哥白尼革命：一位业余天文学家推倒多米诺骨牌

作者|袁征 来源|高山大学(ID：gasadaxue)

以下根据吴国盛教授2020年3月14日在高山大学和更新学堂联合出品的“科学公益直播”的课程整理而成，经老师审核后公开发布。

※全文7214字丨8分钟阅读※整理丨张明※编辑丨朱珍

授课老师：吴国盛，高山大学校董，清华大学教授、科学史系主任。

吴国盛教授

哥白尼在中国是一个家喻户晓的人物，他的伟大贡献是提出日心说。

今天我们谈谈哥白尼和哥白尼革命，希望通过这样一个话题，让更多人了解这个伟大的人物，了解科学史这门学科，了解在我们通常教育里所受的历史教育的不足。

一、谁是哥白尼

1、哥白尼是哪里人?

哥白尼肖像画，现存于托伦市政厅，图自维基百科

哥白尼1473年生于波兰托伦。

托伦历史上有两个名称，第一个名称是德语名称(Thorn)，第二个名称是波兰语名称(Toruń)，也就是说这个地方历史上曾经先后被德国和波兰拥有。

哥白尼能流利讲拉丁语、德语，也能讲波兰语、希腊语、意大利语。

哥白尼一生主要待在两个地方，一个是出生地托伦;一个是他多数时间为之服务的弗龙堡大教堂。

托伦和弗龙堡历史上很长时间并不属于波兰，所以问题就产生了：哥白尼究竟是德国人还是波兰人?

出生地判断

很多人可能是第一次听说哥白尼竟然是德国人，这与托伦和弗龙堡的地理位置有关系。

托伦和弗伦堡在今天波兰的中部。其实二战之后，波兰领土整体都向西移动了。波兰领土中轴以西部分过去大都是德国的地盘。

托伦1230年由日耳曼人建城，属于条顿骑士团国，建城者都是讲德语的。1466年脱离条顿骑士团国归属波兰。

也就是在哥白尼出生前没几年，托伦刚刚脱离日耳曼人的控制归属波兰。

此后，托伦屡次被重新划分。从1230年建城到1945年，托伦有367年归属德国，358年归属波兰，大体持平，德国略占优势。

血统分析

哥白尼父亲是波兰血统，哥白尼的姓氏里的“-nik”大概是波兰语的后缀;哥白尼的母亲完全是德国血统。所以哥白尼的血统是德国和波兰各占一半。

哥白尼家族对于把自己归属于波兰人还是德意志人是比较明确的，哥白尼的父亲、外公以及哥白尼本人都反抗过条顿骑士团，认可自己是波兰臣民，但享有高度自治权。

哥白尼家族的民族归属非常微妙，政治上他们家是倾向于波兰的，但语言是讲德语的，而且哥白尼本人没有留下波兰语手稿和著作，我们也不知道他究竟会不会写波兰语。

哥白尼在博洛尼亚大学加入的是德意志同乡会。

德国波兰争夺哥白尼

任何一个伟人出现以后，他的故乡、他的民族、他的国家都会以这位民族英雄而自豪。

随着欧洲民族主义、民族国家的兴起，对民族英雄的争夺就越发剧烈、白热化。德国和波兰在争夺哥白尼成为他们的民族英雄方面，打得不可开交。

1843年，华沙天文学家将哥白尼的著作翻译成波兰语;

1873年，托伦举行德国天文学家哥白尼诞辰400周年纪念活动，波兰人因在华沙出版波兰语的哥白尼文集而被捕;

1937年，巴黎世博会波兰展馆把哥白尼列为波兰七大知识英雄，遭到德国学界严重抗议;

1939年，纳粹记者发表文章《哥白尼，伟大的德国人》;

1943年，流亡美国的波兰人发表文章《哥白尼，他是波兰人》。

总结

“哥白尼是讲德语家的孩子，是波兰王国的臣民。”这是美国《斯坦福哲学百科全书》的说法。

他既是德国天文学家，也是波兰天文学家。当然也可以说他两者都不是，在现代民族主义者意义上他都不是。 2、哥白尼是职业天文学家吗?

