能是由於無知。也有一些受過良好教育的人由於宗教原因堅持地心說。有一個叫「聖經天文學家聯合會」的國際組織，據說在二十幾個國家都有會員，負責人有天文學博士學位。他們認為，地心說才符合基督教《聖經》，把地心說當成了宗教信仰，卻要為其找科學依據，出了一本 「學術」季刊專門用以論證地心說的正確性，已出了100多期。

還有一些信奉文化相對主義的反科學人士認為科學無所謂對錯，日心說並不比地心說更正確、更科學。比如有人說：「究竟是地球繞著太陽轉，還是太陽繞著地球轉？即使牛頓力學，也只能回答：看你以誰為參照系。如果以地球為參照系，假定地球靜止，那就是太陽繞著地球轉。運動是相對的，這個問題不存在絕對正確的答案！」還有人給考生出考題：「試論托勒密的天文學說是不是科學？」其答案是托勒密的天文學也是科學。

用運動的相對性並不能把水攪渾。如果僅僅考慮地球圍繞太陽公轉的情形，以地球為參照系還是以太陽為參照系固然沒有區別，但是如果要同時考慮其他行星的情況，以太陽為參照系無疑要更為合理。更重要的是，地心說認為太陽（以及其他行星、恆星）的東升西沉是在圍繞著地球旋轉，其實是地球自轉導致的假象，這個錯誤就不是用「日-地運動」的相對性能夠狡辯的了。托勒密模型雖然也能夠比較精確地預測行星的位置，但是進一步的觀察已證明托勒密模型最多只是一個數學模型，不能反映行星運動的實際狀況，已被更仔細的觀察所否定，成了錯誤的理論，當然也不成其為科學。