牛津通识读本：科学革命 [6]
观测背景
希腊人开创了一项长远的事业：从物理和数学两方面解释天界的运动。这些运动要比今天大多数人所认为的更加复杂和有秩序。每个人都熟知天体的每日升落。天界的一切星体——太阳、月球、行星、恒星——每天升落一次，自东向西穿越天穹。天界的其他运动则要求更加耐心的观测。恒星之所以被称为“恒星”，是因为它们并不相对于彼此运动，而且每隔不到24小时就会回到天空中的同一位置。这就意味着，每颗恒星每晚都比前一晚早升起来一段时间（约四分钟）；因此，你如果在每晚的同一时间观察天空，就会发现，诸星座每晚都会沿着巨大的圆弧缓慢运转；假如你在北半球，这些圆弧的圆心就是那颗永不移动的星——北极星，它位于小熊座的尾端。要想在夜晚的同一时刻看到恒星又回到原先的位置，就得等上一年。由此给人留下的印象是，恒星镶嵌在一个巨大的球壳上，该球壳每隔23小时56分钟绕地球旋转一周。
太阳运行得更慢一些，绕行一周需要整整24小时，这意味着它每天都要改变与恒星的相对位置，相对于恒星背景自西向东缓慢运行，需要一年时间才能回到同一颗星的附近。月球的运动与此类似，但要明显得多。它每晚比前一晚迟升起50分钟，因此你如果接连几晚在同一时间寻找它，就会发现它每晚都向东走了一段距离（不妨试试！）。29天后，月球又回到了初始位置。行星的运行也大同小异，但路径更为曲折怪异，这强烈吸引着人们去寻求解释。在大多数时间里，行星就像太阳和月球一样，相对于恒星背景自西向东缓慢移动。但每隔一段时间，行星就会慢下来，停住不动，转而朝相反方向自东向西运行。这种现象被称为逆行。再过一段时间，行星再度停下来，掉转方向继续常规的运动。
古希腊人把太阳、月球、水星、金星、火星、木星和土星这七个看起来相对于固定的恒星背景移动的天体称为“行星”（意思是“漫游者”）。但行星不会漫游得太远，它们的运动局限在天上狭窄的黄道带中。黄道被分为等长的十二段，每一段都包含一个星座或“宫”，比如白羊座、金牛座、双子座等等。于是，随着诸行星相对于恒星背景作各自的运动，它们就好像沿着黄道带从一个宫运行到下一个宫。一个人所属的“宫”就是他出生那天太阳“所在”的黄道宫。我们很快会讨论更多有关占星学的内容。
历史背景
柏拉图确信，天界是按照和谐的数学法则运行的。他的灵感来自于毕达哥拉斯学派的观点，该学派是一个秘密宗教团体，认为数学——数、几何图形、比例与和谐——同时是宇宙和有序生活的真正基础。对于柏拉图和近代以前受他影响的人而言，造物主是一位几何学家。然而，行星的不规则运动似乎与一个有序数学世界的观念相悖。因此柏拉图声称，行星的运动仅仅看上去是不规则的，我们凭借肉眼无法看到其背后的神圣规律。由于柏拉图认为圆是最为完美和规则的形状，圆周运动是无始无终的从而是永恒的，因此他要他的学生用匀速圆周运动的组合来解释行星的可见运动。这一要求启发着两千多年来的天文学家。
柏拉图的学生欧多克斯提出了一种宇宙模型，它由以地球为中心的一系列同心球（宛如一层层洋葱皮）所组成。每个天球匀速旋转，但每颗行星都会获得若干天球的运动，这些运动组合起来（大致）就是行星的视运动。欧多克斯体系是一个数学模型。他并不关心天界在物理上如何运作，也不在乎天球是否真的存在，关键是用数学来说明现象。而亚里士多德则试图建立一个物理模型。他把欧多克斯的天球变成了实在的坚固物体，这些天球实际携带着行星旋转；他还解释了运动如何像天界机械装置的齿轮一样从一个天球传到下一个天球。亚里士多德的功绩在于将天文学和物理学和谐地结合起来（图2）。
同心球模型的问题在于不能精确地解释天文观测，例如行星的亮度会发生变化，就好像它们时近时远，四季长度也不尽相同。这一切都无法用以地球为中心的同心球模型来解释（图3）。
后来的天文学家试图解决这些问题，其顶峰是托勒密（约90—约168）的体系。为了解决季节不等的问题，托勒密引入了偏心圆：也就是说，他把地球移出了中心。在他的体系中，每一个天球都有自己的中心，其中没有一个与地球重合。
图2 亚里士多德同心球模型简化版本的剖面图
图3 假如地球位于太阳天球的中心，太阳的周年视运动将被分成四段等长的弧，使四季等长。但事实上夏天比冬天更长；（右图）托勒密的偏心地球模型将太阳的轨道分成四段不等的弧，对应于长度不等的四季。这种安排还解释了为什么太阳在夏天似乎移动得更慢：因为那时太阳离地球更远。
为了更好地说明行星的位置并解决行星亮度变化的问题，托勒密引入了本轮（图4）。每颗行星都沿一个小的圆形轨道运行，轨道中心在一个环绕地球的大圆（均轮）上运动。本轮和均轮的运动组合极好地解释了行星表观的环圈路径，行星在运动过程中有时会靠近地球，因而显得更亮。