哥白尼在大学里学的是医学，获得的是教会法博士学位。大学毕业后，给他的舅舅(爱尔姆兰教区主教)做秘书和私人医生，期间还翻译古典诗(拉丁诗歌或希腊诗歌)。

后来很长一段时期，他在教会里做行政事务主管，有一段时间还做经济总管，还陆续负责过外交、行政、经济事务，甚至军事事务。

哥白尼一生的主要工作是教会里的中层干部，是一个神职人员，是一个职业神父。他是一个业余天文学家，天文学是业余爱好。

弗龙堡大教堂，吴国盛拍摄

1503年到1543年，哥白尼多数时间住在弗龙堡大教堂，在波兰的北部。

其中有5年的时间(1516-1521年)在附近瓦尔米亚教区做经济总管。这个时期，哥白尼致力于经济管理工作。他在经济学上还有一个贡献(1526年)，提出了今天称为“格莱欣定则”的经济学定律，即“劣币驱逐良币定则”。

1543年，哥白尼在弗龙堡大教堂逝世。

哥白尼在大教堂一个院子里的塔楼上自费搭建了一个天文观测台，利用业余时间研究天文学。

哥白尼去世前出版了一本书，也是他唯一的一部著作。这本书在中国的名气很大，过去译名叫《天体运行论》，最新的译名叫《天球运行论》(商务印书馆)。

3、结论：谁是哥白尼?

第一，他是德国人或波兰人。二战后国际社会出于政治正确的考虑，一般都认为他是波兰人。

第二，他是教士、教区行政管理者、医生、翻译家、古典学者、外交家、经济学家，还是业余天文学家。

第三，他在历史上最伟大的贡献是写出了一本伟大的著作《天球运行论》。

二、什么是哥白尼革命?

1、哥白尼革命词源追溯

哥白尼革命(Copernican Revolution)这个词来自他的著作《论天球的旋转》。著作的关键词“Revolution”在当时的意思就是“旋转”，很有可能是哥白尼的工作赋予了这个词“革命”的意思。

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

康德说，之前的哲学家都是让人围绕世界转，就是人要认识事物就要围绕事物转。在康德看来，正好相反，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。康德把这个重心的转移叫哥白尼式的革命。

康德的比喻不太恰当，因为如果把地球看作是我们(人)的话，哥白尼式革命和康德式革命正好是相反的。

美国的科学史家库恩写过一本书叫《哥白尼革命——西方思想发展中的行星天文学》。这本书出版以后，哥白尼革命这个词就成型了。 2、哥白尼革命的含义

哥白尼革命的基本含义是指由哥白尼开始的一场宇宙重心的转移，简单说就是地心说转向日心说。

但如果仅仅是这样，我们就完全没有理解这场革命的伟大意义。

哥白尼革命的第二层含义是，由哥白尼开始引发的第谷和开普勒的天文学重建。哥白尼只是开始，他没有完成。因为有了哥白尼，后面才有开普勒真正完成了天文学革命。

不仅如此，开普勒的革命又进一步引发了物理学的革命和世界观的重建。牛顿是现代科学的奠基人，近代科学的集大成者。

牛顿之前有开普勒、伽利略，再往前有哥白尼。哥白尼是开启现代科学革命的第一人。

三、为什么要发动哥白尼革命?

1、哥白尼革命起因

中国人广泛的想法是地心说比日心说能够更好地解释天文观测中的证据。实际并非如此。事实是：

第一，哥白尼本人并不是一个天文观测家，所以他手头并不拥有比前人更好、更精确、更完整的天文观测数据。

第二，地心说和日心说在当时的背景下可以同样好的解释观测证据，在符合证据方面没有大的区别。

既然如此，哥白尼为什么一定要发起这场革命，一定要把宇宙的重心由地球挪往太阳呢?

