科学通史讲稿9:哥白尼革命

上次我们讲到印刷术作为科学革命的技术环境,从这节课开始,我们正式进入科学革命时期。

上次我们提到,我们讲科学革命至少要分三条线索,一是天文学,二是物理学,这两条线索到牛顿那里汇聚在一起,可以统称为数理科学传统,这也构成了我们一般谈论的所谓科学革命的“主线”。第三条是炼金术和魔法,这条线索的跨度比哥白尼到牛顿更长,虽然其标志性的结果是化学的兴起,但意义远不限于化学。

还有一条线索是培根科学的线索,亦即从自然史到归纳—实验方法的建立,这方面我们上次课已经提到了,等到之后讲完电磁学乃至生物学之后,我们可能还要回过头来谈。

还有数学的线索,这条线索我准备作为一个专题来讲,所以暂时不在科学革命时期来讲。

最后,在社会环境方面也是一条线索,从中世纪的大学,到科学革命后的学会、期刊等科学建制的兴起、现代大学制度的改革等等,这条线索显然也很重要,但我们要放到启蒙运动之后再总的来讲。

 

 

说那么多条线索,一方面是为之后的课程做个预告,另一方面也是提示,关于所谓的“科学革命”这件事情,其实是千头万绪,正如科学史家普林西比所说,“如果你问10位科学史家科学革命的实质、时间段和影响是什么,你可能会得到15种回答。”

究竟什么是科学革命,乃至于,究竟有没有这么一场科学革命,是颇具争议的问题。我们讲中世纪的时候也提到过,近代科学家许多据说是革命性的成就,其实在中世纪经院哲学那里早有基础,放大来看历史细节,会发现每一项新发现都站在前人的肩膀上。

无论如何,“历史”本身不存在连续或断裂,所谓连续论或断裂论,各式各样的线索,都是历史学家的编史策略。“到底有没有一场科学革命”这个问题并没有一个确定的答案,关键在于,我们在何种意义上谈论科学革命,科学革命这个概念对于我们理解历史而言有什么意义?

“科学革命”这个概念在我们的科学通史中一个基本的意义无非是提供一个断代的标示,“中世纪”大约从5世纪到15世纪,科学革命时期大约就是16、17世纪,这段时期我们也可以称作现代早期(或近代早期,英文中modern一词可以译为现代也可以译为近代)。但无论是说“革命”还是“现代”,始终还是暗示着一种“断裂”。

即便说这种断裂只是一种想象,这种想象也是在当时就产生了。我们说过,在文艺复兴之后,欧洲人开始越来越多地把自己与“中世纪”区分开来。任何一个时代都是那个时代人们的“现代”,但唯独现代人用这个概念来标识自己。现代早期的科学家们也往往认为自己处于或正在走向一个颠覆性的新时代,当时的许多著作都以“新”为题,例如上次我们就提到新工具和新天文学大成。尽管现代早期科学家事实上从中世纪经院哲学那里受益颇多,但他们自己也往往有意无意地忽略这些来源,他们往往推崇古人,贬低中世纪,而对自己充满信心。

这一个时期,科学确实经历了巨大的变化,可以说是我们现今所谓“科学”这一概念真正形成的时期,人们对自然、知识以及人类自己的理解都发生了翻天覆地的变革,无论对这一变革过程的梳理有多少争议,用“科学革命”来标识这一时代是恰如其分的。

当然我们也不能狭隘地理解这个概念,比如认为这个所谓的“颠覆”是某种一蹴而就的、一瞬之间的全盘改变,但事实上整个过程远没有那么简单。

 

 

所谓“革命”(revolution)一词最初的意思就是旋转,到17、18世纪,才被逐渐用于表达一场政治颠覆运动或一次颠覆性的科学发现。在20世纪,科学史家才开始明确使用“科学革命”这个概念。

科学革命的概念也有两种用法,一种是大写的,单数的,就是特指那一次科学革命,就是16、17世纪大致从哥白尼到牛顿之间的这段历史。另一种是小写的,复数的,指不同范围内的颠覆性变革。这种广义上的科学革命概念,是由著名的科学史和科学哲学家托马斯·库恩发展起来的。库恩的《科学革命的结构》一书我们第一次课就推荐过,他的科学革命理论彻底颠覆了传统上把科学的发展理解为知识的不断积累的线性过程的历史观,对于当代科学史和科学哲学领域影响深远。

