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第23章 天文物理学的发展历程(3)

除了这篇序之外,《天体运行论》还有另外一篇别人写的前言。哥白尼当时已重病在身,辗转委托教士奥塞安德尔吉办理排印工作。这位教士为使这书能安全发行,假造了一篇无署名的前言,说书中的理论不一定代表行星在空间的真正运动,不过是为了编算星表、预推行星的位置而想出来的一种人为的设计。

这篇前言里说了许多称赞哥白尼的话,细心的读者很容易发现这是别人写的,然而,这个“迷眼的沙子”起了很大的作用,在半个多世纪里,骗过了许多人。

1543年5月24日,垂危的哥白尼在病榻上见到了《天体运行论》的样书。据说他只摸了摸书的封面,便与世长辞了,终年70岁。

《天体运行论》发表后,遭到了马丁·路德的反对和责难,他把哥白尼叫做“想要把天文学这门学科弄颠倒”的蠢人,但并未引起罗马教廷的注意。70年后的1616年被罗马教廷列为禁书,300年后才解除禁令。

恩格斯在《自然辩证法》中对哥白尼的《天体运行论》给予了高度评价:“自然科学借以宣布其独立并且好像是重演路德焚烧教谕的革命行动,便是哥白尼那本不朽著作的出版,他用这本书(虽然是胆怯地而且可说是只在临终时)来向自然事物方面的教会权威挑战,从此自然科学便开始从神学中解放出来。”现代科学史家一般把《天体运行论》出版的1543年作为近代科学的诞生年。

当然,哥白尼的日心说也有其时代局限性。例如,他认为行星的轨道是圆,宇宙是有限的球等。但这无损于它的伟大。它的这些局限性在后来的开普勒等人那里得到了克服。

(第三节 )哥白尼日心说的传播

哥白尼的日心说提出后,受到很多人的反对,其中包括一些科学丁作者。因为它不但与经典的思想相抵触,而且与人们的日常经验不符。甚至在某些方面它与天文观测的相符性还不如地心说(主要是由于没认识到行星运动为椭圆轨道所致)。但它简单、和谐的优越性还是得到许多进步人士的拥护。

这样,围绕日心、地心的争论一直都很激烈,直到牛顿力学的建立,恒星光行差、视差的发现,日心说才得以取代地心说,为人们普遍接受。然而,在这争论的100多年里,哥白尼的日心说经历了一条非常曲折的道路。从布鲁诺到伽利略,许多人为了宣传和传播它而触怒了教会。布鲁诺还为此付出了生命。

布鲁诺

布鲁诺1548年出生于意大利诺拉城一个破落的小贵族家庭。10岁左右,父母把他送到一所私立的人文主义学校念书。15岁时,他成为意大利天主教多米尼克派的修士,进了修道院。在修道院学习神学的同时,他也刻苦钻研古代希腊罗马的语言文学和东方哲学。布鲁诺在修道院学校学习达10年之久,毕业时获得神学博士学位和神甫的教职,成为当时有名的学者。

在修道院学习期间,布鲁诺与文艺复兴时期的人文主义者交往密切,有机会系统地阅读了不少禁书。在读到哥白尼的著作后,他特别为哥白尼的太阳中心说所吸引,并为哥白尼著作中严谨的逻辑和精辟的论证所倾倒。此后他逐渐对宗教产生了怀疑。

他认为,教会关于上帝具有“三位一体”性的教义是错误的,有一次他甚至还把基督的圣像从自己的房中扔了出去。他还写文章批判《圣经》。他的这些离经叛道的言行激怒了教会,被教会开除教籍。但他毫不动摇,为躲避教会的迫害,他毅然决然地离开了修道院。年轻的布鲁诺成为哥白尼日心说的热心宣传者,走上了为捍卫和宣传哥白尼学说而奋斗到底的道路。