托勒密体系不够融贯协调

托勒密是古代希腊化时期最伟大的天文学家。他对希腊天文学做了一个整体上的集大成。我们一般把托勒密体系作为地心说的代表。

哥白尼认为，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一套自己的原理。这样一来，整个宇宙显得零碎，显得没有秩序，显得之间没有内在的关联。托勒密体系就像是一个怪物一样拼凑在一起的。

托勒密体系不够希腊化

哥白尼并不认为托勒密体系不够现代，而是他觉得托勒密体系没有遵循古典希腊人关于宇宙的基本原则，脱离了古代希腊人原始的宇宙理想。

希腊人认为天体的运动都必须是匀速圆周运动。可是在托勒密体系里，很多的天体已经不是在做匀速圆周运动。而且哥白尼发现，宇宙的那种美妙的、对称的结构在托勒密体系里被打破了。

托勒密体系不能唯一的给出宇宙体系

托勒密体系里每个行星是单独处理的，所以在他的宇宙结构里有几个行星的位置是可以有余地的。这几个星是水星、金星和太阳。

当时的太阳五大行星——金星、木星、水星、火星、土星，其中水星和金星在太阳附近左右晃动，所以它们绕地球转动的周期与太阳是一样的，都是一年。

托勒密的地心体系里，周期越大的越在外围，周期越小的越在里面。周期一样的就只能随意放。水星、金星和太阳的位置是随意互换的。

哥白尼认为，宇宙是非常完美、漂亮的，不能随意搭配。

因此，某种意义上，哥白尼革命也是一种反革命。他不是想从托勒密出发走得更远一点，而是想让托勒密回到正宗的希腊天文学精神。 2、希腊宇宙学

希腊宇宙学(或希腊天文学)有一个基本的概念叫宇宙。中国人讲的宇宙就是指存在着的整体，世界上所有的东西。四方上下曰宇，古往今来曰宙。

希腊人讲的宇宙并不是这个意思，他们很强调这是一个完美的东西。

希腊人有一个非常伟大的概念，叫Cosmos，今天译为“宇宙”。Cosmos的基本意思是有限、秩序、和谐。在希腊文里，它的反义词是Chaos，就是混沌的意思。

宇宙从混沌的反面叫有序，它是有秩序的、和谐的、有限的。因为有限才有秩序问题，有限才有比例问题，有限才有和谐问题。

所以宇宙是完美、完善、完满的东西。

两球宇宙模型

希腊人天才地发现要达到完美、完善、完满，最好的形状是球。对球的美学的偏爱，使得他们很快形成了宇宙是一个球状的概念。

把天看成一个球是比较容易的，但不容易的是把地球也看成一个球。希腊人古代时期就有了天球、地球的概念。

为什么希腊人会有地球的概念呢?

第一，当然和他们的天球概念有关系，地球与天球相匹配。

第二，与他们是个航海民族有关系。航海民族很容易看到海面是弯曲的。

后来他们通过逻辑、理性推理的方式确立了地可以悬在天球的中间。

从阿那克西曼德开始，希腊人有了天球套地球的概念，地球漂浮在天球的中间，不需要支撑。

毕达哥拉斯学派最早提出了初步的两球宇宙模型。

毕达哥拉斯学派两球宇宙模型，图自网络

如上图所示，最外面的一层是恒星天球，里面依次是土星、木星、火星、金星、水星、太阳、月亮、地球，里面还有一个最黑的部分叫“对地”，因为毕达哥拉斯学派喜欢“十”，他们认为10个球是最完美的。我们看到的只有9个，所以他们想像一个“对地”，凑足10个。