库恩有意识地运用“革命”一词,他指出,这个词之所以对我们理解科学史有帮助,是出于它能够建立一种与“政治革命”概念的类比,他认为一场科学革命的前因后果和发展过程,与一场政治革命非常像

 

 

 

 

首先,革命起源于“危机”:“政治革命通常是由于政治共同体中某一些人逐渐感到现存制度已无法有效应付当时环境中的问题而引发的,这些制度也构成当时环境的一部分。同样,科学革命也起源于科学共同体中的某一小部分人逐渐感觉到:他们无法利用现有范式有效地探究自然界的某一方面,而以前的范式在这方面的研究中是起引导作用的。在政治发展和科学发展中,那种能导致危机的机能失灵的感觉都是造成革命的先决条件。”

科学革命的诱因是危机,这好像是废话,但库恩还指出,这种所谓“危机”往往是一种马后炮的判断,事实上,在一种科学范式正常运转时,就好比在一个政权正常运转时,也总是要不断面临一些“难题”,政权需要不断设法攻克它们,甚至政权之为政权的基本职责就是解决各种难题。总有些难题、矛盾没有及时得到解决,人们希望政权不断努力探索并最终解决这些难题,有时候难题最终得到了解决,于是变成了政权的功绩,让人们充满信心,但另一些时候一些迟迟不能得到解决的难题就让人们对政权越来越失望,于是革命就在这些危机中酝酿起来。

 

 

 

接着,库恩指出“……政治革命的目的,是要以现有政治制度本身所不允许的方式,来改变现有政治制度。因此革命的成功必然要部分废除一套制度而代之以另一套制度,”

这类比了“科学革命”是一场对传统的破坏性的颠覆,它将废除一些传统中被认可为合理的思路和方法,而取而代之以传统中并不容许的新模式。也就是说,革命不再是向旧的政权求助,不再希望在旧的制度框架下解决问题,而是希望建立一个新制度,在不同的框架下寻求解决。在科学的“常规”阶段,就像一个稳定运行的政权那样,是有着一套相对稳定的模式的,虽然不能一劳永逸地化解一切难题和矛盾,但遇到任何新问题时,总有一套如何看待并应对它的法则和套路。在常规科学阶段,科学家看待和处理问题的套路被称作“范式”,它包括一整套言明的和默会的思维框架和行为规范,这套“范式”的稳定性使得科学研究有可能累积式地“进步”,有可能成为一项公共的事业,要不然每个人都从头开始建立各种各样的套路,科学家就凑不到一起了。而科学革命恰恰不是一种简单的“进步”,因为它要求从整个套路上颠覆掉,新的解决问题的方式在旧范式下可能是根本不被允许的,因此只有在新范式下,人们才认为这是一次进步,而在旧范式下衡量,这就是一次破坏。

 

 

随后,库恩提到,“而在过渡阶段,社会则根本不是完全的制度统治的。……日益增多的个人开始疏离政治生活并逐渐偏离常规。随着危机深化,其中许多人就会献身于具体的改革行动,以期变换制度,重建社会。这时,社会不免分化为互相竞争的阵营或党派,有的主张维持旧制度,更多的则寻求建立新制度。”

这里类比了革命过程中的格局,在旧的常规开始瓦解,而新的常规尚未确立的时期,学术界是混乱的,各种流派互相竞争,学科的边界也被打破。即便到20世纪,我们看到在相对论或量子力学之类的革命性学说建立之初,物理学家们看起来更像哲学家,而在一般的常规时期,科学工作更像工程而不是哲学。这种多元化和边界模糊是科学革命的特点。

 

 

库恩接着说:“而一旦这种极化现象出现,政治解决危机的方案则必然失败。因为各党派对于政治变革据以实现和得以评价的制度模型意见不同,也因为他们不承认有超越制度框架的标准可用以裁决各自的分歧,故而各党派在关于革命的冲突中最终只能诉诸唤起民众的技巧,经常还包括使用武力。虽然革命在政治制度的演化中具有举足轻重的地位,但这恰好是因为革命并不仅仅是一政治的、只与制度有关的事件。”