1576年,28岁的布鲁诺开始了在欧洲各国的流浪生活。先是在祖国意大利的北部,后来先后在瑞士、法国、英国、德国、捷克等地待过。在这期间,他以非凡的精力宣传和捍卫哥白尼的日心说,并在此基础上提出了自己的关于宇宙无限性和统一性的新理论。他的重要著作有:《论原因、本原和统一》、《论无限性、宇宙和诸世界》、《论三种极少和限度》、《论单子、数和形》等。

前面我们曾说到,哥白尼的日心说有两大局限,其中之一就是它认为宇宙是有限的。这一点在思想上被布鲁诺克服了。布鲁诺认为,宇宙无论在空间和时间上都是无限的。地球不是宇宙的中心,太阳也不是宇宙的中心,太阳只是太阳系的中心。整个宇宙根本就没有中心,也没有界限。宇宙中有无数的太阳,而围绕它们运行的是无数的行星。

他还认为,宇宙统一于不生不灭的物质。自然界有内在的创造本身的能力。不过由于时代的局限,布鲁诺不得不给自然涂上一层神的外衣,但他把神的外衣给自然披上后,就再也不谈神了。他具有神即自然、自然即神的泛神论思想。

应该说,布鲁诺并不是一位天文学家,而是一位哲学家,他的理论并不是建立在天文观测的基础上,更多的是哲学上的思辨和猜测。然而他的理论却是文艺复兴时期自然哲学的最高峰。尤其是他的宇宙无限的思想,超越他的时代太多了,以至当时的人无法理解。它是人类宇宙观的一次革命,也成了300多年后现代宇宙论的思想先驱。

布鲁诺在十几年的流浪生活中,经常和教徒辩论,批判、讥讽僧侣和教会。他杰出的才能和广博的科学知识受到科学家们的称赞。但由于舌锋如剑,大大地伤害了教会的虚荣和僧侣的自尊,因此,他仇人多于朋友。罗马教廷也对他到处宣传日心说和他的新宇宙观非常恐惧和仇恨,把他视为眼中钉,必欲置之死地而后快。

1592年5月22日,布鲁诺回到威尼斯,被人出卖,被威尼斯当局逮捕。威尼斯政府开始不想把他交给教会,但后来怕得罪罗马教廷,还是把他交给了罗马宗教裁判所。

布鲁诺在罗马被关押了3年多之后,宗教裁判所才开始审讯他。教会控告他否认神学真理,反对《圣经》,把他视为头等要犯。先后两任红衣主教都要处死他。但教会关押布鲁诺的目的还是要迫使他低头认罪,放弃自己的观点,向教会忏悔,屈膝投降。罗马教廷想摧毁这面旗帜,肃清他的影响,以此来重振教会的声威。但布鲁诺拒不认罪:“我不应当也不愿意放弃自己的主张,没有什么可放弃的,没有根据要放弃什么,也不知道需要放弃什么。”

布鲁诺在长达8年之久的监狱生活中,受尽酷刑,但丝毫没有动摇自己的信念。他说:“一个人的事业使他自己变得伟大时,他就能临死不惧。”“为真理而斗争是人生最大的乐趣。”

1600年2月17日,是科学史上一个无比黑暗的日子。这一天,布鲁诺被宗教裁判所处以火刑,烧死在罗马的鲜花广场上。临终时他说了两句话,第一句是当他以轻蔑的态度听完判决书后,正义凛然地说:“你们对我宣读判词,比我听判词还要感到恐惧。”第二句是火刑架下燃起熊熊烈火,刽子手举着火把问:你的末日已经来临,还有什么要说的吗?布鲁诺回答:“黑暗即将过去,黎明即将到来,真理终将战胜邪恶!火,不能征服我,未来的世界会了解我,会知道我的价值。”52岁的布鲁诺在熊熊烈火中英勇就义。他成为近代科学史上的第一个殉难者。

