黃輝

在古代，人們對(duì)于天體的運(yùn)動(dòng)存在著地心說(shuō)和日心說(shuō)兩種看法.地心說(shuō)認(rèn)為地球是宇宙的中心，太陽(yáng)、月亮以及其他行星都繞地球運(yùn)動(dòng).它符合人們的直接經(jīng)驗(yàn).日心說(shuō)認(rèn)為太陽(yáng)是靜止不動(dòng)的，地球和其他行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng).在萬(wàn)有引力定律的教學(xué)中，學(xué)生提出，地心說(shuō)和日心說(shuō)是不是只是參考系不同，它們本質(zhì)上沒(méi)什么差別？

確實(shí)，地心說(shuō)和日心說(shuō)參考系變化一下，好像對(duì)我們的生活也沒(méi)什么影響.對(duì)于生活在地球上的人，太陽(yáng)東升西落，地心說(shuō)更符合我們的常識(shí).但是，哥白尼打破的正是這種觀念，有時(shí)候看到的不一定是真的，要透過(guò)表象，深入自然的最精深微妙的核心，人的認(rèn)識(shí)必須在理性的引導(dǎo)下前行.

日心說(shuō)的建立開(kāi)辟了人類認(rèn)識(shí)世界的一個(gè)新紀(jì)元.正是在這樣的思想影響下，當(dāng)托里拆利看到空氣托起一段水銀柱時(shí)，就會(huì)理性去思考.科學(xué)的影響，既在成果，更在精神.

1 數(shù)學(xué)模型的建構(gòu)

日心說(shuō)或者地心說(shuō)的爭(zhēng)論，關(guān)鍵在于，我們談?wù)摰膶?duì)象不再是我們的感官所直接把握的東西.我們沒(méi)辦法“去看看”，認(rèn)識(shí)不再是對(duì)感官提供的感性資料的整理和解釋，而表現(xiàn)為一種“理性-感覺(jué)”的高度綜合的過(guò)程.

在描述天文現(xiàn)象上，人們很早就知道一年四季不是平均地各占全年長(zhǎng)度的四分之一.這就發(fā)生了問(wèn)題，如果星體是勻速運(yùn)動(dòng)，那軌跡就不可能是圓；如果其軌跡是圓，那它的運(yùn)動(dòng)就不可能是勻速的.要同時(shí)照顧到這兩端，托勒密所做的，就是用勻速圓周運(yùn)動(dòng)的疊加.即本輪-均輪模型，地球處于被稱作均輪的一個(gè)大圓的中心，另有一個(gè)小圓，托勒密稱之為本輪，其圓心沿這個(gè)大圓的圓周運(yùn)動(dòng)，而星體則在這個(gè)小圓的圓周上運(yùn)動(dòng).

如果只是太陽(yáng)和地球兩個(gè)天體，他們互為參考系，都是在做圓周運(yùn)動(dòng).但是，地球?qū)嶋H上是在做橢圓運(yùn)動(dòng)，太陽(yáng)處在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上.而且考慮到太陽(yáng)系的其他行星，用相對(duì)運(yùn)動(dòng)考慮，對(duì)地心說(shuō)，必須將地球的繞日運(yùn)動(dòng)和自轉(zhuǎn)分別加在所有的行星上.這樣，其數(shù)學(xué)描述必然復(fù)雜.

隨著觀測(cè)工具的改進(jìn)，觀測(cè)的現(xiàn)象也更為精細(xì).太陽(yáng)在黃道上運(yùn)動(dòng)有快有慢，行星還有一種從西向東的運(yùn)動(dòng)，持續(xù)時(shí)間或長(zhǎng)或短，天文學(xué)上稱為“逆行”.偏心圓和本輪-均輪模型給出的結(jié)果都不能盡如人意.為了做出和現(xiàn)象相合的數(shù)據(jù)，托勒密任意的改動(dòng)模型——由勻速圓周到偏心圓和本輪均輪模型，再到偏心勻速點(diǎn)和偏心等距點(diǎn)等復(fù)雜概念.