这个类比提示了科学革命的最终胜出者往往不是因为它更“科学”,而是要诉诸复杂的社会心理环境。事实上,革命中的各派别都会提出自己的一套规范,各自有判定什么更加科学的标准,但没有一套超越于所有标准的标准来衡量哪一个标准更标准。除非我们站在今天的视角去衡量几百年前的历史,我们可以说哥白尼因为比托勒密更正确或更科学所以胜出了,但这里的更正确和更科学使用的是我们今天的科学标准,这套标准既不是托勒密的,也不是哥白尼的,而是我们的,因此我们仿佛可以在他们二者之间作出一个客观的裁决,但其实无非是出于我们的视角。在当时,这种马后炮的标尺是不存在的,哥白尼体系的流行在很大程度上靠的还真是“唤起民众的技巧”。

 

 

最后还有一个类比,就是革命的发源地和其影响范围的不对称性,一次政治革命也许只是由一小撮人在一个很小的区域(比如首都或宫廷)针对一个特定的问题(比如征税问题)发起的,但它的影响却是全局的。就像哥白尼革命发起于“科学家对一个表面上琐碎的、技术性很强的难题的解决”,但最终的影响是“从根本上改变人们对日常生活中基本问题的态度”。

我的这门课要求大家多思考,多阅读,而不要求背记,所以我不是很侧重科学史方面知识性的内容,而更愿意讨论这些理论性的问题。所以我在展开讲科学革命之前,先把库恩放在前面,希望大家在了解科学革命的相关内容的同时带上问题意识:所谓的科学革命究竟是什么,它颠覆了什么,确立了什么。

 

 

我们先来讲哥白尼(1473-1543),他出生于波兰,二十多岁的时候去意大利游学,分别在博洛尼亚大学、帕多瓦大学和费拉拉大学学习教会法、医学和法学,学成后回到波兰担任一所大教堂的教士,相当于地方上的一个行政官员。他研究过货币理论,提出了劣币驱逐良币的理论,我们现在叫做格雷欣法则,其实哥白尼比格雷欣要早半个世纪。他还会治病,是个地方上的名医。但他在天文学上的成就让别的方面都显得微不足道了。

顺便说一下,哥白尼的名著以往被我们翻译成《天体运行论》,这是一种误译,事实上这本书直译过来应该是《论天球的旋转》,中国最早有一个译名叫《天旋论》似乎也不错,但说天体就是误会了,因为在哥白尼体系中,行星依然是镶嵌在水晶天球上旋转的,所有的恒星也仍然镶嵌在恒星天球上的。这一书名反映了哥白尼的历史局限性,把它如实译出是对历史的尊重。

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哥白尼在博洛尼亚大学期间接触到了一些毕达哥拉斯主义或柏拉图主义的天文学家,就开始研究天文学,在1514年左右,他就写下了一份思想概要提出日心体系的构想,在《天球运行论》出版之前,他的思想早已在一定范围内流传,许多人都期待他尽快拿出完整版本,但他一直拖延。

期待并敦促哥白尼拿出完整体系的人包括当时的教皇,在1515年,教会就向哥白尼征询对改历的意见,哥白尼回复说首先需要更精确地测量太阳年的长度,而这需要一套更完善的天文学体系。到1533年,教皇的私人秘书向教皇和一些红衣主教转述了哥白尼体系的设想,教皇克雷芒七世听了很高兴,一位红衣主教舍恩贝格写信给哥白尼说“我听说您主张地球在运动;太阳的位置最低,因而是宇宙的中心,……还听说您为这一套天文学体系给出了说明,……因此我强烈恳请您让学界知晓您的发现。”

1538年维滕贝格大学慕名派了一个年轻的天文学家来向哥白尼求学,反响很好,哥白尼终于同意把著作委托给这个年轻人出版,最后这部书由路德宗牧师奥西安德尔接手,在1543年正式出版,据说哥白尼临终前才看到。

 

 

 

哥白尼之所以如此拖延,显然不是受到什么宗教当局的阻挠之类,主要是他自己性格比较保守,总害怕自己的学说显得太新,别人接受不了。因此他特意援引了许多古代人,包括毕达哥拉斯学派和阿里斯塔克,表明日心说古已有之。当然那时候印刷术还流行不久,学者们的优先权意识恐怕并不是很强,哥白尼本人活的蛮好,也已经小有名气,没必要给自己多增变数。