他死后,教会害怕人们抢走这位伟大思想家的骨灰来纪念他,就匆匆忙忙把他的骨灰连同泥土一起抛撒在台伯河中。

然而,真理是不死的。随着科学的发展,在布鲁诺牺牲289年后的1889年,罗马教皇不得不亲自出面,为布鲁诺平反并恢复名誉。同年6月9日,人们为了纪念这位献身科学的勇士,在他被焚烧的罗马鲜花广场上树立了一座他的铜像。每年2月17日这一天,一群群真诚的人们手捧鲜花拥向铜像,纪念这位为捍卫科学真理而英勇献身的先驱者。

第谷与宇宙体系

哥白尼死后三年,在丹麦诞生了一位卓越的天文观测者——第谷,后来他成为近代天文学的奠基人之一。虽然他在宇宙观上并不完全赞成哥白尼的日心说,然而正是他的天文观测工作对哥白尼日心说的巩固和发展起了重要的作用。

1546年12月14日,第谷出生于丹麦的克努兹斯图普(今属瑞典)的一个贵族家庭。

1559年进哥本哈根大学学习法律。

1560年,哥本哈根地方观象台预报8月21日在当地可以看到一次日食。第谷根据预报,果然在那天清楚地看到了日食的全过程。他非常佩服预报的准确性,从此对天文学产生了浓厚的兴趣。

1562年,第谷入莱比锡大学。

1563年8月他做了第一次天文记录——木星合土星。

1565年以后,到欧洲许多地方游学。

1566年进入德国罗斯托克大学攻读天文学。

1570年,第谷在舅舅的资助下建立了一座天文台,开始了天文观测事业。

1572年11月11日夜间,第谷正在像往常一样观测(那时还没有望远镜,第谷主要用肉眼观测)繁星闪烁的天空,突然他发现仙后座中有一颗前所未有的“新星”。他连续观察了1年4个月,目睹它一夜夜亮起来,又一夜夜暗下去,详细地记录了它的色泽、光亮和各种变化。经过长期的观测,他认为,这是一颗十分遥远的星(现已测知是银河系的一颗超新星)。这就给当肘经典权威的天空完善不变的观点以有力的驳斥。发现超新星是第谷一生所取得的重要成就之一。后人为了纪念他,把这颗新星叫做第谷星。

第谷的《新星》这篇论文出来后,他在天文学界一下子声望大振。丹麦国王腓特烈二世十分赏识第谷的才能,聘他为皇家天文学家,并拨巨额专款在弗恩岛上替他修建了一座华丽的天文台——乌伦堡天文台,意思是“天文之城”。这是欧洲第一座近代天文台,设有四个观象台,一个图书馆,一个实验室,装备了当时最全最新的观测仪器。

第谷在那里工作了20多年。在这20多年的时间里,他于1577年观测到了慧星,并确认慧星是一个比月亮远得多的天体,这又一次打击了关于天界完美的观点,因为当时经典权威认为慧星只是大气现象。此外还发现了许多新的现象,如黄赤交角变化,月球运行的二均差,以及岁差的测定等。更重要的是他积累了大量有关行星运动的数据资料,为后来开普勒发现行星运动规律奠定了坚实的基础。可以说第谷的工作达到了肉眼观测的最高峰,被后世称为“星学之王”。

第谷是一位十分注重实际的学者,他认为,理论应该与实践结果相符。对待哥白尼的日心说,他也始终持这一态度。其实第谷很明白日心说的优点,倾心于它的“美丽的几何构造”。然而他希望日心说的理论能与他的观测结果相符。

前面我们说过,哥白尼日心说其中一大弱点就是:根据日心说理论应该存在恒星视差,而当时的实际观测却观测不到。哥白尼当年的解释是恒星太遥远了。其实哥白尼的这个解释是正确的,然而人们的生活常识却无法理解这个解释,似乎连哥白尼本人对此解释也不满意。

