十六、十七世纪科学技术和哲学史（上）
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/ 十六、十七世纪科学技术和哲学史（上）　
“杰出的先生，来吧，打消惊扰我们时代庸人的一切疑惧；为无知和愚昧而作出牺牲的时间已经够长了；让我们扬起真知之帆，比所有前人都更深 入地去探索大自然的真谛。”〔亨利·奥尔登伯格：1662 年 7 月致斯宾诺莎的信。他在信中报告 说，由他当首任秘书的皇家学会已领到特许状。——《斯宾诺莎书 信集》（The Correspondence of Spinoza），亚·沃尔夫译，1928 年，第 100 页〕十六、十七世纪科学、技术和哲学史 上册序 言　　本书试图对十六和十七世纪里整个“自然”知识领域的成就作一个相当 完整的叙述。所有的科学，包括迄今尚未纳入科学史的那几门科学，都受到 了应有的注意，而且详细叙述了近代这最初两个世纪里，每门科学所做的一 切重要工作。技术的各个主要分支也占了相当的篇幅。此外，本卷还相当完 备地论述了这个时期的哲学，以帮助理解这个时期的科学家们的一般的理智 倾向。希望本书行文的明白晓畅和富有启示的插图能使一般读者从这部历史 获益较多。然而，本书主要旨在满足严肃的学生的需要。因此，本书完全是 根据史料写成的。把精选的参考书目（注明确切的出处）插在正文之中的安 排，或许比通常那种正式的书目更有帮助得多，后者使得寻找一个具体观点 的根据犹如大海捞针一样困难。在最后一卷中将包括一个对于整个近代的比 较正式的参考书目。　　本书本身是完整的。然而，我打算它仅仅成为一部完整科学史的一个片 断。作者计划接下去撰述十八和十九世纪，然后再是古代和中世纪。不过， 每一卷都将尽可能地做到接近自成一体。当然，人类历史不可能同确切的世 纪相吻合。和其他人类活动领域一样，在科学中，一个世纪里发生的事情也 有其在以前世纪里的先声和以后世纪里的余绪。因此，为了使每一卷更加易 于理解，并自成一体，作者已经并将继续毫不犹豫地间或述及主题以外的世 纪。在一个极端专门化的时代，象本书这样的百科全书式的著作可能显得和时代不合拍。然而，人们已普遍认识到，这种趋向狭隘专门化的倾向已经走 得太远了。当代科学和哲学的密切关系，对历史和科学发展的日益增长的兴 趣，都可以认为是一个证据，证明 xxvi 人们越来越认识到需要比较广阔的视 野。本书的撰写首先是为了满足伦敦大学学生学习科学史、科学方法和科学 原理等课程的需要。然而，作者也期待它的效用将远远超出这个范围。不用说，没有其他专家的帮助，这个工作是完成不了的。作者非常幸运地得到了许多同事的极可宝贵的帮助。这里把他们的名字按字母顺序记下， 并简扼他说明他们每人所提供的帮助。A.阿米塔奇先生不仅在天文学和数学 这两个具体学科上，而且还在许多其他方面，都给予慷慨帮助。F.丹内曼教 授让作者应用他在这个领域里多年工作的成果，虽然德国的环境不幸妨碍了 我们原先准备进行的更为密切的合作。R.道林小姐校阅了生物学部分。L.N.G. 菲伦教授不顾他在伦敦大学副校长任上日理万机，还是抽出时间仔细审阅了 有关天文学的各章，并以他在这个学科方面的精湛学识使之生色。W.T.高顿 教授就这个时期的地质学提出了一些非常有益的意见。S.B.汉密尔顿先生在 一部分关于技术的章节上提供极为有益的帮助。L.罗德伟尔·琼斯教授通读 了地理学那一章。D.麦凯博士以他关于化学史的专门知识，提供了宝贵的帮 助。L.C.罗宾斯教授审阅了经济学部分。D.奥森·伍德先生对物理学各章作 了精到的批判。本书还从 T.L.雷恩先生在数学史方面的精湛学识中获益不 少。作者深切感谢所有这些同事，赞赏他们的友情。但是作者并不想逃避他 对全书所负的责任。　　在本书的写作过程中，作者自然常常去图书馆查阅稀罕的古籍。伦敦经 济学院、伦敦的大学学院和伦敦大学的图书馆都不遗余力地为作者寻找所需 要的书籍；它们使作者受惠良深。　　　　作者对插图特别重视，为它们查遍了一切可能的资料。许多线条画由 D. 迈耶小姐复制并作了修改，作者非常感激她的技艺和同情。伦敦科学博物馆 当局也惠允复制馆藏的一些古老版画的 xxvii 照片等等。《矿业杂志》（The Mining Magazine）的所有主允准使用阿格里科拉的胡佛版本的许多插图。约 翰·莱恩先生同意复制 W. G. 贝尔的《伦敦大瘟疫》（The Great Plague in London）的死亡率表的摹本。