方舟子：地球是不是宇宙的中心

2009年07月17日 23:26
来源：经济观察报

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方舟子

留美学者，生物化学博士

在哥白尼提出日心说的几十年间，几乎没有人接受他的观点。除了托勒密模型比它更实用外，还有宗教和哲学的原因导致人们排斥日心说。当时在西方国家占统治地位的天主教会支持地心说，很容易从他们信奉的基督教《圣经》里头找到依据。另一方面，地心说也更符合当时西方学者信奉的亚里斯多德物理学。不过，日心说模型对行星运动的解释更简单明了，这一优势仍不容忽视。丹麦天文学家第谷(1546-1601)试图把日心说的理论解释优势和地心说的实际观测优势结合起来，提出了一个调和模型。在第谷的模型中，地球仍是宇宙的中心，太阳和月球围绕着地球运动，但是其他的天体则围绕着太阳运动。

第谷被认为是天文望远镜发明之前最伟大的天文学家，手中掌握着当时最精确的行星观测数据，需要有人加以整理。1600年，德国天文学家开普勒(1571–1630)去第谷的天文台工作。分派到的活就是根据第谷的数据确定火星的运行轨道。开普勒对自己的数学能力非常自信，跟人打赌说用8天的时间就可以完工，但他远远低估了这项工作的艰巨性，事实上，他花了5年的时间才找到了答案。

开普勒一开始之所以如此自信，是因为他认为已发现了行星运动模型。和第谷不同，他坚信日心说。起初，开普勒像哥白尼那样认定行星在做匀速圆周运动，但是采用哥白尼所反对、托勒密使用的偏心圆方法来求解火星轨道模型。在经过大约70次尝试后，终于让火星轨道和观测数据基本吻合。但是这个模型很繁琐，而且结果还有一点误差。对此，开普勒仍不满意。他开始意识到无法找到一个符合第谷的观测数据的圆形轨道，就试着把轨道用卵形来表示。

如果火星的轨道不是圆形，它与太阳的距离就是变化的。开普勒认为，是太阳发出的力在推动着行星运动，它们之间的距离越远，推动力越弱，运动速度就越慢。在远日点速度应该最慢，而在近日点速度应该最快。这样，在开普勒看来，行星就不是在做匀速运动了，不过他仍然想找到某种类似匀速的东西，认为火星在轨道上速度最慢与最快的这两点，与太阳的连线在相等时间内所扫过的面积相等。他进而把这个结论推广到轨道上的所有点，也就是我们今天说的行星运动第二定律(也叫面积定律)。

接下来，开普勒试图据此计算出火星的整个轨道。他是把轨道当成卵形来计算的，在失败了大约40次之后，终于在1605年想到火星轨道应是椭圆，发现椭圆轨道与火星的观测数据都吻合之后，开普勒进而提出，所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上。这就是我们今天说的行星运动第一定律 (也叫轨道定律)。此时第谷已经去世4年了，开普勒对能否使用第谷的数据问题与第谷继承人发生争执，一直到1609年才出版《新天文学》一书和《论火星运动》一文，公布了这两个定律。之后，开普勒在编制星表时，用了9年的时间，发现了行星公转周期和轨道大小之间存在着关系：行星公转周期的平方同行星轨道半长径的立方之比是一个常数。此即行星运动第三定律(也叫周期定律)。

开普勒的椭圆轨道模型精巧地描述了天文观测的结果，这是非常大胆的创见。开普勒的日心说模型不仅极为简单，只用7个椭圆就取代了几十个圆周，而且非常精确，很容易让做实际观测的天文学家接受。

开普勒从小因病眼力受损，没法自己做天文观察。日心说的天文观测证据是由伽利略(1564-1642)提供的。伽利略手中多了一样第谷所没有的东西：天文望远镜。1610年1月，伽利略发现有4颗卫星围绕着木星运行，这对托勒密模型是一大打击。对托勒密模型最致命的打击发生于1610年9月，伽利略发现金星像月球一样会出现周期性的盈亏变化。金星的位相变化正是日心说所预测的，托勒密模型则完全无法解释。在伽利略公布了这一发现后，大部分天文学家就不得不放弃托勒密模型，改用日心说模型或第谷模型。

