通识物理：布鲁诺捍卫日心说的重要科学意义

自亚里士多德开始，地心说在人类世界逐渐广为流传。但是，贫瘠的土壤并不能长出茁壮的树苗。刚开始，托勒密等人通过人为地规定本轮、均轮的大小及行星运行速度，才使地心说模型和实测结果取得一致。但是，到了中世纪后期，随着观察仪器的不断改进，行星运动轨迹和位置的测量越来越精确，人们发现行星的实际位置与地心说模型存在较大的偏差，添加更多的本轮暂时可以解决问题，但随着需要添加的本轮数量越来越多（最多超过80个），地心说模型变得越来越复杂，不仅漏洞百出，还基本处于即将崩溃状态。

这时，很多人意识到，对地心说的修补工作已经失去了意义，创建新的宇宙模型显得十分必要。终于，就在这样鼓噪的土壤里，一个导火索式的人物出现了，他就是1473年出生于波兰一个富商家庭的尼古拉·哥白尼，正是哥白尼提出了“日心说”的新宇宙模型。不过，日心说的提出在当时并非偶然，而是有着独特的时代、历史、哲学和科学四大根源。

在16 世纪前后，欧洲人完成了一系列对世界历史产生重大影响的航行，哥伦布首先做出了地理大发现，而麦哲伦的船队则第一次实现了环球航行（麦哲伦本人死于菲律宾）。这些航行不仅极大地开阔了人类的视野，也很好地促进了不同文明间文化的传播与交流，更用实践证明了地球是球形的。与此同时，在思想方面，中世纪的欧洲长期处于教会的黑暗统治之下，而大航海带来了激烈的文化碰撞和思想交锋，并导致了欧洲文艺复兴运动的兴起。从这一时期开始，人们终于跳出中世纪艺术和思想的圈子，不再专注于权威、呆板的神灵和君主，而是更加注重普通人的内心。思想的解放和对自由、正义的追求，都强烈地呼唤着新社会和新世界观的诞生。而真正解除欧洲宗教对自然科学发展束缚的事件则是16 世纪发生的“宗教改革”。在16 世纪前，《圣经》是用拉丁文写的，一般人都看不懂，教会则利用这点曲解《圣经》，向人们兜售“赎罪卷”。他们谎称只要购买了“赎罪卷”，就可在上帝面前赎罪，死后也会进入天堂。1517 年，德国青年学者马丁·路德在学会拉丁文后，发现“赎罪卷”的内容并非赎罪，购买“赎罪卷”只能喂肥教会。于是，马丁·路德在一气之下写出95条指控（《九十五条论纲》）贴在教堂外，他愤怒的指控犹如晴空惊雷一般引起了剧烈的社会震荡，不仅直接导致了16 世纪欧洲的宗教战争、分裂和改革，还彻底打破了人们对教会和上帝的迷信，从而消除了禁锢自然科学发展的最后一块思想屏障。

图1.3　毕达哥拉斯讲述“中心火”宇宙模型

波兰人哥白尼就是在这样激荡飞扬的时代背景下成长起来的。大学毕业后，哥白尼利用自己作为医生和神父的优越社会经济地位，对天文学进行了几十年如一日的深入钻研，积累了大量客观、准确的天文观测数据，这成为日心说提出的科学根源。在研究中，哥白尼发现地心说不仅复杂混乱而且漏洞百出。这时，哥白尼突然想到，在1700年前的古希腊，天文学家阿里斯塔克曾凭借灵感提出过一个类似“太阳位于宇宙中心”的猜想。虽然这个猜想没有详细的讨论和依据，在学术上毫无用处，但还是成为启发哥白尼日心说的历史根源。与此同时，哥白尼还想到另一位古希腊哲学家毕达哥拉斯在公元前500多年也曾提到过一个富有启发性的“中心火”模型。毕达哥拉斯从哲学的角度认为“火”是世界上最圣洁的东西（如图1.3 所示），包括人在内的世间万物都是围绕着火而分布的，所以火应该位于宇宙的中心。而太阳看起来就很像火，所以中心火的设想成为哥白尼日心说的哲学根源。