梅休因先生及其同事允许使用 Wm. 巴雷特爵士和 T. 贝斯特曼的《魔杖》（The Divining Rod）的卷首插图。作者对所有 这一切恩惠表示感谢。　　不用说明，读者也一定知道为了撰写这本书，作者何等地含辛茹苦。在 这漫长而又艰苦的事业中，始终支持着作者的，除了他对这个题目抱有兴趣 之外，是作者相信世界需要重新确定新的理智发展方向，并相信为此最好是 从仔细研究人类思想在那些最为客观的领域里的历史开始。正是本着这种信 念和希望的精神，作者承担了这项工作，并已经进行到了今天。作者希望， 读者也将本着同样的信念和希望——以及博爱的精神阅读它。亚·沃尔夫1934 年 12 月于伦敦大学第一章 近代科学近代科学的肇始　　在近代之初，科学还没有与哲学分离，科学也没有分化成众多的门类。 知识仍然被视为一个整体；哲学这个术语广泛使用来指称任何一种探索，不 管是后来狭隘意义上的科学探索还是哲学探索。然而，这些变化已经发生。 近代科学先驱者们的数学和实验倾向，不可避免地导致分化成精密科学即实 验验证的科学和纯思辨的哲学。同样，虽然经常是同一个人研究一切门类学 科，同一本书论述的内容无所不包，但是科学成果的迅速积累还是不可避免 地迅速导致劳动分工，导致分化成若干门科学。本书对科学的分类，有人很 可能认为与时代不合拍。但是就简单性和条理化而言，这种分类还是合理的。 没有条理分明的论述方案，近代科学前几个世纪的叙述必将陷于极端混乱。 同时，一部史书的职责也毕竟是把事理弄清楚。　　一个个历史时代都不是突然出现的。它们通常总需要有预先的准备。所 以，要确定它们的开端是困难的。科学的近代是跟着文艺复兴接踵而来的， 文艺复兴复活了一些反对中世纪观点的古代倾向，而且部分地也是由于这个 原因，那些对中世纪的生活和实在观心怀不满的人都拥护文艺复兴。不信宗 教的古代和中世纪的基督教世界径渭分明。中世纪基督教趋向于自我克制和 想往来世。恪守宗教生活誓约的理想的基督教徒一心想着天国。他对自 2 然 界和自然现象，从根本上说毫无兴趣。自然的欲望必须转变成隐秘的神迷； 自发的个人思想必须服从权威。重见天日的希腊和罗马古籍犹如清新的海风 吹进这沉闷压抑的气氛之中。诗人、画家和其他人激起了对自然现象的新的 兴趣；有些勇敢的人充满了一种渴望自主的理智和情感的冲动。在这些方面， 近代思想基本上是古代的复活，借助古代学术而问世。而近代科学在它的早 期阶段，更加具体地得助于古代流传下来的天文学、数学和生物学论著，或 许其中大都是阿基米德的力学论著以及亚历山大里亚的希罗和维特鲁维乌斯 的技术著作。中世纪对自然现象缺乏兴趣，漠视个人主张，其根源在于一种超自然的观点、一种向往来世的思想占居支配地位。与天国相比，尘世是微不足道的， 今生充其量不过是对来世的准备。教会对天恩灵光所启示的真理拥有绝对权 威，与此相比，理性之光则黯然失色。诚然，与感化的理白相比，托马斯·阿 奎那及其门徒承认除天恩灵光之外，理性之光也是知识的一个源泉；但是甚 至他们也毫不怀疑自然知识从属于天启。有人试图声称经院哲学是理性主义 的；怀特海教授甚至已把近代科学说成是“从中世纪思想的固定合理性的倒 退”（Science and the Modern World, p.ll，ed.1929）。这种说法只说对 了一点点，且容易令人误解。经院哲学家无疑是聪明的唯理智论者，而且已 证明思想极为敏锐。在寂寥的中世纪里，他们为维持基督教世界的思想的生 存，无疑也做出了宝贵的贡献。但是，他们的推论总是囿于基于权威的前提； 他们从不试图运用，也不允许其他人运用更为宽广的理性，后者企求囊括整 个人类经验，而没有任何象权威所规定的教义那种专横的限制。对确凿的观 察事实抱应有的重视乃是任何彻底理性的一个不可或缺的部分，而不是从理 性的倒退；那种半截子的理性是不完全合理的，然而它在其他方面可能是敏 锐的和合理的。就此而言，近代科学也是回复到隐含地依赖于古人所遗留下来的自然知识。从近代最初开始，人们注意起大自然的确凿的事实，并重视 经验尤其是实验。这种 3 状况主要是自然主义的精神所促成的。自然主义既 体现了不信宗教的古代学术的复兴，又为这种复兴所鼓动。自然主义的精神 同弥漫在中世纪理智气氛之中的超自然主义精神大相径庭。它不是从理性倒 退的结果，而是迈向不受任何界限限制的更自由、更完整的理性的一大步。 这就是为什么科学是普遍的，而基督教则不然的原因所在。