不过在《天球运行论》传播出去之后,最初并没有引起多少批评,因为最初接触到《天球运行论》的主要是技术性很强的天文学家圈子,当然他们大多数不相信日心说,但仍然欣赏哥白尼,因为哥白尼表现出不亚于托勒密的高超的数学技巧。比如莱茵霍尔顿一方面拒绝地球的运动,另一方面又利用哥白尼的数学工具编制了《普鲁士星表》。最后1582年发布的新历“格里高利历”(也就是我们现在的公历)就是参考普鲁士星表制定的,这间接推动了哥白尼体系的流传。直到1610年,由于哥白尼理论的影响日渐扩大,以及新教的压力,罗马教皇才把日心说列为异端,1616年把《天球运行论》列为禁书。

 

 

天文学家最初的这种欣赏但不信的态度是容易理解的,我们说过,托勒密的天文学其实已经不再是某种对理念世界的追求,而只是一种屈从于观测的数学工具了。天文学家更多的工作就是用数学工具来推算行星的位置,但并不强调这些数学工具中所设定的轮子和偏心点之类的东西是不是真实存在的。许多人也是以这种方式来理解哥白尼体系的,也就是说“日心”只是一个“假说”,这个假说的最大意义是便于计算,那么我们就可以利用它,而不管它是不是真的。

《天球运行论》的出版者奥西安德尔在不署名的情况下悄悄添加的序言里就给出了这个“工具主义”的声明:“这些假说无须为真,甚至也并不一定的可能的;只要它们能够提供一套与观测相符的计算方法,那就足够了——谁也不要指望能从天文学中得到任何确定的东西,因为天文学提供不出来这样的东西。他也不该把为了其他目的而提出的想法当作真理,以便在离开这项研究时比刚刚开始进行研究时更加愚蠢。”

但这显然不是哥白尼本人的态度,因为哥白尼本人在字里行间都表达了对日心说真理性的追求,以至于开普勒在不知内情的情况下就断定这愚蠢的序言是伪造的。哥白尼认为托勒密的最大问题就在于放弃了柏拉图拯救现象的理想,使用丑陋的数学工具,却不关心真理。哥白尼感叹说,神按照他自己的形象创造了人,如果不是为了让我们努力变得更像神,又是为了什么呢?但那么多年来天文学家依然未能对这个世界机器的运动给出令人信服的说明,而这个机器乃是一切工匠中最好、最精确的那一位为我们创造的。(转引自《无限与视角》)

所以说,单纯地拟合数据显然不是哥白尼的要求,事实上我们知道有许多数学上等价的理论工具能够同时拟合相应的数据,比如阿波罗尼就发现一些情况下偏心圆模型和本轮—均轮模型是等价的。因此哥白尼把追求真理诉诸于某种源于对自然之本质的洞察之下确立的公理原则的运用。这些“原则”的制定并不能完全依靠观测数据的拟合,而是似乎需要诉诸某种理智直觉。哥白尼说“哲学家试图凭借上帝所允许的理性寻求真理,我将在上帝的帮助下推进对这些问题的研究”。在另一方面,这也许受了赫尔墨斯主义的影响,赫尔墨斯主义也强调通过理智直观,通过灵性的洞察,人可以发现自然的原则。

这种对人类理性能力的强大信心,这种寻求真理的新态度,是哥白尼和之后的现代科学家有别于中世纪和阿拉伯学者的地方。

 

 

但哥白尼毕竟没有超越时代太远,他实际给出的数学体系与他对追求真理的要求之间还有很大的距离。我们经常说哥白尼体系比托勒密体系要更加简洁、更加精确,但这都是有条件的。哥白尼体系的简洁主要体现在他在第一章导言中所给出的对日心体系的通俗的、定性的描述,我们知道,一旦把太阳放到中心,我们不需要什么偏心圆和本轮,就可以定性地解释行星的留和逆行现象;也很容易解释水星和金星为什么总不会离开太阳很远(最大距分别为28度和48度),而且运行周期和太阳一样——因为它们的公转轨道在地球内侧。而且在日心体系下,金星和水星的顺序也得以确定(水星在最内侧,金星次之)。

但是在提供具体的数学模型的时候,本轮们又回来了。哥白尼的确取消了托勒密那个丑陋的“均衡点”(偏心匀速点),但仍然保留了本轮—均轮模型和偏心圆模型,还用到了我们之前提过的阿拉伯人的“图西双轮”之类的数学工具。虽然解决了内行星位置和行星排序的问题,但是又额外遇到了物理学方面的不协调以及看不到恒星视差的问题。

