看似没有规律的背后，恰恰是规律

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责任编辑 | 智勇

内容来源：2020年3月14日，笔记侠、更新学堂和高山大学联合出品的【科学公益直播】013期。

嘉宾简介：吴国盛，高山大学校董，清华大学人文学院教授、科学史系主任。兼任国务院学位委员会科技史学科评议组成员、中国自然辩证法研究会科学传播与科学教育专业委员会主任。曾任第七、八届中国科学技术史学会副理事长、北京大学科学史与科学哲学研究中心主任。

《科学公益直播》

笔记君邀您阅读前，先思考：

地球转这么快，为什么我们不会晕?

日心说在什么意义上优于地心说?

今天我要讲4个问题：

谁是哥白尼?

什么是哥白尼革命?

为什么要发起哥白尼革命?

哥白尼革命的革命性意义何在?

我希望通过这样一个话题，让更多的人了解到哥白尼、科学史，也了解到在我们通常教育里所受过的历史教育的不足。

一、谁是哥白尼?

1.哥白尼的国籍之争：德国人or波兰人?

哥白尼1473年生于波兰托伦，托伦在历史上先后被德国和波兰所拥有、而哥白尼本人讲拉丁语、德语，也讲波兰语、意大利语、希腊语。这样一来，就给他的身世留下了一个谜。

哥白尼一辈子就在两个地方呆着：一个是他的出生地托伦;另一个是弗龙堡，他多数时间为之服务的地方(哥白尼是弗龙堡大教堂里的中等教士)。

① 从哥白尼呆过的地方看国籍之争

波兰在二战以后，整个领土都向西边移了。因此今天波兰的中轴以西一部分，过去都是德国的地盘。

1232年，托伦由日耳曼人建立，归属条顿骑士团;

1466年，脱离条顿骑士团，归属波兰;

1473年，哥白尼出生，也就是在他出生之前没几年，这个地方刚刚脱离日耳曼人的控制，归属波兰;

1793年，托伦又归普鲁士了，普鲁斯也是讲德语的;

1807年，托伦又归拿破仑建立的华沙公国;

1814年，普鲁士又夺回托伦;

1919年，托伦又回归波兰;

1939年，德国又重新占领托伦;

1945年，二战以后，托伦重新回归波兰。

② 两国争相发表声明

“哥白尼究竟是德国人还是波兰人?”哥白尼生前并不是问题，因为他并不知道自己是个伟人。但今天不一样了，任何一个伟人出现以后，他的故乡、他的民族、他的国家都以这位民族英雄而自豪。

所以随着欧洲民族主义的兴起，对民族英雄的争夺就越发剧烈。德国和波兰在争取哥白尼成为他们的民族英雄方面，打得不可开交。

1843年，华沙的天文学家把哥白尼著作译成波兰文。

1873年，德国在托伦举行了德国天文学家哥白尼诞辰400周年纪念活动。因为1814年普鲁士夺回托伦，所以1843年和1873年，托伦还在德国控制之下，这时候他还叫德国天文学家。

1937年，在巴黎世博会上，波兰展馆把哥白尼列为波兰的七大知识英雄，结果德国学界严重抗议。

1939年，纳粹占领波兰之后，纳粹记者发表文章《哥白尼是伟大的德国人》。

1943年，在美国流亡的波兰人发表文章《哥白尼是波兰人》。

所以究竟哥白尼是德国人还是波兰人，成了历史上非常有意思的悬案。

③ 从血统看哥白尼的国籍

光从出生地很难看出哥白尼究竟是德国人还是波兰人，但是我们可以看他的血统。哥白尼的父亲是波兰血统，他的姓中带有是波兰语的后缀“-nik”，但是他的母亲是德国血统。

哥白尼的家族认可自己是波兰臣民，但微妙的是他们家都讲德语。哥白尼没写过波兰语文献，没有手稿，也没有著作，但是他大概能讲。上大学的时候，哥白尼在博罗尼亚大学加入的是德意志同乡会。

他究竟是德国人还是波兰人这个问题，从历史上看不是个严重的问题。因为民族国家的概念是很晚才出现，大概在近二三百年开始出现。在哥白尼的时代，这个事情还不是那么明显。

当然历史上越往过去，越说不清楚，越不重要。

美国斯坦福百科对哥白尼的一个说法是：“哥白尼是讲德语家的孩子，是波兰王国的臣民。”所以既可以说他是德国天文学家，也可以是波兰天文学家，当然也可以说两者都不是。

2.哥白尼是职业天文学家吗?

