方舟子：地球是不是宇宙的中心

2009年07月17日 23:26
來源：經(jīng)濟觀察報

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方舟子

留美學(xué)者，生物化學(xué)博士

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(xué)的原因?qū)е氯藗兣懦馊招恼f。當(dāng)時在西方國家占統(tǒng)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《圣經(jīng)》里頭找到依據(jù)。另一方面，地心說也更符合當(dāng)時西方學(xué)者信奉的亞里斯多德物理學(xué)。不過，日心說模型對行星運動的解釋更簡單明了，這一優(yōu)勢仍不容忽視。丹麥天文學(xué)家第谷(1546-1601)試圖把日心說的理論解釋優(yōu)勢和地心說的實際觀測優(yōu)勢結(jié)合起來，提出了一個調(diào)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(rèn)為是天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)明之前最偉大的天文學(xué)家，手中掌握著當(dāng)時最精確的行星觀測數(shù)據(jù)，需要有人加以整理。1600年，德國天文學(xué)家開普勒(1571–1630)去第谷的天文臺工作。分派到的活就是根據(jù)第谷的數(shù)據(jù)確定火星的運行軌道。開普勒對自己的數(shù)學(xué)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(rèn)為已發(fā)現(xiàn)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(rèn)定行星在做勻速圓周運動，但是采用哥白尼所反對、托勒密使用的偏心圓方法來求解火星軌道模型。在經(jīng)過大約70次嘗試后，終于讓火星軌道和觀測數(shù)據(jù)基本吻合。但是這個模型很繁瑣，而且結(jié)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(shù)據(jù)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(rèn)為，是太陽發(fā)出的力在推動著行星運動，它們之間的距離越遠(yuǎn)，推動力越弱，運動速度就越慢。在遠(yuǎn)日點速度應(yīng)該最慢，而在近日點速度應(yīng)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(rèn)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(nèi)所掃過的面積相等。他進而把這個結(jié)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(jù)此計算出火星的整個軌道。他是把軌道當(dāng)成卵形來計算的，在失敗了大約40次之后，終于在1605年想到火星軌道應(yīng)是橢圓，發(fā)現(xiàn)橢圓軌道與火星的觀測數(shù)據(jù)都吻合之后，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(jīng)去世4年了，開普勒對能否使用第谷的數(shù)據(jù)問題與第谷繼承人發(fā)生爭執(zhí)，一直到1609年才出版《新天文學(xué)》一書和《論火星運動》一文，公布了這兩個定律。之后，開普勒在編制星表時，用了9年的時間，發(fā)現(xiàn)了行星公轉(zhuǎn)周期和軌道大小之間存在著關(guān)系：行星公轉(zhuǎn)周期的平方同行星軌道半長徑的立方之比是一個常數(shù)。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(jié)果，這是非常大膽的創(chuàng)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(xué)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(jù)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(yuǎn)鏡。1610年1月，伽利略發(fā)現(xiàn)有4顆衛(wèi)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(fā)生于1610年9月，伽利略發(fā)現(xiàn)金星像月球一樣會出現(xiàn)周期性的盈虧變化。金星的位相變化正是日心說所預(yù)測的，托勒密模型則完全無法解釋。在伽利略公布了這一發(fā)現(xiàn)后，大部分天文學(xué)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(fā)現(xiàn)也在顛覆著天文學(xué)的傳統(tǒng)觀念。伽利略發(fā)現(xiàn)月球表面起伏不平，布滿了坑洼，這與天體都是由完美無缺、永恒不變的物質(zhì)組成這一傳統(tǒng)觀念直接沖突，說明天體可能是由和地球一樣的物質(zhì)組成的。伽利略還發(fā)現(xiàn)，用望遠(yuǎn)鏡看來，行星都是有確定形狀的圓盤，但是恒星卻仍然看不清形狀，這說明恒星與地球的距離要比行星遠(yuǎn)得多，宇宙比托勒密模型認(rèn)為的浩瀚得多。此外，伽利略還發(fā)現(xiàn)銀河其實是由無數(shù)恒星組成的，恒星的數(shù)量比以前認(rèn)為的多得多。

如果日心說是正確的，那么不僅地心說是錯誤的，亞里斯多德的物理學(xué)也出了問題。亞里斯多德物理學(xué)認(rèn)為，運動或不動是物體的內(nèi)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，運動并非物體的內(nèi)在屬性，而是外在的過程，地球在這方面與天體并無不同。而且，物體一旦運動起來，不靠外力也能持續(xù)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?yōu)槭裁从X察不到地球在自轉(zhuǎn)。

但日心說當(dāng)時還遺留了一個問題沒有解決。如果地球圍繞著太陽公轉(zhuǎn)，在公轉(zhuǎn)軌道的不同位置上觀測恒星，應(yīng)該看到恒星在天球上的位置發(fā)生了變化，出現(xiàn)了視差。由于恒星的距離極為遙遠(yuǎn)，不僅肉眼看不到恒星視差，早期的望遠(yuǎn)鏡也看不到。直到1838年，德國天文學(xué)家貝塞耳(1784-1846)才用太陽儀首次觀測到恒星視差，證明了地球的確在圍繞著太陽公轉(zhuǎn)。1851年，法國物理學(xué)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(zhuǎn)。19世紀(jì)的這兩個觀察為地球的兩種運動提供了直接證據(jù)，從而最終證明了日心說的正確——當(dāng)然，這時候科學(xué)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(xué)界之外，日心說并沒有取得完全的勝利。許多人仍然習(xí)慣于把地球當(dāng)成宇宙的中心。2005年的一項調(diào)查表明，1/5的美國人相信地心說。這很大程度上可能是由于無知。也有一些受過良好教育的人由于宗教原因堅持地心說。有一個叫“圣經(jīng)天文學(xué)家聯(lián)合會”的國際組織，據(jù)說在二十幾個國家都有會員，負(fù)責(zé)人有天文學(xué)博士學(xué)位。他們認(rèn)為，地心說才符合基督教《圣經(jīng)天文把地心說當(dāng)成了宗教信仰，卻要為其找科學(xué)依據(jù)，出了一本 “學(xué)術(shù)”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(xué)人士認(rèn)為科學(xué)無所謂對錯，日心說并不比地心說更正確、更科學(xué)。比如有人說：“究竟是地球繞著太陽轉(zhuǎn)，還是太陽繞著地球轉(zhuǎn)？即使牛頓力學(xué)，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(zhuǎn)。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(xué)說是不是科學(xué)？”其答案是托勒密的天文學(xué)也是科學(xué)。

用運動的相對性并不能把水?dāng)嚋啞Ｈ绻麅H僅考慮地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)的情形，以地球為參照系還是以太陽為參照系固然沒有區(qū)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(rèn)為太陽(以及其他行星、恒星)的東升西沉是在圍繞著地球旋轉(zhuǎn)，其實是地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)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(yù)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(shù)學(xué)模型，不能反映行星運動的實際狀況，已被更仔細(xì)的觀察所否定，成了錯誤的理論，當(dāng)然也不成其為科學(xué)。

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