我们知道如果地球绕日旋转,那么在相对的两个季节看星空中的同一点,相对于观测者的角度应该是不同的,就像分别用左眼和右眼看同一个物体时会有位移。如果观测不到这个角度差,那么说明要么地球在夏天和冬天其实没有移动位置,要么就是我们观看的对象离我们的距离相比我们在夏天和冬天移动的距离而言长得惊人,这也就意味着恒星离我们的距离远得惊人,太阳系在宇宙中显得无比渺小、孤独。

哥白尼采取了这种解释,但就当时来看这个解释似乎还是比较乏力的,甚至有点儿强词夺理的味道。

在预测天象的精确性方面,哥白尼也并没有做得比托勒密更好。当然,在哥白尼体系下编制的普鲁士星表确实比数百年前西班牙人基于托勒密体系编制的阿方索星表更加精确,但这主要是得益于新近积累的更多的天文观测数据,而不是说托勒密体系做不到。如果让托勒密参考更精确的数据去调整他的模型,未必就比哥白尼更差,事实上哥白尼本人并不太注重经验观测。另外普鲁士星表在某些方面的精度甚至要弱于阿方索星表。

 

秒差距

 

 

问题是,哥白尼的理论在当时是如何被人们接受的呢?显然,这不像传统的科普书渲染的那样,拥护哥白尼的是出于“科学”,反对者是出于“迷信”,事实上仅从理性角度来看,似乎哥白尼的拥护者显得更不讲道理一些。

欧洲学界对哥白尼理论的接受分两个方面,一方面是我之前提到的,一些人不接受日心说,但欣赏并借用其数学工具。我们上次也提到,哥白尼体系的最大意义与其说是提供了一套正确的理论,不如说是提供了另一套可供参照的理论。哥白尼体系的传播激励了其他学者也去提出、比较或改进自己认同的体系。

另一方面,是对日心说的某种“不讲道理”的接受,许多人可能压根没有能力消化哥白尼体系的技术细节,但只是强行鼓吹它。就好比纳粹为了鼓吹自己的政治理念,强行借用达尔文进化论。在当时也有这样的情况,典型的就是布鲁诺,上次提到过,布鲁诺就是一个宗教异端,他崇拜太阳,崇拜魔法,反对三位一体学说,认为耶稣基督不是什么圣子,而是一个魔法师,他的神迹无非是魔法,这些法术我也可以有。他虽然鼓吹哥白尼,但在当时就不受人待见,被别人指责为根本不懂哥白尼。他自己也经常鄙视数学,恐怕远远不能掌握哥白尼体系的技术细节。

最后布鲁诺在1600年被教会处以火刑,名义上的原因当然是宗教异端(这不冤枉),更直接的原因还是政治性的,因为他得罪的人太多,无论如何与他鼓吹哥白尼学说没有什么关系,我们知道哥白尼也是在10年后才被列为异端的。

但布鲁诺对于科学史并非没有贡献,一方面他关于宇宙无限的大胆想象打开了思路(哥白尼的宇宙还是封闭有限的),当然无限宇宙导致的神学问题也是导致他走向异端的原因(例如如果有无数个地球的话其它星球的人类有没有原罪,有没有耶稣基督的拯救……)。

另一方面像他这样的人也确实提升了哥白尼学说的知名度和影响力。后来的开普勒、伽利略等人所拥护的,也不是一个单纯作为一个科学理论的哥白尼体系。哥白尼体系的核心也许不是它提供的数学工具有多精确,而是他给人们提供的信心,对人类理性能力的信心,以及对自然的和谐简洁的信心,对追求真理的信心,这种信心毫无道理,许多时候还建立在赫尔墨斯主义的法术传统的影响之下,但如果没有这些非理性的推动力,如果每个人都冷静分析的话,哥白尼学说也许根本不会流行起来。

布鲁诺

 

 

 

正如库恩所说,哥白尼体系的意义不在于哥白尼说了些什么,而是他让别人说了什么。哥白尼打开了思想空间,遗留下了许多矛盾和缺漏,这留待之后的几代天文学家和物理学家去逐个突破了。

哥白尼本人虽然没有打破水晶天球,但他让地球动起来之后,至少打破了希腊人关于天界和地界二分的宇宙论思想。在希腊人那里,天地二分的意义不仅是天文学上的,同时也是物理学和伦理学上的。