哥白尼是哪国的天文学家要打个问号，那么他是不是个天文学家呢?我们也需要做一些澄清，因为人很容易根据当下的情况来打量历史。

哥白尼不是我们想象中的职业天文学家，他刚开始是在博洛尼亚大学里学习教会法，后来学了医，再后来在费拉拉大学拿到教会法博士学位，最后给他的舅舅——艾尔姆兰教区的主教当私人医生。

在当医生的时候，哥白尼还翻译过古典诗词。后来很长一段时期，他在教会做行政事务主管、经济总管，还陆续负责过外交，甚至临场指挥过战争。

所以他一辈子主要的工作是一个教会里面的中层干部，是一个职业神父，是一个经济学家，而天文学只是他的业余爱好。

哥白尼临死前出版了一部书，也是他唯一一部著作。这本书在中国的名气很大，过去的译名叫《天体运行论》，现在最新的译名叫《天球运行论》。

二、什么是哥白尼革命?

来源1：哥白尼事件赋予革命的意思

哥白尼革命这个名字首先来自他本身的著作《论天球的旋转》(On the Revolutions of the Heavenly Spheres,De revolutionibus orbiumcelestial)。

Revolution本来是指旋转，所以直译为“天球的旋转”。当时是没有革命的意思，很有可能是因为哥白尼的事情赋予了革命的意思，所以哥白尼这个书可以译成《天球的旋转》，也可以译成《天球的革命》。

来源2：康德提出的哥白尼式革命

“哥白尼革命”最早是由德国哲学家康德讲出来的，他认为自己的工作完成了一次哥白尼式的革命。

之前的哲学家都是让人围绕着事物转。但事实上，人们认识事物是因为人本身有一套先天结构，所以认识论必须倒过来，不是围绕事物转，而是围绕人本身转。

因为哥白尼就是把地心说改变成日心说，把太阳绕地球转，改成了地球绕太阳转。康德认为自己也做了类似的事情——过去是人围绕事物转，现在是事物围绕人在转。

当然这个比喻也不大恰当，因为如果把地球看作是我们，那么哥白尼革命和康德式的革命正好是相反的。康德把重心由事物、对象移到自己的身上，完全是反哥白尼革命。

来源3：美国科学家写的《哥白尼革命》

美国的科学家库恩写过一本书就叫《哥白尼革命》，这个书出来以后，哥白尼革命这个词就开始就成型了。

哥白尼革命的基本意思是以哥白尼命名的，发生在16、17世纪的一场科学革命。简单说来就是地心说走向日心说，也就是宇宙重心的转移。如果仅仅是这样，并没有完全理解革命的伟大意义。

革命的第2个意义是由哥白尼引发的第谷(第谷·布拉赫，近代天文学的奠基人)和开普勒(约翰尼斯·开普勒，德国杰出的天文学家、物理学家、数学家)对天文学的重建。

因为有了哥白尼，后面才有开普勒，才真正的完成了我们所说的天文学革命。不仅如此，开普勒的天文学革命又进一步引发了物理学的革命。

我们今天认为牛顿是现代科学的奠基人，近代科学革命的集大成者，在他之前有开普勒、伽利略，再往前就是哥白尼。所以哥白尼是开启了现代科学的第一人。

三、为什么要发动哥白尼革命?

中国人有一个广泛的认知：日心说比地心说能够更好的解释天文观测中的证据。事实上并不是这么回事。

首先，哥白尼本人并不是一个天文观测家，所以他并不拥有比他的前人更好、更精确、更完整的天文数据。

既然手上没有好证据，也就谈不上他有更好的解释。另外，地心说和日心说在当时的背景下可以同样好地解释观测证据，在符合证据方面没有什么大的区别。

1.嫌弃托勒密体系

请问哥白尼为什么一定要发起这场革命呢?为什么一定要把宇宙的中心由地球挪往太阳呢?