哥白尼的书之所以译为《天球运行论》，因为他继承的是希腊天文学传统。

行星问题

古代希腊把太阳、月亮也看成行星，他们说的行星是指天上运动不规则的星，天上运行规则的部分叫恒星。

希腊天文学只研究行星，不研究恒星。他们认为恒星没有什么好研究的，而行星是一个问题。

在希腊人看来，行星作为天体应该做匀速圆周运动;可是从表面看起来，行星并不是做匀速圆周运动，而且行星有时候还要逆行。这就是问题。

希腊天文学的基本目标就是要拯救现象。拯救现象就是要把本来看起来不均匀的行星运动说成是均匀的。

柏拉图的学生欧多克斯想的办法是让每一个行星同时参与两到两个以上的匀速圆周运动。

一个行星同时参与两个或多个匀速圆周运动，叠加的结果就会显得很乱，但分开来看都是好的、规则的。

同心球模型

欧多克斯让行星同时加入两轮的结果是，可以让它走出一个8字形，模拟行星的逆行。

希腊天文学的第二大特点，就是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。

欧多克斯的模型开启以后有很多问题，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。

本轮-均轮+偏心圆+偏心匀速点方案 托勒密后来为了模拟行星越来越复杂的运动规律，用了很多数学工具。包括：

本轮-均轮

偏心圆，让地球不在均轮的圆心，偏到边上去

偏心匀速点，让本轮的中心不是相对均轮的圆心做匀速运动，而是相对于旁边的一个点——偏心匀速点做匀角速运动

这就是哥白尼特别不满意的地方，他认为这样一来，行星相对地球来说既不是匀速的也不是圆周的，就破坏了希腊人对宇宙的基本理念。 3、哥白尼的革新

哥白尼体系

哥白尼做了几件事情：

第一，让太阳中心取代地球中心。第二，赋予地球三重运动。

周日自转。地球的周日自转代替了恒星的周日转动，地球自转以后恒星就不要动了。

周年公转。让地球绕太阳公转，模拟了此前太阳的转动。

周年轴转。哥白尼认为地球作为一个绕太阳转动的天体，必须镶嵌在一个天球上转，这个天球可以叫做地天球。但有一个问题，地球的轴不是垂直于黄道，方向偏了23.5度，而且地球绕太阳公转的时候地轴的方向始终是不变的。为此，哥白尼给地轴加了“第三种运动”，目的是在地球运动时地轴始终是偏着的。

第三种运动

哥白尼体系的优势

哥白尼让太阳处在宇宙的中心，让包括地球、金星、木星、水星、火星、土星在内的六大行星绕太阳转，直接的好处是：

第一，行星的逆行运动很自然地解释成地球和行星之间的相对运动。行星一直绕太阳转，没有逆行。所谓的逆行不过就是地球与这个行星之间的相对运动改变了。

而且还解释了为什么逆行往往开始于行星最亮的时候，因为那个时候地球与该行星距离最短。

还解释了为什么水星和金星总是跟着太阳，因为它们是内行星，它们的轨道在地球以内，从地球上看，它们始终不离开太阳太远。

第二，给出了诸行星的的秩序，行星的秩序从此固定下来，不会有变化。

哥白尼体系面临的挑战

哥白尼体系有诸多保守与不足之处：

第一，哥白尼的数据有限，他不是一个好的观测家。

第二，哥白尼保留了天球体系，这是他保守的地方。今天我们知道，希腊人天球的说法完全是子虚乌有的。

第三，由于保留了天球体系，保留了正圆运动，他不得不像托勒密那样保留了本轮-均轮体系。

第四，他也不得不保留偏心圆装置，这就意味着太阳实际并不在宇宙的中心，接近但不是中心。所以哥白尼的日心说并不是严格意义上的日心说，只是日静说。

第五，哥白尼体系比托勒密体系好一点，但并没有达到他所允诺的那种简洁、精确。

而且哥白尼体系面临两个更大的困难：

第一，恒星视差问题。

如果说地球绕太阳转，那就意味着从地球上看，远处的恒星应该有恒星视差。可是自古以来，没有人见过恒星有视差。

哥白尼的解释是恒星离我们太远了，周年视差太小了，肉眼看不见。哥白尼让地球公转起来之后，他就被迫要把宇宙搞大，至少要比托勒密体系放大20倍。

第二，运动问题。

地球运动很快，坐地日行八万里，但我们一点感觉没有，我们没有跟着地球在动。

这个问题指向了新物理学(惯性定律)，如果没有一套新物理学，哥白尼体系是没有办法说圆全的。

哥白尼体系还面临一些来自非科学的挑战，开始主要是来自新教。

新教当时要回到《圣经》的字面意思，反对对《圣经》做过多的解释。《圣经》里说的是太阳绕地球转，没说地球绕太阳转。

哥白尼在世时，天主教对此并没有表态，对哥白尼基本上是很客气的。教廷曾经邀请过哥白尼参加历法改革工作，哥白尼当时回答说，改历之前，要改变宇宙体系，所以哥白尼发动革命，很大的一个原因也是因为天主教会面临改历问题。某种意义上说，哥白尼对天主教改历是作出了贡献。