最终打碎水晶天球的人也许是第谷·布拉赫,我们上次提到过,他是肉眼观星的顶峰,他在1572年发现新星,并证明是恒星而非行星,打破了天上不变的教条;在1577年观测彗星,并证明它比月亮遥远,打破了水晶天球(因为彗星的轨道意味着它必须穿过一层层水晶天球)。怎么证明的呢,就是通过观测视差。恒星是观测不到视差的,彗星和行星能观测到周日视差,周日视差与地球是否运动无关,相当于是在两个隔开相当于地球直径的距离的位置上看同一颗星的角度。第谷发现彗星有视差但比月亮小,因此其位置至少比月亮远。

这种观测并不需要任何现代的观测设备,理论上古代人也能做到,但相信天界不变的希腊人根本没有想过要求做这些观测,而第谷身处由哥白尼打开的思想空间中,因此他能想到。

1588年,第谷提出了与哥白尼相抗衡的天文学体系,人称第谷体系。第谷体系简单来说是哥白尼体系的数学等价物:地球仍然保持静止,太阳和月亮围绕地球转,但其它五大行星都围绕太阳转(如图)。当然,由于水晶天球没了,所以行星轨道交叉在一切也就没啥大问题了。当然第谷体系显得不太美观,整个宇宙显得完全不对称。但就技术方面来看,第谷体系是一种折衷,它保留了哥白尼体系的优点,又规避了它带来的新问题,堪称完美,但很显然,这种谨慎的折衷往往在科学史上并不能起到多少贡献。第谷的贡献主要是作为观测者,以及作为开普勒的伯乐。

第谷在1600年收开普勒为学徒,第二年就去世了,但他把他的详尽而精确的观测记录,特别是关于火星的记录留给了开普勒。

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开普勒(1571-1630)是一个狂热的毕达哥拉斯—柏拉图主义者,相信宇宙的和谐和数学的神秘。毕达哥拉斯学派讲万物皆数,一切数字都有其奥秘。开普勒也这么认为,他年轻时就接受了哥白尼的理论,然后就开始思考,为什么绕太阳转的行星总共是6个,而不是7个。因为7这个数字比较好,比如有7个音阶,7种金属,上帝创世也是7天。6颗行星意味着什么呢?6这个数和什么有关系呢?

他突然想到,总共有且仅有5种正多面体,我们把一个正多面体内接在一个球中,再在里面内切一个球,再在球里面接一个正多面体……这样一层套一层,5个正多面体不是正好能隔出6个球吗?这6个球正好对应于6个行星的天球,岂不是完美了吗?开普勒大喜,认为自己发现了上帝的绝妙设计,他把这个发现写成了一本书叫做《宇宙的神秘》(1596),寄给了著名的天文学家第谷。第谷当然不认可他的行星模型,但他注意到他表现出的灵气和数学技巧,就邀请他来投奔他当学徒,开普勒一开始谢绝了,但1600年的时候又去了。第谷在1601年去世,

在获得第谷的观测数据之后,开普勒马上抛弃了他早年那套看似很美好,实际差太远的宇宙模型,开始设法为开普勒的数据寻找恰当的模型。他尝试了本轮模型的各种组合,以及卵形曲线等等,但和数据都不吻合。模型与数据之间最接近的其实只有8’误差,这个误差远远低于托勒密和哥白尼体系,在古代人的观测精度下堪称完美符合,但问题是第谷的观测精度更高,误差在4’以内,因此开普勒没有满足。最后的结果大家都知道,开普勒在1609年《新天文学》一书中给出了椭圆轨道和行星的运动定律,即行星围绕着椭圆旋转,太阳位于其中一个焦点上,行星与太阳的连线在相同的时间内扫过的面积相同的。

由于彻底抛弃了水晶天球,开普勒也试图为天体为何保持旋转给出新的物理解释。他参考了当时吉尔伯特的磁学论著,比如说地球是一个大磁体,开普勒认为太阳和各大行星也都是大的磁体,在磁力的作用下保持运动。