理由1：托勒密体系不够融贯协调

托勒密是古希腊时期的天文学家，他是希腊天文学的集大成者，地心说就是以托勒密体系为代表。

哥白尼认为托勒密体系不够融贯协调，托勒密对不同的行星使用了不同的原理，相当于每一个行星有自己的一套原理，这样一来整个宇宙显得零碎，没有秩序。哥白尼说：“托勒密体系拼凑起来，就像一个怪物。”

理由2：托勒密体系不够希腊化

希腊人认为天体的运动必须是匀速圆周运动，可是在托勒密体系里面，很多的天体已经不是在做匀速圆周运动，所以哥白尼认为这个不行。而且哥白尼发现宇宙那种美妙的、对称的结构在托勒密体系里面被打破了，所以他认为这也是有问题的。

哥白尼之所以要革命，不是嫌托勒密体系不够先进，而是怪他脱离了古代希腊人的原始理想。

理由3：托勒密体系不能够给出宇宙的唯一体系

在托勒密体系里面，周期越大的越在外围，周期越小越在里面。可是水星、金星和太阳是绕地球转动的，平均周期都是一年。这种情况下，人们愿意怎么放就怎么放。

哥白尼认为宇宙这种完美漂亮的东西，怎么能够随意搭配。所以哥白尼革命表面看是革命，实际上是嫌托勒密离开了古典希腊的精神，因此某种意义上可以说哥白尼革命也是一种反革命。他不是想让从托勒密出发走得更远一点，而是想让托勒密返回希腊，回到正宗的希腊天文学精神。

所以我们要理解哥白尼革命，就要理解什么是正宗的希腊精神。托勒密在哪些方面违背了这种精神。

2.为了希腊天文学精神

希腊天文学特点1：宇宙是球状的

希腊人的天文学有一个基本概念叫做宇宙概念。希腊人认为宇宙是一个完美的东西，因为它很完美，所以人住在宇宙里面就觉得特别幸福。如果宇宙不够完美，那人住在宇宙里面就很憋屈、郁闷、无聊。

希腊人有一个非常伟大的概念叫做Cosmos，我们今天翻译成宇宙，翻译的很不贴切。它的基本意思是和谐、秩序、有限，在希腊文里的反义词是混沌，所以宇宙是混沌的反面。它是有秩序的，是和谐的，是有限的。因为有限才有秩序问题，有限才有和谐问题。