科学对培育它的 推理不施加任何专横的限制；但是基督教通常总把理性的范围限制在它的几 条信经或教义的专横界限之中。　　上述的对比还可以用一种略微不同的方式来说明。自然主义观点可以认 为本质上是世俗的、注重事实的观点；超自然主义观点则倾向于神秘。前者 寄望于大自然的规则性，后者则准备在自然现象中发现奇迹和魔法。甚至不 信仰宗教的古代也感染上轻信迷信，但没有达到中世纪基督教世界那样的程 度。近代花了很长时间才抛弃掉了中世纪的迷信。要知道巫术的自然观曾何 等有力地控制着中世纪和近代初期的知识界和民众，只要想一下巫术迷信是 多么顽固，在近代的头几个世纪里还有无数人被狡猾的审判者和教会权贵指 控行巫而牺牲就可以了。象威廉·哈维和托马斯·布朗爵士那样的名医也曾 涉嫌行巫而受审，这是令人震惊的。因此，自然知识的增长和机械装置的发 明，以利用“自然”魔法创造奇迹，从而使近代世界摆脱笼罩中世纪的黑暗 的神秘势力，只是在缓慢地进行。当然，对自然现象抱世俗态度并不一定排斥对世界抱宗教态度。刻卜勒的看法就是一个特别突出的例子。他的态度不仅是宗教的，而且还极其神秘。 他的伟大的天文学发现主要出于宗教动机。他从寻找上帝之路出发，结果发 现了行星的路径。笛卡尔也有神秘主义的倾向。这从他对 1619 年 11 月 10 日 夜间梦境所作的叙述可以看出，后面我们在适当的地方还要详述。但是，他 的科(4)学著作却是用世俗的观点写的。近代科学的先驱者们实际上都笃信宗 教，事实上都是基督教的忠实儿子。然而，对科学来说，幸运的是，他们对 于自然现象的态度都基本上是世俗的、注重事实的。刻卜勒的神秘狂受到第 谷·布拉赫经验主义的有效遏制，后者使他成为一位科学的天文学家，即使 还没能使他克服崇拜太阳的倾向。伽利略明确地区分，宗教的职责是教导去 天国的门路，而天文学的职责是发现天空中的道路。甚至牛顿也是这样，虽 然他对传统的神学问题比伽利略、刻卜勒或者笛卡尔兴趣更大，但他仍极为 谨慎地把神学教义甚至哲学假说排斥在科学之外。经院哲学或者说托马斯主 义认为知识有两种或两个来源的观点可能仍旧有用，因为笛卡尔无疑就是如 此。甚至象雅科布·波墨以及刻卜勒和笛卡尔等人的神秘经验可能也有一定 的价值，不论对它们作什么心理学上的解释。因为他们必定加强个人自主的 要求而反对教会的权威。总之，近代科学与古代思想相似，而与中世纪思想 不同，它采取了一种世俗的注重事实的态度。
近代科学和中世纪的思想也还有一些其他差别。然而，这些差别与上述 的不同，它们一般不涉及中世纪思想和希腊思想之间任何带根本性的分歧。 它们相反倒是由于这样的事实：中世纪的思想家信奉一套希腊思想，而近代 科学先驱者却接受另一套希腊观点。经院哲学在不涉及宗教教义的问题上， 把亚里士多德奉为权威。于是，亚里士多德基本上是一个生物学家，他的科 学主要是定性的而不是定量的。他从事把事物分成类和亚类，列举它们的属 性，区别本质属性和非本质属性。中世纪思想继承了亚里士多德的传统。但
是，还有另一个更早的希腊传统或者说思想派别即毕达哥拉斯派。这种派别 把数或量放在无上的地位。近代科学的开创者们满脑子都是毕达哥拉斯主义 精神。哥白尼和刻卜勒尤其如此，而伽利略和牛顿也大致如此。因此，他们 趋向否认那些所谓第二性的性质的客观实在性，因为这些性质不能作数学处 理。而主要是象玻义耳、吉尔伯特和哈维这样的非数学的科学家才不这样地 走极端。不管怎样，近代科学始终坚持尽可能精确定量的描述和定律的理想。(5)　　中世纪和近代思想家对希腊传统的选择上的另一个分歧在于他们所赞成 的解释的种类。经院哲学家沉迷于苏格拉底和柏拉图使之流行的那种解释。 这种解释在于发现事物所服务的目标或目的，在于指示事物适合的对象；在 柏拉图的宇宙图式中，有一个目的或者说“善，的等级体系，其极点是最高 的“善”，宇宙万物都朝这个目标运动。中世纪思想荒诞不经地胡乱杜撰， 说事物都服务于它的种种虚幻的目的。这种想象出来的目标通常都是人的目 的。因此，这种目的论的解释倾向于助长中世纪的人类中心偏见。万物都被 认为是旨在并被指定服务于某种人类需要。人们几乎要说，上帝自己也被认 为主要在忙于人类的事务。当这样地把人类看做宇宙体系的中心时，他们的 舞台地球自然就被看成是宇宙的中心了。因此，地心说的盛行成了阻碍天文 学变革的最大障碍之一。近代科学是从尽可能地拒斥目的论解释开始的，而 且今天仍然这样。它接受德谟克利特和其他原子论者所提倡的解释方法，即 根据产生事物的原因和条件、事物的直接原因而不是最终原因来解释。