开普勒一方面严格地尊重经验观测,但另一方面也从来没有放弃对理论和谐的追求,他在之后的一部著作《宇宙的和谐》(1619)回到了和谐宇宙的主题,我们知道在这部书中开普勒提出了他的第三定律,也就是行星公转的周期的平方与椭圆的半长轴的立方成正比。这个定律没有什么实际的观测意义,但揭示了宇宙的“和谐”,事实上这部《宇宙的和谐》使用的是大量的音乐语言和乐谱,未经训练的读者根本找不到所谓的第三定律在哪儿。在这部书里他提出天体的运动其实是在演奏复调音乐,六大行星构成几个声部和谐共鸣。虽然在文风上比较特别,但在精神上开普勒是有代表性的,近代早期的科学家们普遍相信宇宙的和谐和秩序,并且相信这种秩序是能够凭借人类理智所认知的。

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最后稍微提一下伽利略(1564-1642),我们下次课讲物理学的时候还要重点讲到他。这里主要讲他在天文学上的贡献。

伽利略在天文学上的许多贡献都与他改进并运用望远镜有关,1609年他听说荷兰人发明的望远镜并自己着手做了一架,他把这个20倍的望远镜指向天空,发现了许多新现象。在第二年,他就出版了《星际信使》,报告了他用望远镜看到的东西,例如月亮上的环形山,还发现木星周围还有4颗肉眼难见的行星,伽利略讨好他的赞助人美第奇家族把它们命名为美第奇行星,后来明确这四颗是木星的卫星。这些发现严重打击了相信天界完美不朽的希腊宇宙论,佐证了日心体系。传统上天界被认为完美无缺,所以月亮和太阳都被认为是完美的球体;在哥白尼体系中,六大行星中只有地球有一颗月亮绕着转这件事情是很奇怪的,但如果说每颗行星都有可能有自己的卫星的话,月亮就不显得奇怪了。

Justus Sustermans - Portrait of Galileo Galilei, 1636.jpg

 

 

下图是伽利略绘制的月球观测图。

 

 

 

并不是所有人都立刻承认了伽利略的发现,甚至有些人表示拒绝使用望远镜。需要注意的是,这些反对者并不是像我们通常想象得那样是愚蠢透顶的傻帽,在许多情况下抵制望远镜似乎是一个更加理性的选择。因为像望远镜这样的神奇器物似乎很像魔法师的神秘道具,让人敬而远之。而且,制作和使用它需要一定的技巧,一般人往往需要伽利略的指导才能有效地进行观测,甚至有记录说伽利略有一次给一群学生演示怎么看到木星的卫星,结果失败了,忙活了半天大家都表示没找到,伽利略很无奈,只好灰溜溜地跑了。

这有点像我们中国科学界在80年代流行过的一股热潮,就是人体特异功能研究,但是有许多实验都能“证明”特异功能存在,怀疑者也被诚挚地要求去观摩这些演示实验,如果你不是内行的魔术师,很可能是发现不了专业的骗术的,所以演示的结果是你不得不承认你看到了这些现象,但理智的你可能还不相信,于是便被特异功能研究者斥为冥顽不灵、食古不化。如果你老实地承认你看到了特异功能的演示,你就被迫成为特异功能的见证者,他们就可以宣传某某学者已经见证了我们的新发现……所以说,如果你没有信心甄别魔术和骗术,又不想帮他们站台,最理智的办法可不就是敬而远之,从一开始拒绝观看他们煞有介事的演示,不是吗?那么你凭什么根本就不相信他们演示的特异功能是真的呢?似乎你也没有多少依据,基本上只是根据你在旧科学范式下积攒起来的一些常识。那么伽利略的反对者们的情况其实也差不多,他们基于对传统科学的常识的信心,基于对哗众取宠的新奇演示的本能警惕,拒绝去观看伽利略的望远镜,似乎也没有什么可指摘的。事实上伽利略和传统经院学者相比是有点大忽悠的感觉,他显然不像一个严谨的学者的文风,他是第一个使用通俗语(意大利文而不是当时的学术语言拉丁文)写作重要的科学文本,而且是写成对话体,有意识地写给大众看。

当然我们也许会说,望远镜的功能是可以验证的,比如说我拿着望远镜看地面上远处的东西,然后我可以亲自跑到远处去验证我的观察,这就证明了望远镜确实能够如实放大景物。但问题不是那么简单,关键在于,被望远镜“放大”的究竟是什么,是我们的视觉能力被望远镜延伸了,还是自然界被望远镜拉近了?注意到这两点是不同的,因为人的感官不是完美的,古代人向来认为容易出错的感官是通往真理的妨碍,我们的感官经常会看错,会看到不存在的东西,那么如果说望远镜是放大了人眼的能力,那就意味着人眼的缺陷和错觉也可能被放大了。在当时伽利略就与朋友争论过这类问题,虽然我们现在有了确定的见解,但是显然,在当时纠缠于这类问题的人未必只是出于单纯的食古不化。