宇宙属于一个较完美、完善、完满的东西，希腊人发现一个有形状的东西想达到这种状态，最好的形状是球。

因为球具有美学上的强烈特征：球的对称性很强，所有的球相似度很强，球是同样的表面积中最大体积的形状。所以希腊人对球的美学偏爱使得他们很快形成了宇宙是球状的概念。

希腊人也很早意识到了大地也是个球，这和他们是航海民族有关系，因为他们发现海面是弯曲的。

有了地球的概念，后来通过逻辑性的推理，确立了地可以悬在天球的中间，后来确立了极坐标的概念——宇宙有一个球心，这是极尽最小的地方。

从阿拉克西曼德开始，希腊人有了天球套地球的概念，地球是飘浮在天球的中间，不需要支撑。

从毕达哥拉斯学派开始，两球宇宙模型已经形成，这是希腊天文学的第一步，认为宇宙就是个球体，宇宙就是个有限的、和谐的、完美的、完善的、完满的球状物体。

希腊天文学特点2：只研究行星

希腊天文学只研究行星，不研究恒星。在希腊人看来，行星作为天体应该做匀速圆周运动，可是行星并不是在做匀速圆周运动。

古代希腊认为的行星指的是天上运动不规则的星体，而天上的运行规则的部分叫恒星，因此把日月金木水火土看做行星。

日月为什么不规则?因为日月的运动忽快忽慢，而金木水火土更糟糕，不仅不均匀，有时候还往逆转。

希腊天文学的基本办法就是要拯救现象，把本来看起来不均匀的行星运动要说成是均匀的，也就是把行星回归到匀速圆周运动模式上。

所以柏拉图的学生欧多克斯(希腊数理天文学的创始人)想出一个办法，让每一个行星同时参与两到两个以上的匀速圆周运动。

所以这就造就了希腊天文学的第二大特点，必须用匀速圆周运动的叠加模式来模拟行星表面看起来的不规则运动。

这里面有极其深刻的科学方法论含义，科学的诞生有两个条件：第一，必须坚信我们的世界是有规律的;第二，这个规律是不变的。

希腊人相信不变是基本的，因此行星表面上的混乱多变必须还原到的不变里去。

欧多克斯的模型开启以后有很多问题，而希腊天文学家经过几百年的发展，到托勒密的时代就发展了一套本轮套均轮的模型来模拟行星的运动。

大轮子叫均轮，小轮子叫本轮，行星在本身绕着本轮转，而本轮的中心又绕均轮转，最终造就一个逆行的模式。后来为了模拟行星越来越复杂的运动规律，让地球不在均轮的中心，偏到边上去了，叫偏心圆。

后来又用一个方案，让本轮的中心不是相对于圆心做匀速运动，而是相对于旁边一个点——偏心匀速点做匀速运动。

这就是哥白尼特别不能满意的地方，因为这样一来，行星跟地球既不是匀速也不是圆周，这样破坏了希腊人对宇宙的基本理念。

哥白尼是一个彻头彻尾的希腊主义者，他嫌托勒密体系太复杂，把行星问题弄得支离破碎。于是哥白尼让太阳取代地球成为中心，同时赋予地球三重运动：周日自转、周年公转、周年轴转。

四、哥白尼体系

1.优势

哥白尼的改革当然是有好处的。

哥白尼让太阳处在宇宙的中心，让六大行星(金木水火土+地球)绕太阳转，很自然地解释了不是行星逆行，所谓的逆行不过是地球和行星之间的相对运动。

当地球追上行星的时候，行星不动了，这叫留;当地球超过行星的时候，行星往后退，这叫逆。所谓的留和逆并不是行星本身的停止和逆行，而是相对运动造成的。

哥白尼体系还解释了过去2000多年都没法解释的问题，为什么水星、金星总是像跟屁虫一样跟着太阳?因为它们是内行星，从地球上看始终不离开太阳。

哥白尼也给出了整个行星的秩序，并就此固定下来，不像托勒密时期，水星、金星和太阳的位置可以相互变。

2.保守和不足

哥白尼革命不是他一个人做出来的，他只是开启了革命，并没有完成革命。

① 保守

哥白尼的数据有限，因为他并不是一个观测家，同时他保留了天球体系。我们今天都知道没有天球这回事，希腊人的天球说法完全是子虚乌有。由于他保留了天球体系，他也保留了正圆运动教条。

可是开普勒告诉我们，行星运动是椭圆运动，不是正圆运动。可是非要用正圆运动来说，又要跟行星的运动保持一致，因此哥白尼就不得不保留了本轮均轮体系，也不得不保留偏心圆装置。这意味着太阳实际上并不处在太阳系的中心，而是接近。

所以我们说哥白尼的日心说不是严格意义上的日心说，他只是一个日静说，太阳是不动的，但是太阳并不真正处在宇宙的中心。

更重要的是，虽然这套体系比托勒密体系好一点，但是并没有达到他自己允诺的简洁、精确，它一样繁琐，一样有很多轮子。

② 不足

问题1：恒星视差问题

如果说地球绕太阳转的话，那就意味着从地球上看，远处的恒星应该有恒星视差。把手放在鼻子前，两只眼睛轮流看的话，你会发现手的位置是不一样的，这叫视差。

可是自古以来从来没有人见过恒星有视差，无论冬夏，位置都是不变的。哥白尼只好解释说行星离我们太远了，因为距离远，就算有视差也没法被我们的肉眼看见。

由于哥白尼让地球公转起来之后，他就被迫要把宇宙搞大，至少要放大20倍。所以科学史家开玩笑说，这个天球最终是要吹破的，但在吹破之前先把它吹大。

当然我们知道天球吹破以后，整个世界就变了，因为天球没了。

天球没了，为什么地球还要绕太阳转，为什么不是乱跑?所以天球之后就出现了牛顿的引力。可以说，没有天球的打碎，就没有引力的出现。某种意义上，引力就是一个希腊式的天球。