这种 解释方式与近代科学的数学倾向很合拍，因为数学是目的论显然没有立足之 地的一个知识领域。简单说来，区别近代科学与中世纪思想的一般特征便是这样。自然，这种变革起初并不彻底。开始时科学家人数很少，而且即使是这些人也由于害 怕或出于习惯而作出种种妥协。乔丹诺·布鲁诺和米凯尔·塞尔维特的牺牲 以及伽利略和其他人的遭遇都表明面对强大的教会应当谨慎行事。人们可能 欣赏列奥那多·达·芬奇和十五世纪类似人物的智慧，他们抑制自己不发表 观点。从上述的任何一个标准来看，列奥那多·达·芬奇都算得上是一位卓 绝的近代科学家。虽然他和亲密的同人足以能用个人的不引人注目的方式帮 助为未来的进步开辟道路，但是世界还没有为他准备(6)好条件。第一个重大 进步是在十六世纪中叶作出的，因为哥白尼发表了日心说（1543 年）。科学 的进展不是在整个战线上同时取得的，而是一部分一部分地在不同时期里取 得的。带头的是天文学。继而是十六世纪的物理学。化学在十八世纪得到发 展。尽管维萨留斯（1543 年）和哈维已带了头，但生物科学仍落在后面，直 到十九世纪才取得进展。历史的遗产　　新时代所承担的许多任务，古代人大都早已注意过了，只是在中世纪遭 到漠视。因此，新时代也不得不几乎就是接着古代人继续把这些任务搞下去。 诚然，近代也给这些旧任务增加了越来越多的新任务，而且也意识到新任务、 新发现和新发明等方面有着无限的可能性。但是，这并不影响近代对古代的 感激。因此，我们首先应当概要他说明这份历史遗产。希腊人已从根本上奠定了数学的基础，欧几里得更是极为完整地使之臻于系统化。阿基米德和阿波洛乌斯对数学科学尤其是圆锥曲线理论作了重要 的补充。接着，托勒密的《至大论》（Almage-st）提出了平面三角学和球面 三角学的纲要。更晚些时候，主要借助于印度和阿拉伯，出现了通用的数系 和代数学的雏形。　　古代人还引人注目地教导过怎样把数学运用于解答天文学和力学中的问 题。托勒密和阿基米德的著作里有大量这种应用的例子。此外，对恒星的运 行也进行了大量观察，并作了记载。正确的天文学理论也已有了开端，只是 需要发展得更加完备。希腊人的天文学方法和仪器跟近代第一批天文学家所 使用的本质上是相同的；他们研究的问题也基本相同。地球周长的确定、它 与其他天体的关系、恒星区域的形貌学、空间和时间的精确测定以及交食之 类天文学事件的预测，所有这些问题都是古代尤其是亚历山大里亚(7)时期所 熟悉的，而近代首先是从托勒密的著作中学到这些东西的。　　在古代，静力学和光学也都作为科学而得到发展。实际上，这些研究尤 其适合于应用希腊人极为崇尚的演绎方法。他们获得的成果已为近代人所继 承。至于物理学的其他分支，情况就不同。除了少数零星的观察资料而外， 从希腊物理学学不到多少有价值的东西。磁学和电学尤其如此。气体和蒸汽 的研究也多少是如此，尽管亚历山大里亚的希罗曾对这个课题作出过一些有 意义的贡献。化学也是在亚历山大里亚成长，在那里古埃及传下来的经验知识同希腊思想相接触，促使化学变得更加科学。但是，由于新柏拉图主义的影响，亚 历山大里亚的化学家变成了神秘的方士。他们搜寻创造奇迹的物质，例如能 把贱金属擅变成贵重金属的“哲人石”或者能够起死回生的“长生不老药” 或“万应灵药”。中世纪虽然也对实验化学作出过一些有价值的贡献，但主 要兴趣还在于这种炼金术。在哥白尼开创近代以后，化学在很长时间里基本 上仍保持着它在中世纪的特征。在自然历史的领域里，以及一般地在各门描述科学里，近代也还是在继续古代的工作。首先，由于重新研究古典作家而带来了推动，逐渐地产生的 对独立观察的兴趣日益取代了习惯上对书本和权威的信赖。随着比较精密的 科学的发展。也大大促进了各门描述科学，以致它们所积累的观察资料远远 超过古代人。另外，古代所获得的科学知识在中世纪没有完全丧失掉。无论怎样，在希腊流亡者或者移民的帮助下，东方同古代科学保持着一定程度的连续性。 他们甚至企图通过独立研究来发展这种知识。我们发现，在九、十世纪里， 许多阿拉伯作家在科学和医学上显示出一定的独立性。这个运动在十一世纪 达到顶峰。 技术的发展在为近代作准备中起了重要作用。当然，技术也起源于古代。但 是在十一世纪和更早的时候，波希米亚、德国、匈(8)牙利等等国家里铁矿业、 盐场、铸造厂、玻璃厂等等的发展。对于近代的形成起了特别重要的作用。 从事各种工业的技术人员不再一味啃书本。他们不可避免地去从直接研究事 实中获取学识。任何权威的书本对他们都毫无用处。