托勒密体系能够很好地预言行星的位置，但它更多地是一个数学模型而非物理模型。亚里士多德物理学认为重物会落向宇宙的中心，因此球形的地球位于宇宙中心，重物会下落。但托勒密模型中的地球不在中心，它为什么不会移向中心呢？重物为什么会落向宇宙中心之外的某个地方？数学模型与物理体系之间的这种不一致困扰着中世纪的阿拉伯学者，而在当时的欧洲，
图4 托勒密为行星设计的本轮和均轮。行星在本轮上（从地球的北极俯视）逆时针运行，同时本轮在均轮上也作逆时针运动；（右图）由本轮和均轮运动合成的行星视运动。行星位于均轮外侧时显得暗一些，并且自西向东运行；行星位于内侧时因为更近而显得亮一些，最靠近地球时会自东向西运行（逆行）。
亚里士多德和托勒密的工作还不为人知。伊本·海塞姆（或称阿尔哈增，约965—1040）采取了一个折衷方案。他的体系含有以地球为中心的天球，这会使物理学家感到满意。但这些天球坚实而有厚度，足以容纳不以地球为中心的环状通道，行星在这些环状通道中沿着本轮和均轮运行，从而解释了观测到的现象（图5）。
中世纪的欧洲天文学家继承了这些观念和问题，和他们的阿拉伯同行一样继续完善和更新这一体系，以求最精确地预言行星的位置，偶尔也会试图构建一个在物理上令人满意的体系。
图5 普尔巴赫所普及的对伊本·海塞姆有厚度的天球模型的改进，它进入了15世纪的天文学标准教科书——萨克罗博斯科的《天球论》及后来的版本。该图取自1488年的威尼斯版，描绘的是太阳天球。
近代早期的天文学模型
尼古拉·哥白尼（1473—1543）一生中的大部分时间都在担任弗劳恩堡（今波兰境内的弗龙堡）大教堂的教士，这是一个行政性质的圣职。他曾在博洛尼亚大学学习教会法，在帕多瓦大学学习医学，1503年在费拉拉大学获得法学博士学位。在博洛尼亚期间，哥白尼开始研究天文学，到了1514年左右，他写了一份思想概要，声称行星系统的中心不是地球，而是太阳。在他的日心体系中，地球每日绕轴自转一周，这产生了人们所熟悉的一种表象，即整个宇宙绕地球旋转。太阳沿黄道的运动实则是一种假象，其真正原因是地球的绕日运动。观察所见的火星、木星、土星的“环圈路径”和逆行并非缘于它们自身的运动，而是缘于我们地球的运动与它们各自绕日运动的叠加（图6）。只有月球是绕地球运转的。
哥白尼的工作以手稿形式流传，这足以确立他作为天文学家的声誉。1515年，教会的一个委员会希望改革从罗马时代沿用下来、需要彻底改变的旧儒略历，于是写信征求哥白尼的意见。（哥白尼回复说，首先需要更加精确地确定太阳年的长度。）然而，哥白尼并未发表自己对天文学体系的完整阐述。在超过25年的时间里，他一直在完善该体系，要不是几位显要的教士催促他，其成果可能永远都不会发表。例如，1533年，教皇的私人秘书维德曼施泰特讲述了哥白尼体系，教皇克雷芒七世和一些红衣主教听后甚为高兴。卡普亚的红衣主教舍恩贝格写信给哥白尼：
图6 哥白尼对某颗“更高的”行星即外行星（火星、木星、土星）逆行运动的解释。当地球行经其中一颗外行星时，就会造成“环圈路径”的假象。
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，……还听说您为这一整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。
然而哥白尼依旧含糊其辞，忙于大教堂教士的职守，表示害怕别人批评他的体系过于新颖。
1538年，维滕贝格大学的梅兰希顿派年轻的天文学教授格奥格·约阿希姆·雷蒂库斯来哥白尼这里学习。雷蒂库斯编写发表了一份哥白尼思想的概要，反响很好，哥白尼终于同意发表其完整的手稿，并交由雷蒂库斯出版。雷蒂库斯接手了这项任务，但不久以后他在莱比锡找到了一份工作，遂把出版之事交由路德教牧师奥西安德尔负责。奥西安德尔完成了出版工作，《天球运行论》终于在1543年问世——哥白尼在临终前看到了这本书。
该书的问世并没有招来哥白尼担心的那种批评。不少人读了它，但几乎没有人真正相信。直到16世纪末，坚定的哥白尼主义者可能不过十几人。这是为什么？因为哥白尼的日心体系并不比地心体系更好地符合观测数据，在物理上也没有更简单。事实上，为了让他的体系与观测相符，哥白尼不得不保留本轮，并且让太阳偏离中心。更严重的是，地球运动的观念与基本的物理学、常识乃至可能与《圣经》相抵触。像地球这样的天体自然会落到最低处，即宇宙的中心——这一“自然位置”原理解释了重物为什么会下落。那么，整个地球如何可能悬在离中心这么远的地方呢？常识表明我们并没有在运动。为了每天转一圈，地球必须转得很快，但我们对这种运动浑然不觉，飞鸟和云朵也没有因为地球在其下方高速旋转而落在后面。一些中世纪思想家曾经探讨过地球旋转的可能。尼古拉·奥雷姆（约1325—1382）断言，所有运动都是相对的，如果没有参照点就不可能确定究竟是地球在旋转还是天在旋转。他最后总结称，地球静止而天界运