托勒密的模型太復(fù)雜，但哥白尼堅(jiān)信宇宙和自然是美的，而美的東西一定是簡(jiǎn)單與和諧的.走出困境的辦法是賦予地球運(yùn)動(dòng).

2 物理現(xiàn)象的分析

根據(jù)第谷的觀測(cè)數(shù)據(jù)，木星、木星和火星等行星的運(yùn)動(dòng)在遠(yuǎn)離太陽(yáng)時(shí)是變慢了，而在移向太陽(yáng)時(shí)確實(shí)是加快了.開(kāi)普勒得出了一個(gè)結(jié)論，即太陽(yáng)顯然是這種推動(dòng)力的來(lái)源.太陽(yáng)是整個(gè)太陽(yáng)系運(yùn)動(dòng)的源泉.因此太陽(yáng)作為這個(gè)體系的中心更合適.

地球的運(yùn)行周期是365天，恰好介于火星的687天 和金星的225天之間，和三個(gè)行星到太陽(yáng)的距離遠(yuǎn)近也對(duì)應(yīng). 太陽(yáng)處于這些行星的中心也更加合適.

月球確實(shí)是以地球?yàn)橹行睦@地球運(yùn)動(dòng)，望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明，讓伽利略發(fā)現(xiàn)有四顆星星繞木星運(yùn)行，同時(shí)又以十二年為周期，畫出巨大的繞日運(yùn)行的軌道.原來(lái)地球不是唯一的，被特別選中的、擁有衛(wèi)星的星球.地球連同作為衛(wèi)星的月球，一同作繞日運(yùn)動(dòng)，并不是不可想象的.地球和太陽(yáng)系的別的行星一樣，不是特別的一個(gè)，不是中心. 伽利略也發(fā)現(xiàn)金星的位相，也是對(duì)金星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)支持.

在數(shù)學(xué)推演中，物理意義始終是指引前進(jìn)方向的標(biāo)志.對(duì)天體運(yùn)動(dòng)的物理原因的追尋才是正確的方向.

3 力學(xué)機(jī)理的探究

為了解釋觀測(cè)到的現(xiàn)象，科學(xué)家引入了不同的理論.不能只追求數(shù)學(xué)模型，而放棄物理本質(zhì)和物理機(jī)制.我們探詢自然，就是要問(wèn)他的根源.物體通過(guò)磁力和電場(chǎng)力的吸引而相互作用，除此以外還可能有更多種的吸引力.牛頓發(fā)現(xiàn)的萬(wàn)有引力定律使我們能從物理的本質(zhì)上考慮這些現(xiàn)象.不過(guò)當(dāng)時(shí)有些人認(rèn)為力，看不到，摸不著，不是一件東西，當(dāng)然不能成為實(shí)證科學(xué)研究的對(duì)象.牛頓看到的是，力的作用和結(jié)果，是可以感知和可以驗(yàn)證.

具體計(jì)算月球的向心力，證明正是這一個(gè)力，使得月球留在它的軌道上，即不飛離、也不落向地球.而且這個(gè)向心力和萬(wàn)有引力都遵循平方反比，且指向地球中心.這就證明了月球?yàn)榈厍蛩?，月球繞地球運(yùn)動(dòng).

而太陽(yáng)系的行星也在適當(dāng)?shù)能壍郎线\(yùn)動(dòng).需要的向心力，反比于這些行星到太陽(yáng)中心距離的平方.也說(shuō)明正是由于太陽(yáng)對(duì)這些行星的萬(wàn)有引力的作用，使得這些行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng).即太陽(yáng)是這些行星的中心.

4 理論的檢驗(yàn)-預(yù)測(cè)現(xiàn)象

要從嚴(yán)格的科學(xué)意義上確立這一學(xué)說(shuō)，必須細(xì)致地闡明天體運(yùn)動(dòng)的機(jī)制，必須從物理上說(shuō)明天體的運(yùn)動(dòng)并給出可以驗(yàn)證的證明.