起初，他们的实际知识 是靠口头传播的，所以不可能对纯粹科学产生很大影响。但是有些技术人员 逐渐地用语言来表述了，或者更确切他说是诉诸文字了，而在印刷术发明之后，他们的书对近代科学的客观态度的发展起了一定的作用。知识的世俗化　　中世纪科学道路上的主要障碍是基督教会。教会主要关心平民，蔑视世 界和众生、而且傲慢地自信拥有无所不包的天启真理。因此，教会始则轻视 继而敌视一切企图凭借独立的理性之光来探索自然知识的人。事实上，教会 有时也感到，利用科学和哲学的论据来反驳不信宗教的人或者异端是很得策 的。但是，任何这种非宗教的思想都必须服从教会为教义。象罗吉尔·培根（1214—92）和列奥那多·达·芬奇（）那样具有独立精神的人 都慑于教会的权势而噤若寒蝉。如果能够自由行事的话，他们本来会使科学 得到复兴。甚至文艺复兴和宗教改革运动也都没有直接促进科学发展。诚然， 文艺复兴通过与自然主义的异教相接触而向基督教世界吹进了一股清新的凉 风。但是，它更关心的是书本知识，而不是对自然的第一手研究。而且在大 学里，古典文学的研究也证明不利于科学研究。至于宗教改革运动的领袖们， 他们至少也象天主教一样容不得异端。然而，这两个运动都间接地对科学事 业有所贡献。教派争吵不休和教会专横的偏狭使一些出类拔萃的人对它们退 避三舍，他们转而诉诸理性之光来探求真理，漠视一切教派声称的天启的权 威。这些人立即就受到文艺复兴运动所振兴的自然主义精神的影响。当各大 学对科学采取冷漠态度的时候，一些新的研究机构或研究院却为了促进实验 科学而建立起来了。这些新的研究机构中，著名的有佛罗伦萨的西芒托学院（建于 1657 年）、伦敦的皇家学会（建于 1662 年）和巴黎科学院（建于 1666年）。这些研究机构在某种程度上受到政府的鼓励，政府期(9)待它们将作出 许多有用的发现作为报偿。例如，为了英国海军的利益而建立的格林威治天 文台（1675 年），在很大程度上就是这样。这样，知识的探求逐渐地世俗化 了，走出中世纪的修道院而进入近代世界，虽然不进行斗争，教会是不会善 罢甘休的。此外，还有一些政治因素也在起促进作用。在近代最初的科学史上，象在经济和政治领域里一样，英国和荷兰在科学领域里也起了重要作用。这两 个国家通过国际贸易的经验学会了采取宽容态度；两国都与天主教进行斗 争；它们的政府因此更倾向于对那些探求自然知识的人采取一定程度的容忍 态度，给予相当的自由。荷兰实际上变成许多学识渊博的法国人的避难所， 这些法国人在祖国感到不安全，因为那里夭主教对大学控制得相当严密。学 术界和科学界还感激荷兰的是，埃尔策维尔斯出版社和其他出版社出版了大 量书刊，它们在那些关键性的年月里大大促进了知识的发展。科学仪器　　近代科学的主要特征之一在于使用科学仪器。这些仪器的功能各不相 同。它们使观察者得以大大改进他们原来可能已仅仅用感官进行过的观察， 虽然还不是那么完善。它们可能使观察者发觉那些否则根本察觉不到的东 西。它们便利了对各种现象作精密测量。它们也许使得能够在可以严格控制 的条件下研究一个现象，因此有理由认为所得的结论是可靠的。科学仪器已 经并且现在仍然从这些方面对近代科学提供了极其重要的帮助，而且成为它 与以前科学的主要区别之一，以前科学仅仅使用一些极其简陋的仪器。十七 世纪里，至少发明和使用了六种非常重要的科学仪器，即显微镜、望远镜、　　温度计、气压机、抽气机和摆钟。这些和其他一些仪器将在后面加以论述。 不过，这里就总的方面略述一二也许还是恰当的。显然，天文学家用望远镜 比用肉眼能够更清(10)楚地看到遥远的天体（如果他们不用望远镜确能看到 的话）。同样，利用显微镜就可以研究微小的物体。气压计和温度计也使得 能够分别观察和测量气压和温度的变化，而否则这些变化就发觉不了，或者 至少无法测量。抽气机使得物理学家对空气性质的研究能够在按照所有关于 空气的相互冲突的推测而设置的条件下进行。最后，摆钟使得人们能够测量 微小的时间间隔，而在摆钟发明以前，这根本不可能测量，或者至少不可能 测量得这样精确。此外，对各种现象的测量以及把它们定量地关联起来，在 近代科学中起了那么大的作用，以致很难设想要是没有上述的和类似的科学 仪器的帮助，近代科学会有可能存在。11第二章 哥白尼的革命(11)哥白尼的生平