图1.4　哥白尼提出日心说(www.xing528.com)

在两位前人智者的思想启发下，哥白尼终于意识到：只要把地球从宇宙的中心移开，把太阳放到宇宙的中心，一切就会变得简单、清晰而准确了，也就是“日心说”（图1.4）。就这样，经过长期、反复的思考，所有天体都绕太阳旋转的日心说模型，在哥白尼的头脑中逐渐成熟。然而，地心说在当时代表着教会的权威，因为害怕宗教迫害，哥白尼不仅在自己的宇宙模型中保留了上帝居住的“原动天”，还直到临逝前（1543年）才把日心说的观点和理论通过自己的著作《天体运行论》予以出版公布。为了讨好教会，《天体运行论》的前言中还写道：“把此书献给最神圣的教主——保罗三世教皇陛下。”哥白尼的心机在初期迷惑了教会，使《天体运行论》得以顺利地出版和传播。但是很快，教会就从哥白尼散布的迷雾中清醒过来，日心说的支持者开始受到教会的疯狂围剿，《天体运行论》也被视为禁书，一律收集焚毁。不仅保守的罗马教廷，一些标榜革新的新教也不能容忍日心说，宗教改革的领袖马丁·路德就曾激烈地表示：“谁敢把哥白尼置于权威的圣灵之上？”（图1.5）

图1.5　哥白尼的日心说和《天体运行论》受到教会的围剿

就在这最黑暗的时刻，意大利青年学者布鲁诺勇敢地站出来为日心说辩护。如图1.6 所示，他不仅赞同和宣扬日心说，还进一步认为宇宙根本就是无限的，并否认了“原动天”和上帝的存在。而这些新观点，不仅从学术上清除了“上帝”生存的空间（没有上帝居住的原动天，自然也就没有上帝），还从宗教教义上动摇了教会权威性的理论基础（宇宙是无限的，上帝没有控制力），这当然引起了教会的极大恐惧和愤怒。1600年2月17日，52岁的布鲁诺被教会逮捕，并被处以残酷的火刑。临刑前，罗马教廷再次劝他忏悔，并说明只要忏悔就可以免死，但布鲁诺毫不理会，勇敢地走向了罗马鲜花广场上的火堆，并宣称：“我走向火堆，但你们比我更恐惧。”布鲁诺虽然为科学和真理献出了宝贵的生命，但人们永远记住了他的观点。300年后，布鲁诺用生命所捍卫的日心说终于得到了世人的公认，他的学说和精神则像熊熊燃烧的火堆，永远照耀着后人前行。

图1.6　布鲁诺用生命捍卫日心说

日心说的提出具有重要的科学和历史意义。一方面，日心说模型根据相对运动的原理，成功解释了行星的实际运行规律，大大简化了对宇宙结构的描述：比如太阳的东升西落并不是太阳绕地球转，而是地球的自转造成的。另一方面，在中世纪末期的欧洲，地心说早已被宗教统治者视为教义的理论支柱，因此，日心说不仅对教会权威提出了挑战，从根本上动摇了“人类中心论”等不可冒犯的宗教教义，还促使自然科学从神学中解放出来。然而，由于时代的局限，哥白尼的日心说并不完善，也有错误，比如：太阳其实并非宇宙的中心，而只是太阳系的中心；同时，日心说沿用了行星在圆形轨道上做匀速圆周运动的旧观念，实际上行星的轨道是椭圆，运动速度的大小也并不是恒定的。当然，这些瑕疵并不能掩盖日心说的伟大，日心说的开创性工作激起了其他学者对行星运行规律的探索热情，并使人类最终掌握了正确的行星运行规律，以及其中所蕴含的深刻的科学定律。