伽利略的其他发现也在颠覆着天文学的传统观念。伽利略发现月球表面起伏不平，布满了坑洼，这与天体都是由完美无缺、永恒不变的物质组成这一传统观念直接冲突，说明天体可能是由和地球一样的物质组成的。伽利略还发现，用望远镜看来，行星都是有确定形状的圆盘，但是恒星却仍然看不清形状，这说明恒星与地球的距离要比行星远得多，宇宙比托勒密模型认为的浩瀚得多。此外，伽利略还发现银河其实是由无数恒星组成的，恒星的数量比以前认为的多得多。

如果日心说是正确的，那么不仅地心说是错误的，亚里斯多德的物理学也出了问题。亚里斯多德物理学认为，运动或不动是物体的内在属性。地球有不动的属性，所以它必然是宇宙的中心，而天体有运动的属性，所以它们绕着地球运行。但是伽利略指出，运动并非物体的内在属性，而是外在的过程，地球在这方面与天体并无不同。而且，物体一旦运动起来，不靠外力也能持续下去，也就是我们今天说的惯性。惯性概念的提出，解释了我们为什么觉察不到地球在自转。

但日心说当时还遗留了一个问题没有解决。如果地球围绕着太阳公转，在公转轨道的不同位置上观测恒星，应该看到恒星在天球上的位置发生了变化，出现了视差。由于恒星的距离极为遥远，不仅肉眼看不到恒星视差，早期的望远镜也看不到。直到1838年，德国天文学家贝塞耳(1784-1846)才用太阳仪首次观测到恒星视差，证明了地球的确在围绕着太阳公转。1851年，法国物理学家傅科(1819-1868)在巴黎先贤祠的大厅做了“傅科摆”实验也证明了地球在自转。19世纪的这两个观察为地球的两种运动提供了直接证据，从而最终证明了日心说的正确——当然，这时候科学家已知道太阳只是太阳系的中心，而不是宇宙的中心。

但是在科学界之外，日心说并没有取得完全的胜利。许多人仍然习惯于把地球当成宇宙的中心。2005年的一项调查表明，1/5的美国人相信地心说。这很大程度上可能是由于无知。也有一些受过良好教育的人由于宗教原因坚持地心说。有一个叫“圣经天文学家联合会”的国际组织，据说在二十几个国家都有会员，负责人有天文学博士学位。他们认为，地心说才符合基督教《圣经天文把地心说当成了宗教信仰，却要为其找科学依据，出了一本 “学术”季刊专门用以论证地心说的正确性，已出了100多期。

还有一些信奉文化相对主义的反科学人士认为科学无所谓对错，日心说并不比地心说更正确、更科学。比如有人说：“究竟是地球绕着太阳转，还是太阳绕着地球转？即使牛顿力学，也只能回答：看你以谁为参照系。如果以地球为参照系，假定地球静止，那就是太阳绕着地球转。运动是相对的，这个问题不存在绝对正确的答案！”还有人给考生出考题：“试论托勒密的天文学说是不是科学？”其答案是托勒密的天文学也是科学。

用运动的相对性并不能把水搅浑。如果仅仅考虑地球围绕太阳公转的情形，以地球为参照系还是以太阳为参照系固然没有区别，但是如果要同时考虑其他行星的情况，以太阳为参照系无疑要更为合理。更重要的是，地心说认为太阳(以及其他行星、恒星)的东升西沉是在围绕着地球旋转，其实是地球自转导致的假象，这个错误就不是用“日-地运动”的相对性能够狡辩的了。托勒密模型虽然也能够比较精确地预测行星的位置，但是进一步的观察已证明托勒密模型最多只是一个数学模型，不能反映行星运动的实际状况，已被更仔细的观察所否定，成了错误的理论，当然也不成其为科学。