图 2—哥白尼 尼克拉·哥白尼克（我们以后将用大家更熟悉的他的拉丁文名字尼古拉·哥白尼）1473 年 2 月 19 日出生在维斯杜拉河畔的托伦城。他的父亲是 一个商人，其国籍到底是德国还是波兰，至今仍然是个有争议的问题。他的 母亲是德国血统。父亲在 1483 年去世，哥白尼由他舅父抚养，舅父想叫他在 教会供职。在托伦上中学以后，哥白尼在克拉科夫大学读了三年书。在阿耳 伯特·布鲁兹乌斯基的教育下，他对数学和天文学发生兴趣，并且养成了使 用天文仪器观察天象的习惯。在与他舅父（当时是埃尔梅兰的主教）一起过 了两年之后，1496 年哥白尼去到意大利，在随后的十年里他先后在波洛尼 亚、帕多瓦和斐拉拉三所大学里攻读。在这些年里，他学习的专业科目是法 律和医学。虽然今天对他在意大利的活动知道得不多，但是有充分的理由可 以认为，他在意大利花了大量时间研究理论和实用天文学。　　在波洛尼亚期间，哥白尼与该校天文学教授多美尼哥·迪·诺瓦拉有密 切的个人接触。诺瓦拉是在自然哲学中复兴毕达哥拉斯思想的领袖，这个运 动当时正在唤醒意大利的各所大学。两人在一起进行观察，在一种哥白尼习 见的那些圈子中所看不到的自由气氛中，讨论托勒密《至大论》的错误以及 改进托勒密体系的可能性。勿庸置疑，正是在勾留意大利期间，哥白尼最早 受到激励，立志改革天文学，后来在他隐退的年月里终于获得成功。在哥白尼勾留意大利期间，他已被任命为他舅父主管的教区内的弗劳恩堡总教堂的牧师。但是回国以后，他仍与舅父一起住在舅父在海尔斯贝格的 邸宅，直到 1512 年这位主教去世。然后，哥白尼到弗劳恩堡总教堂任职，他 在那里度过了一生余下的三十年，除了偶尔中断过而外。这三十年从表面上 来看，是哥白尼一生最平静的年代。他参与牧师会的事务，做了一点政治工 作，还免费(12)为这个地区的贫民治病。但是，正是在这些年里，哥白尼构 想了他的行星系的细节，对大量复杂的计算作了整理（通过这些计算，这个 思辨的体系终于达到了在数字上的精确），并且逐步地使手稿臻于完善，记 载着他的全部劳动成果的这部手稿最后奉献给了世界。哥白尼从一开始就清楚地认识到，由于他发表关于太阳系结(13)构的新观点，将会引起来自学术和教义两方面的反对。所以，他年复一年地不断修 订他的手稿，而对是否发表这部手稿一直犹豫不决。然而，当他的真正见解 走漏了风声以后，便引起了议论和好奇；大约在 1529 年，他把《短论》（COmmentariOlus）的手稿在朋友中间传阅。这本小册子对他体系的描述很 接近最后文本，但是所有计算都略去了。（根据 Curtze 对两份存留的手稿作 过校勘的《短论》的一个文本刊印于 L.Prowe：Nicolaus COppernicus， Berlin，；Bd.11.）大约十年以后，哥白尼接待了年轻天文学家 乔治·约阿希姆（更出名的是他的拉丁名字赖蒂库斯）的长时间来访，后者 研究了尚未发表的手稿，并以《概论》（NarratiO Prima）（1540 年）为题 把它印出让更广泛的人知道这手稿的内容。　　三年以后，已经衰老多病的哥白尼在朋友们的劝说下，终于决定将手稿 托付这个赖蒂库斯去发表。这本书在纽伦堡印刷，于 1543 年出版；据说第一　　本书送到哥白尼手里几小时以后，他就逝世了，那是 1543 年 5 月 24 日。 这本印成的书以《托伦的尼古拉·哥白尼论天体运行轨道（共六册）》（Nicolai Copernici Torinersis de revolutionibus orbium coe-lestium Libri VI）为题，并奉献给了在位的教皇保罗二世，哥白尼要求他给予关心 和保护。然而，这第一版几乎每一页都与原稿不同。书名本身就是添加上去 的，有理由可以认为，哥白尼更愿意简单地把他的著作称为《天体运行论》（De RevolutiOnibus）。手稿曾侠失了二百多年，但又重新发现，并及时据 此出了“世俗版”（Sakul- ar-Ausgabe）（托伦，1873 年），这是该书的 权威版本。　　哥白尼的书发表以后的一些年里，究竟把他的假说看做对地球和行星实 际运行的描述，还是只不过用作为一种便于编制行星表的计算工具，人们还 拿不准主意。在当时宗教见解的状况下，接受还是拒绝哥白尼的学说，在很 大程度上取决于从哪种意义来理解它们。因此，这个问题就变得更其重要了。 这种不确定的状况主要是由于该书出版时的情势所造成的。起初负责印制工 作的赖蒂库斯没有完成就先期因故离开了，他把这工作委托给当地的一(14) 个路德教牧师安德烈亚斯·奥西安德尔，他是数学家，也是哥白尼的朋友。 