相反,伽利略在许多时候表现得非常顽固,比如他与开普勒有通信交流,但他坚持正统的圆形模型而未能接受开普勒的椭圆轨道。他还与一位耶稣会天文学家争论彗星是否在月上天,那位耶稣会士相信第谷的观测,认为彗星在月上天,而伽利略则无视第谷,坚持彗星是月下天的现象。

在他用意大利文书写的《两大世界体系的对话》这部宣扬哥白尼体系的书中,他坚持用地球的运动来解释潮汐,并把潮汐视作地球运动的证据(就好比一桶水晃动的时候水面会起伏),甚至这部书的书名一度被设计为《关于潮汐的对话》。(我们现在当然知道潮汐是月球的事,古代人也早就认为潮汐与月亮有关)

伽利略和当时的红衣主教,后来的教皇,乌尔班八世一直关系很好,虽然哥白尼体系是异端,但教皇仍然同意伽利略出版他鼓吹哥白尼学说的著作,只是要求加一个序言说明,承认地球的运动只是一个假说,在找到确凿的证据之前不能认其为真,伽利略同意了,但显然不太服气,他大概认为潮汐已经是够确凿的证据了。乌尔班八世还希望伽利略在书中加上他的观点,即“诸如潮汐这样的自然现象可能有多种原因,其中一些是不可知的,不应该把它归结为某个单一原因”。伽利略照做了,但是在他的对话体著作中,伽利略安排了一个始终被嘲弄的丑角说出了乌尔班八世的话。等教皇看到书之后,显然是大怒,认为自己遭到了欺骗和羞辱。另外教皇当时自己的政治地位受到动摇,心情很不好,于是便有了审判伽利略这一著名的公案。

到最后,伽利略被要求宣誓放弃地动说,伽利略照做了,也没有什么民间传说中摸着大地喃喃自语“它确实在动啊”这样的记载。最后伽利略并没有受到什么刑罚,只是被软禁在自己的别墅里,继续正常地写作和讲学,在软禁期间写成了更重要的一部著作,即《关于两门新科学的对话》(材料力学和动力学),我们下次课会讲到。

 

 

延伸阅读

普林西比:《科学革命》(牛津通识读本)

库恩:《哥白尼革命》

哈里斯:《无限与视角

 

 

一些题目

这里列出一些题目,主要是以往吴国盛老师科学通史课的作业题或考试题,可以作为同学们构思论文题目的参考。这门课要求是一篇读书报告和一篇论文,也可以交两篇论文,如果有自信或实在想偷懒,也可以只交一篇论文。当然,如果一篇论文质量不太高的话,分数肯定会打打折扣。平时课堂出席虽然也是不作要求的,但经常发言混个脸熟的同学平时成绩也会有额外加分。

期中的读书报告或论文最近几周就可以交了,或者有一些选题方面的想法,可以先与我交流。

 

从托勒密天文学看希腊化科学的基本特征

论哥白尼体系的革命性与保守性

从托勒密天文学看希腊化科学的基本特征

试论述古希腊天文学与中国古代天文学的不同

近代科学何以能够在欧洲(而不是在中国或伊斯兰世界)诞生?

谈谈“科学史是否应该被列为X级”(科学家的形象不再伟光正,甚至有许多阴暗面,是否应少儿不宜?)

数理传统与实验传统融合的内在原因(可以牛顿科学为例)

科学革命与基督宗教的关系

简述希腊宇宙论和天文学的基本特征”

反辉格的科学史如何可能

论培根科学

近代科学与希腊古典科学的异同

为什么说古希腊是科学的源头

 

 

关于 古雴

胡翌霖,清华大学科学史系助理教授。本站文章在未注明转载的情况下均为我的原创文章。原则上允许任何媒体引用和转载,但必须注明作者并标注出处(原文链接),详情参考版权说明。本站为非营利性个人网站,欢迎比特币打赏:1YiLinDDwvBLT19CTUsNHdiQhXBENwURb

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  1. 引用通知: 随轩 » 科学通史怎么讲——“科学通史”课程总结

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