1551年，德国天文学家莱茵霍尔德根据哥白尼体系绘制了《普鲁士星表》，帮助传播了哥白尼的学说。

天主教一开始没有表态，但后来越来越觉得不对劲了。一是来自新教的压力，新教批判天主教对自由思想、异端思想太宽容;二是天主教也意识到哥白尼学说本身蕴含的一些逻辑后果，对他们是不利的。

1610年，哥白尼学说被指为异端，离哥白尼去世将近60年。

1616年，《天球运行论》被列为禁书。

4、哥白尼革命后期

第谷打碎天球

第谷肖像画，图自维基百科

第谷是天才的天文观测家。第谷本人是不同意哥白尼学说的，但他做的很多观测却是有利于哥白尼学说的。

1572年，他发现的新星(Nova)是恒星而非行星，打破了希腊人认为的恒星永远不变、不增不减、不生不灭的教条。

1577年，他发现了彗星来自天外。希腊人认为彗星是地面上的现象，属于大气现象。第谷证明彗星不是大气现象，而是来自于月亮以上的天空。彗星从天上穿越而来，就使得天球成为不可能了，逻辑上打破了水晶天球。

第谷不同意哥白尼学说主要是害怕两个困难，恒星视差问题和行星运动问题。但他觉得哥白尼学说好用，所以他搞了个折中方案。

第谷体系 第谷让太阳还是绕地球转，但是让金星、木星、水星、火星、土星绕太阳转。这个体系很古怪。

月亮和太阳绕地球转，金星、木星、水星、火星、土星绕太阳转的后果是天球就没法再用了。

所以第谷的贡献是打碎了天球。当然，第谷还有一个贡献是收开普勒为徒弟，把毕生所积累的天文观测数据都给了开普勒。

开普勒真正完成哥白尼革命

开普勒画像，图自网络

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要完成。

开普勒最伟大的工作是提出了行星运动的三定律：

第一定律，行星运动的轨道是椭圆;

第二定律，面速度均匀，通过太阳和行星连线单位时间扫过的面积是一样的;

第三定律，行星周期的平方与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竟的事业彻底地做好了。

实现了哥白尼所谓的和谐、简单的理想，从此以后所有的本轮、均轮、偏心圆都不要了;

太阳真正严格地处在太阳系的几何中心，太阳在椭圆的两个焦点之一上;

把太阳真正看作是驱动太阳系运动的一个核心力量。过去的太阳与其它行星只是几何的关系，没有内在的关系。

从开普勒开始，太阳必须要成为其它行星运动的物理原因。所以从开普勒开始直接导向了后面的牛顿。

开普勒是真正的完成了哥白尼革命，当然开普勒也有他局限的地方。

他仍然保留恒星天球，所以他的宇宙还是有限的;

他不理解伽利略的惯性定律。

四、哥白尼革命的意义

哥白尼革命的意义不是简单的把宇宙的中心从地球挪到太阳，其实从今天的眼光看，宇宙没有中心，太阳也不是宇宙的中心。而且你从日心的角度看，从地心的角度看，按照相对论的说法都可以，都是相对运动。

哥白尼革命的意义在于由此开启了一整套新的思想范式，它所呼唤的新天文学必然呼唤新物理学，新物理学必然呼唤新哲学，宗教神学也会受到影响等一系列的后果，像多米诺骨牌一样。

在物理学意义上，有了哥白尼革命，就必须有一套运动理论，这套理论直接通往今天的牛顿惯性力学或惯性物理学。

如果天球没有了，靠什么把诸行星拉在一起而不是到处乱跑呢?所以就引出了引力概念。

哥白尼革命基本的贡献是完成了思想史上世界观的重大变革，就是由封闭世界到无限宇宙。宇宙一旦无限，又会引发很多哲学上的后果。

总而言之，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，那么宇宙就可以从有限走向无限。英国的哥白尼主义者迪格斯很快就把恒星天球去掉了，让恒星散布在一望无垠的空间之中。

恒星视差的微不足道，表明恒星无比遥远，宇宙是很大的，在恒星与太阳系最外的土星之间有巨大的空洞，上天如何影响地下?这都是非常严重的问题。

编者按：本文转载自微信公众号：高山大学(ID：gasadaxue)，作者：吴国盛