奥西安德尔害怕地球运动学说会触怒哲学家和严酷的路德教派，因此他在书 中插入了自己写的短序，声明这全部学说仅仅是一种计算工具，并不冒犯《圣 经》或者自然的真理。哥白尼的朋友们一眼就看出这篇伪作，最后是刻卜勒 加以揭露（AstronomiaNova，扉页的背面，ed.Frisch，Vol.III，p.136）。 奥西安德尔或许是出于善意，因此预先就劝告哥白尼插入这样一个祈求宽恕 的序言，但哥白尼拒绝这样做。序言读起来很奇怪，与正文格格不入，但是 直到原稿被重新找到以后，才得以最后宣布这序言是添加上去的。在充满毕 达哥拉斯思想的哥白尼看来，行星运动的最精致和最谐和的数学表示，无疑 是唯一真正的行星理论。哥白尼的天文学　　在他的《天体运行论》的献词性的序言里，哥白足开门见山地让读者了 解那个他毕生为解决它而工作的由来已久的问题。这个问题就是要弄清楚， 哪些几何定律在支配行星的运动，以便解释过去观察到的视运动和预言行星 的未来运动。自古以来不断有人尝试解决这个问题，结果产生了两大类型理 论。　　第一种类型理论全要追溯到柏拉图的学生欧多克索的同心球。在该体系 中，每颗行星据认为都镶嵌在一个以地球为中心的匀速旋转的球的赤道之 中。这个球的两极固定在第二个外面的球的表面，这个球与第一个球同心， 绕一个轴匀速旋转，这轴不断倾向于第一个球的轴。第二个球又与第三个球 结成这种关系，如此直到球的数目满足解释所观察到的行星行为的需要。这 种理论符合亚里士多德的物理学体系，而且实际上构成了这个体系的基础； 由于这个缘故，中世纪的自然哲学家复活了这个理论。但是实际的天文学家 已不能容忍同心球体系，这不仅是因为它与好多众所周知的天文现象不相符 合，而且还因为行星运动已表明极为复杂，而如果用这种方式来表示，那球 的组合便繁复得不堪设想。因此，(15)借助这种假说从未得出过数值定量的 理论去作为星表的基础。哥白尼认识到，沿着这条路线不可能取得进步。　　　　哥白尼在序言中提到的第二种类型行星理论系利用亚历山大里亚天文学 家的偏心圆和本轮。这些理论从一颗行星匀速地画一个以地球为圆心的圆这 个概念出发，然后通过使圆心偏离地球而改进之，把匀速运动看做圆内的一 个任意选定的点，把圆上的动点仅仅看做行星实际沿其旋转的一个更小的圆 的圆心。这样便建立起了托勒密的复杂的行星体系。这个体系在十四个世纪 以后仍然主宰着哥白尼时代的天文学。与欧多克索的体系不同，这个体系极 其适合作为星表的基础；但是在这个精心构造的体系中，亚里士多德物理学 的基本原理已被抛到了九霄云外。　　哥白尼说明了他如何不满意这种局面，决心用不同的方法来解决这个问 题。在探索新的思想时，他从研究古典作家着手，看看他们不得不给出过哪 些可供选择的理论。他发现，相当一批早期的思想家，例如希塞塔斯、费劳 罗和旁托斯的赫拉克利德都曾经把某种形式运动（沿闭合轨道的轴向旋转） 归因于地球；他就是这样引证了好几位古典作家。我们不能肯定哥白尼究竟 是起初就真地从他提到的那些作家获取思想，还是只是为了给当时的读者留 下印象而提出这些名字。我们在本章后面还要谈到哥白尼概念的独创性问 题。总之，他利用这些古典著述作为提出他自己体系的一种理由，在他的体 系中，地球绕自己的轴转动，而且又作为行星之一而绕着太阳旋转。哥白尼写道：“以此为契机，我也开始思考地球运动的能力。虽然这种思想看起来荒诞不经，但是我知道，有人在我之前已自由地想象他们要用哪些圆圈以便解释天文现象。因此我想，我不 也可以尝试一下，假定地球具有某种运动，看看能不能为天球的转动比别人找到更加有效的论证。
“这样，在假定了这些运动（我在本书后面还将把它们归因于地球）以后，我经过大量持久的 观察，终于发现，如果把其余行星的(16)运动归因于地球的转动，并按每个行星的周期计算这些运 动，那末，不仅将得知这些行星现象是一种结果，而且，这些行星和所有天球依次相继的顺序和大小 乃至天穹本身都彼此密切相联，以致任何部分如果调换位置，便将导致其余部分乃至整个宇宙发生混 乱”（Preface）。哥白尼设想的太阳系的总排列（略去他后来所作的改进）示于他的著名的宇宙图中。图中，水星、金星、地球、火星、木星和土星都划出以太阳为 圆心的同心轨道（见图 3）。