牛頓建立了一個(gè)以力為核心概念的物理學(xué)體系，給出了運(yùn)動(dòng)機(jī)制，解釋了從現(xiàn)象中歸納出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)定律.理論值和觀測(cè)值的對(duì)比所表現(xiàn)出的一致，強(qiáng)有力地表明，最初對(duì)現(xiàn)象的歸納，以現(xiàn)象為基礎(chǔ)的假說(shuō)，對(duì)這一假說(shuō)所作的物理分析，以及整個(gè)過(guò)程中時(shí)時(shí)運(yùn)用的推理法則，全部為真. 如果理論能夠提供一種預(yù)期，而不只是事后的驗(yàn)證，那就會(huì)顯的更具有說(shuō)服力.

最直接的證據(jù)，來(lái)自對(duì)彗星的預(yù)測(cè).隨著數(shù)學(xué)的長(zhǎng)足發(fā)展，更精密地計(jì)算土星、木星之類質(zhì)量巨大的行星對(duì)彗星回歸的影響.使得對(duì)哈雷彗星的回歸時(shí)間預(yù)測(cè)更加精確. 所以，1759年當(dāng)哈雷彗星通過(guò)近日點(diǎn).緩緩移動(dòng)，俯瞰這個(gè)世界的時(shí)候，世界感受到的不是驚訝，而是一種欣喜.

5 日心說(shuō)的確立和物理發(fā)展

如果不問(wèn)論證和事實(shí)而盲目地接受日心說(shuō)，恰是以一種信仰代替另一種信仰，以一種迷信代替另一種迷信，在本質(zhì)上說(shuō)，并沒(méi)有把我們對(duì)于自然的認(rèn)識(shí)從本質(zhì)上推向前進(jìn).科學(xué)的本質(zhì)不在于你接受日心學(xué)說(shuō)還是接受地心學(xué)說(shuō)，而是你為什么、憑什么接受某一種學(xué)說(shuō).日心學(xué)說(shuō)最終取代地心學(xué)說(shuō)，本質(zhì)上不是一種圖景替代了另一種圖景，而是一種論證手段，分析和實(shí)證的方法，取代了以信仰為基礎(chǔ)的論證；這一重大的改變，是真理標(biāo)準(zhǔn)的改變，是理性對(duì)于信仰的勝利.

這是科學(xué)第一次面對(duì)一個(gè)我們的感官所不能直接感知的對(duì)象，這在人類認(rèn)識(shí)自然的歷史上，沒(méi)有先例.沒(méi)有人可以看見(jiàn)地球是不是繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)，我們只能想象，這就發(fā)生了真?zhèn)螁?wèn)題.由感官提供的直接的判斷不再是自明的了，對(duì)與錯(cuò)不再是一般人依據(jù)常識(shí)就可以一目了然的了.什么叫“對(duì)的”，誰(shuí)又是最后的評(píng)判呢？

先根據(jù)現(xiàn)象做出一種假設(shè)性的解釋，這一解釋必須能給出一種可以驗(yàn)證的預(yù)期，而如果這種預(yù)期在實(shí)驗(yàn)中能驗(yàn)證，那么先前的假設(shè)性解釋即可確立為真，或者說(shuō)“我們的理解是對(duì)的”.

這就構(gòu)成了一種全新的認(rèn)識(shí)方法，這種“觀察-假說(shuō)-推理-實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的模式.

科學(xué)所留意的，不僅僅是科學(xué)活動(dòng)的成果，而更加是人類認(rèn)識(shí)的進(jìn)程.科學(xué)探索未知領(lǐng)域，先是星空，再到原子，再到生命，建立理論的過(guò)程都很艱難，但也有相似.日心說(shuō)的發(fā)展為人類認(rèn)識(shí)的發(fā)展所提供的是一種多么深刻的借鑒.