牛津通识读本：科学革命 [8]
开普勒在1595年7月19日的课堂上突然意识到，假如在圆内作一个内接正多边形（如正三角形、正方形、正五边形等等），再在这个正多边形内作一个内切圆，那么我们就得到了两个圆，其相对大小是由正多边形的种类决定的。兴奋不已的开普勒开始计算由不同正多边形所决定的比值，看其中是否有某个比值与行星到太阳的距离之比相符合。但他失败了。不屈不挠的开普勒又用球体和正多面体代替了圆和正多边形。这一次，通过将球体和正多面体以适当顺序套起来，开普勒得出，球体的相对大小符合哥白尼理论所给出的行星到太阳的相对距离。不仅如此，由于正多面体（所有面全等的五种所谓的柏拉图立体，即正四面体、立方体、正八面体、正十二面体和正二十面体）只有五种，因此被它们隔开的球体有且只有六个，从而行星的数目不多不少就是六颗。对于开普勒而言，这一发现令人敬畏。他找到了行星数目和距离何以如此的原因，揭示了天界的几何结构，其优雅和美正是哥白尼体系的最佳证明。这一惊人关联不可能出于偶然；开普勒发现了上帝创造天界时所使用的数学方案。
开普勒例证了近代早期典型的人类探索的统一性。神学研究与科学研究并不截然分离：研究物理世界意味着研究上帝的创造物，研究上帝则意味着了解世界。其实，开普勒之所以确信哥白尼的学说，部分是因为日心宇宙为三位一体提供了物理上的对应：位于中心的太阳象征圣父，接收和反射太阳光的恒星天球象征圣子，两者之间充满光的空间则象征圣灵（在神学上代表圣父和圣子之间的爱）。开普勒及其同时代人援引自然之书和《圣经》这两本大书的观念，确信上帝在创造的世界中植入了有待人们发现的讯息。于是，在自然之书中解读出讯息这一神学动机为整个近代早期的科学研究提供了最大的驱动力。
开普勒在《宇宙的神秘》（1596）一书中宣布了他的发现，并且给第谷·布拉赫寄了一本。第谷邀请开普勒与之合作，开普勒起初谢绝了，但在第谷到鲁道夫二世皇帝在布拉格的宫廷担任皇家顾问之后，开普勒于1600年投奔了他。第谷于次年去世，鲁道夫二世让开普勒接任皇家数学家一职。第谷曾让开普勒研究火星的运动，开普勒长期竭力寻找一条与第谷的观测结果相符的轨道，最终得出了一个惊人的结论。他发现，只有让火星沿着椭圆轨道而不是圆轨道运动，火星的位置才能得到最好的解释。这样一来，开普勒不得不无奈地与两千年来以圆周为基础的天文学传统决裂。不过，既然（用开普勒的话说）第谷“打碎了水晶天球”，又是什么把行星维持在椭圆轨道上运行呢？开普勒假定太阳之中有一种“致动灵魂”（anima motrix），这是一种能够推动行星的力量。和太阳光一样，这种力量随着距离的增大而衰减，因而距离太阳越远，行星运动就越慢。开普勒援引威廉·吉尔伯特（1544—1603）有关地球是个巨大磁体的新近断言（见第四章），假定太阳能够发出第二种力量，它与磁力类似，在某些地方吸引行星，在另一些地方排斥行星。致动灵魂与“磁”性共同作用，使行星无须天球带动就能沿着椭圆轨道运行，被拉近太阳时运动得快些，被推远时运动得慢些。虽然开普勒放弃了匀速圆周运动，但他兴奋地发现了另一种均匀性——“等面积定律”——来取而代之，即当行星运动时，太阳与行星的连线在相等时间内扫过相等的面积。同样，虽然开普勒协助瓦解了亚里士多德的宇宙，但他仍在《哥白尼天文学概要》一书的副标题中指明它是亚里士多德《论天》的“补遗”。连续与变化兼有、创新与传统并存正是近代早期自然哲学的典型特征。
望远镜和地球的运动
第谷用裸眼观测天象的能力无人能及，而他也是最后一批这样做的人之一。当开普勒埋头计算时，伽利略·伽利莱（1564—1642）听说荷兰人发明了一种能使远处物体显得更近的仪器，便亲自作了改进，并于1609年将其指向了天空。几乎每把镜筒（occhiale，后称作望远镜）指向一处，伽利略都会有新的发现。他发现月球表面布满了山脉、峡谷和海洋——换言之，月球看上去与地球非常相似，因此也是由四元素而非亚里士多德所说的第五元素组成的。他发现木星周围有四颗卫星，宛如一个小的行星系统。伽利略根据托斯卡纳大公科西莫二世·德·美第奇之名将这些卫星命名为“美第奇星”，从而使自己名利双收。伽利略发现土星的形状很奇怪，看起来就像是三个连在一起的球体。他还发现金星像月球一样会显示出位相。最后这项发现第一次有力地反驳了托勒密体系，因为在托勒密体系中，金星总是位于太阳与地球之间，因而最多只能呈现出新月形。伽利略观测到了新月形的金星和满的金星，这表明金星必定时而处于我们和太阳之间，时而远在太阳的另一侧，简而言之，金星围绕太阳运转。从此以后，天文学家只能在第谷体系与哥白尼体系之间进行选择（图7）。于是，这两个体系之间唯一的分歧，即地球是否运动，就成了天文学家最为关切的问题。