问题2：运动问题

每个人都会感觉到我们坐在地球上没有感觉地球动，如果像哥白尼所说的地球动那么快，我怎么一点感觉没有?

这两大问题，尤其是第2个问题指向了新物理学。如果没有一套新的物理学，哥白尼体系是没法解释的。

3.哥白尼革命的后续

哥白尼开启的这场革命，唤起了两波人的起而效仿。

第1波人是追随他成为日心学说的支持者，这里面最典型的是开普勒(约翰尼斯·开普勒，德国杰出的天文学家、物理学家、数学家)，但是他之前还有一个人叫第谷(第谷·布拉赫，近代天文学的奠基人)的观测家。

第谷本人是不同意哥白尼学说的，但是他做的很多观测都是有利于哥白尼学说的。以前希腊人认为恒星是永远不变的。而第谷发现一颗新星后，打破了古希腊人的教条。

后来他又发现了彗星，过去希腊人认为彗星属于大气现象，而第谷证明彗星不是大气现象，而是来自于月亮以上的天空。

第谷的两个伟大发现，客观上是支持了哥白尼学说。

第谷是个观测家，他不同意哥白尼学说，但是他觉得哥白尼的东西好用。所以他找了一个折中方案，让太阳还是绕地球转，但是让金木水火土绕太阳转。

这个体系很古怪，后果是天球没了。所以第谷的贡献是打碎了天球，而另一个贡献就是收了开普勒为徒弟，把数据给了开普勒。

开普勒是一个天才的哥白尼主义者，他一定要想办法把哥白尼未完成的事业完成。开普勒最伟大的工作是三定律：

第一，他发现了行星运动的椭圆轨道;

第二，他发现通过太阳和行星这条线扫过的面积，单位时间是一样的，我们称为面速度均匀定律;

第三，行星周期的平方和它们离太阳的距离的立方成正比。

开普勒三定律一下子就把哥白尼未尽的事业彻底做好了，他实现了哥白尼的和谐简单理想，从此以后太阳真正处在太阳系的中心。

开普勒把太阳真正看作是驱动太阳系运动的一个核心力量，过去太阳它只是一个几何上的关系，跟其他的行星没有什么内在关系。

五、哥白尼革命的革命性意义何在?

1.倒逼新物理学

哥白尼革命不在于把宇宙的中心由地球挪到太阳，而在于它由此开启了一整套新的思想范式。

因此必须要呼唤新天文学，新天文学必须呼唤新物理学，新物理学必须呼唤新的哲学，新的哲学势必要改变神学等等。这一系列的后果，像多米诺骨牌一样。

在物理学意义上，如果承认哥白尼是对，首先要搞清楚什么叫运动，地球转那么快，为什么我们浑然不觉?因此必须有一套运动理论，而这套理论直接通往今天的牛顿力学。

如果天球没了，靠什么把这么多行星拉在一起，而不是乱跑?所以就引出了万有引力的概念。

牛顿这个人的伟大之处在于，他把两条线索全部找出来了，既提出了牛顿惯性力学，又给出了万有引力的定律。而且把所有过去被认为是没有关系的现象，全部合在一起构成了一套体系。

2.从封闭世界到无限宇宙

哥白尼革命基本的贡献是完成了思想史上的一个世界观的重大变革，由封闭世界到无限宇宙。

地球的周日自转就取代了恒星的周日自转;恒星不再转动，那么恒星天球就不再需要;恒星天球不再需要，那么宇宙就有可以从有限走向无限;视差的微不足道，表明恒星无比遥远。

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