因而,第谷非常希望用自己的观测来证实哥白尼日心说的恒星视差问题。然而,事与愿违,经过长期的观测,第谷始终没有观测到恒星的视差(由于视差值很小,即使是第谷举世无双的肉眼也是无法观测到的,后人用精密的仪器才观测到)。

于是,第谷对哥白尼的日心说开始半信半疑起来。他提出了一个介乎托勒密的地心体系和哥白尼的日心体系之间的宇宙体系。他认为,地球在宇宙中心,静止不动,行星绕太阳转,而太阳则率领行星绕地球转。从结果上来看,第谷这个体系很显然试图调和科学与宗教神学之间的矛盾。但这个体系在欧洲没有流行,但在17世纪初传入中国后曾一度被接受。

1597年,腓特烈二世去世,新任丹麦国王取消了对第谷的资助,加上旁人的嫉妒,第谷被迫离开了他亲手建立的天文台,隐居哥本哈根。后来波希米亚皇帝路德福二世看中了第谷,以重金聘用,还专门在布拉格替他修建了一座天文台。

1599年,第谷来到布拉格继续从事他心爱的天文观测事业。但两年后,他就在布拉格去世,终年55岁。

在布拉格度过的人生最后两年,第谷在天文观测上并未取得重大的进展。然而,他最后这两年的经历却一直令后人津津乐道,后世有的科学史家甚至说,第谷最后这两年取得的成就比他此前几十年的更伟大。因为,正是在这最后的两年,第谷作为伯乐发现了一匹千里马,一匹将为天空立法的千里马。

开普勒和行星运动三定律

1601年10月24日傍晚,布拉格郊外,奄奄一息的第谷在一心考虑他未尽的事业。他那已经瘦得皮包骨的身躯躺在床上,两只深隐的眼睛死死地盯着床边的一个年轻人,上下嘴唇吃力地翕动,做了临终的嘱托。他说:“我一生之中,都是以观察星辰为工作,我想要得到一种标准的星表…现在我希望你能继续我的工作。我把所有的底稿都交给你,你把我观察的结果出版出来”年轻人考虑了片刻,点头允承下来。

这个年轻人就是后来被称为“天空立法者”的天文学家——开普勒。这时,他作为第谷的学生兼助手来第谷设在布拉格的天文台工作才刚刚一年多。

开普勒后来整整花了26年的时间,精心整理了第谷留下的底稿,并四处奔走筹集资金,终于使第谷的《鲁道夫星表》出版发行。实现了老师的遗愿。他还在第谷工作的基础上,经过反复思考、精心计算,最后得出了著名的行星运动三定律,让老师的遗稿发挥了更大的作用。

1571年12月27日,开普勒出生于德国的符腾堡。初到人间时,他是一个7个月的早产儿。由于先天不足,他从小就体弱多病,后来又患上了猩红热和天花。特别是天花,不仅在他脸上留下了满脸麻子,而且还损伤了他的眼睛。所幸的是他智力发育很好,从小就聪慧过人,善于思考。12岁时入修道院学习。

1587年,他进入蒂宾根,在校中遇到秘密宣传哥白尼学说的天文学家麦斯特林。在他的影响下,开普勒很快成为哥白尼学说的忠实维护者。

1591年获文学硕士学位,后曾想当路德教派牧师而学神学。但1594年他得到大学的有力推荐,中止了神学课程,去奥地利格拉茨的路德派高级中学任数学教师。在那里他开始研究天文学。

1596年,当他25岁时,出版《宇宙的神秘》一书而受到第谷的赏识。

1600年,正是布鲁诺为科学而献身的那一年,开普勒应邀成为第谷的助手,开始与第谷合作。他们的合作,是科学史上的一件大事,它意味着经验观察与科学理论在天文学上的结合。同时他们的合作也是科学史上科学合作的美妙范例。因为第谷精于观测而短于理论分析,开普勒善于抽象思维而不善于观测(因为视力受到过损伤),他们各有所长各有所短,结合起来取长补短,就导致了科学发现的重大突破。

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