图7 里乔利《新天文学大成》（1651）卷首象征性的插图比较了三种世界体系。正义之神阿斯特莱亚正在权衡哥白尼体系和里乔利体系（对第谷体系作了些微调整），托勒密则斜倚在自己已遭抛弃的体系那里。画面上方的小天使手拿行星，显示出新近的发现：水星和金星的位相、月球的粗糙表面、木星的卫星以及土星的“把手”。上帝之手赐福于世界，伸出的三根手指旁标着“数、重量、量度”（《智慧书》11：20），象征着造物的数学秩序。
伽利略迅速出版了《星际讯息》一书，公布了他用望远镜获得的第一批发现，并将这本书与望远镜一道寄给了全欧洲的天文学家和统治者。许多人难以看到伽利略所描述的现象，因为望远镜的放大倍数不高，光学系统很差，难以使用。罗马的耶稣会天文学家提供了关键支持，他们证实了伽利略的观测结果并且继续作出观测，还在1611年举办盛宴向伽利略表示敬意。罗马学院的资深成员克里斯托弗·克拉维乌斯（1538—1612）是欧洲最受尊敬的数学家之一，他设计了教皇格里高利十三世于1582年开始施行（持续至今）的格里高利历；他写道，伽利略的发现要求人们重新思考天界的结构。虽然克拉维乌斯和许多其他人坚持地心说，但一些年轻的耶稣会天文学家可能转向了日心说。然而，这些友好的交往没有继续下去，因为伽利略与两位耶稣会天文学家发生了争论（他在其中常常显得无礼）：一是与克里斯托弗·沙伊纳争夺发现太阳黑子的优先权并且争论黑子的本性，二是与奥拉齐奥·格拉西争论彗星（格拉西支持第谷的观测，认为彗星是天体，而伽利略坚持说彗星是月下世界的视觉幻觉）。
在科学史上，“伽利略与教会”这一情节变成了最大的神话，遭到了最严重的误解。这些事件缘于一系列纠缠不清的思想、政治和私人因素，它们极为错综复杂，历史学家至今仍在试图厘清。这并不单单是“科学与宗教的冲突”问题。教会内外兼有伽利略的支持者和反对者。与事件有密切关系的因素包括：情感受到冒犯、政治上的阴谋、解释《圣经》的资格、未占天时地利以及被不同教派裹挟。最后一个引爆因素是，伽利略于1632年出版了《关于两大世界体系的对话》，这本书对托勒密体系和哥白尼体系作了比较，并且明确把后者当成正确的，声称地球在运动。伽利略的主要证据是，他认为地球的运动引起了潮汐；在这一点上他完全错了，尽管说地球在运动是正确的。究竟哪一个体系是正确的，与教会本无直接利害关系；地心说和亚里士多德主义都不是教会的教条。然而，《圣经》解释的确与教会休戚相关，不仅地球运动对解释《圣经》有所暗示，而且伽利略在17世纪10年代初为了支持自己的观点更是莽撞地涉足其中。这种对《圣经》的随意解读就像是当时的新教为了拒斥传统解释而许可教徒作出对自己有利的解读。结果，1616年教会要求伽利略把日心说和地球运动的观点当作假说，在找到强有力的证据之前不得认为它们真正正确；伽利略同意了。1624年，伽利略从他的朋友、当时已是教皇乌尔班八世的马费奥·巴贝里尼那里得到了写作《对话》的许可，条件是伽利略要在书中申明教皇在方法论上的观点，即自然现象（如潮汐）可能有若干种原因，其中一些是不可知的，因而我们不能绝对确定地把现象归于某单一原因。伽利略照做了，但只是借一个自始至终扮演傻瓜的角色之口在书的末尾表达了这种观点。伽利略还“忘了”把自己1616年答应教会的事告诉乌尔班。该书（经教廷审查人员的许可）出版后，一切大白天下，乌尔班大发雷霆，感觉自己受了欺骗和羞辱。更糟的是，乌尔班正被当时关于三十年战争的外交谈判、日益强烈的批评、废黜他的阴谋以及有关他即将死去的谣言弄得焦头烂额，原本并不足道的恼火被激化了。宗教裁判所为伽利略拟了一份认罪辩诉协议，建议把伽利略遣送回家并稍作惩罚，但盛怒之下的教皇拒绝了，他坚持要严惩伽利略以警戒他人。伽利略被要求发誓放弃地动说（伽利略照做了），其著作也被教会查禁。值得注意的是，几位红衣主教，包括乌尔班的侄子，都拒绝在对伽利略的判决书上签字。伽利略从未如民间传说中那样被判为异端，遭到关押或囚禁。
最终，伽利略被判软禁于他在托斯卡纳山的别墅中。他在那里继续工作、教学，并且写出了或许是他最重要的一本著作——《两门新科学》。很难说教会对伽利略的判决究竟产生了多大影响。一方面，它使一些自然哲学家对自己的哥白尼主义信念三缄其口。例如，听到伽利略受谴责的消息后，勒内·笛卡尔（1596—1650）将一本刚刚完成的支持日心说的著作藏了起来。像耶稣会士这样担任天主教圣职的人如今不再能够公开支持哥白尼的学说，因此转向了第谷体系或其变种（图7），尽管有时是阳奉阴违。另一方面，在意大利和其他天主教国家，包括天文学在内的科学研究仍然继续着，尽管有时需要回避敏感话题。
继前两代人的观念剧变之后，17世纪中叶的天文学进展更多是在观测和技术方面，而非理论方面。法国神父皮埃尔·伽桑狄（1592—1655）于1631年第一次观察到了水星凌日，1630年辞世的开普勒曾经预言过该现象。改良后的望远镜带来了新的发现和更准确的测量，但由于需要避免球面像差和色差，望远镜造得越来越长、越来越笨重，有的甚至长达60