“太阳居于群星的中央。在这个辉煌无比的庙堂中，这个发光体现在能够同时普照一切，难道 谁还能够把它放在另一个比这更好的位置上吗？??因此，太阳俨然高踞王位之上，君临围绕着他的 群星。??”（I，10）。　　　　　　　　　图 3—哥白尼的宇宙(17) 自毕达哥拉斯主义者时代以来，凡是涉及地球运动的任何行星假说都遭到反对，理由是任何这种运动都将导致恒星发生相应的视运动（见图 4）。 虽然人们探索这种视运动，但从未观察到过。哥白尼预先考虑了这种批评， 他认为，恒星离我们的距离无可比拟地大于地球轨道半径，因此地球的周年 运动同恒星的视方向没有关系。然而，随着观察愈趋精密，却仍未能发现任 何周年恒星视差，这种反对便也越来越激烈了。只是在最近一百年里，在某 些恒星观察到了数量级达到分的恒星视差，这种反对声才最后平息了下去。　　　　　　　　　　　图 4—恒星视差 无疑，哥白尼由于这种新观点更有对称性和一致性而心向往之。这些优点对于一个充满新毕达哥拉斯主义思想的人富有魅力。因为，毕达哥拉斯主义的精髓是它坚持认为，宇宙应该用数学关系来描述；两个几何上等价的行 星理论，其中比较谐和、比较对称的那个理论也比较正确。但是，哥白尼仍 旧不得不向北欧学者证明他的观点之正确，这些人师法亚里士多德而不是毕 达哥拉斯。因此，哥白尼专门用该书第 1 册的前几章论证，这种新体系既与 亚里士多德的物理学相一致，也与托勒密的体系相一致。他的问题是驳斥亚 里土多德用以断言地球静止在宇宙中心的那些论据，而同时又使亚里士多德 的原理保持原样，并运用这些原理作为他自己论证的根据。　　(18)然而，哥白尼从一切运动都是相对运动这条原理中更正确地推论 出：“每一个视在的位置变化不是由于观察对象运动，就是由于观察者运动， 或者由于这两者位置发生不相同的变化。??如果现在我们设想地球也有某 种运动，那末这运动看来是一种类似的但方向相反的运动，它影响地球以外 的一切事物，仿佛我们经过它们”（I，5）。哥白尼首先利用这个视运动互 易性的原理来解释天上的视在周日旋转：“如果你认为天上没有一个部分作 这种运动，而地球从西向东旋转，那末，就此旋转与太阳、月球和恒星的视 在的出没有关而言，你只要仔细考虑一下，就会发现一切都是如此发生的”（I，5）。后来他又将这条原理应用于与太阳视在的周日环行有关的现象： “如果〔这环行〕从太阳转换成地球〔现象〕，并姑且认为太阳是静止的， 那么，这些星座和恒星的出没（它们因之而成为晨星和昏星）将〔和以前〕 同样地发生气”（I，9）。　　　　　　　　　　图 5—行星视振动动 然而，哥白尼假说在科学上的优越性的最有说服力的论据，是它能对行星视运动的某些特殊之点作出简单的解释。如果一夜又一夜地观察这些夭体中的一个（比如一颗外行星），那末一般就会发现，它以恒星为背景缓慢地 由西向东越过南天。然而，这种向东的移动不时受到阻止和倒向，而且该行 星在回复其正常的向东方向运行之前，先由东向西行过了一个短距离。行星 的这种驻留和逆行的物理意义，以往对天文学家说来始终是个谜；但是，哥 白尼却能说明，这些不平衡乃是地球周年运动的必然结果。例如，假设地球 和一颗外行星各自的轨道 AB 和 DE（见图 5）是两个以 C 为共同圆心的共平面 圆。首先假设地球始终以其平均速度沿它的轨道(19)运动，而行星保持静止在 D 点不动。从 D 画地球轨道的两条切线 DF 和 DG。于是，在地球画出弧 FAG的同时，在一个地球上的观察者看来，处于 D 的行星沿逆向通过角 FDG 运动； 而当地球画出其轨道的余下的弧 GBF 时，行星沿正向通过这个角运动。这就 是说，该行星以等于角 FDG 的振幅振动。现在设该行星以其平均速度沿其轨 道运动，这个速度小于地球的平均速度。因此，在一个地球上的观察者看来， 上述振动迭加在这行星不断的向东运动之上，而一颗行星所特有的这种特殊 运动便如此产生了。图 6—行星运动的视在不规则性　　从上面的图（图 6）多少可以看清，哥白尼怎样解释一个行星路径上的 这种振动仅仅是由于地球轨道运动，因而让一个地球上的观察者看到的现 象。设 S 表示太阳在宇宙中心的位置。设围绕 S 的最小的圆表示地球的轨道，E1、E2、E3、E4 则表示地球四个间隔三个月的逐次位置。设其次一个较大的圆表示行星之一比如火星的轨道，M1、M2、M3、M4、M5 等表示火星间隔三个 月的逐次位置。设最大的圆表示(20)恒星的位置，尤其是各个星座的位置， 即黄道十二宫，从地球上看来，各行星正是在它们中间运动。于是，如果地 球处于 E1，则火星这个行星将在沿直线 E1M1 的方向上看到，而且看来处于 Z1； 当地球处于 E2，火星处于 M2 时，后者看来处于 Z2；同样，当地球处于 E3、E4 时，火星看来分别处于 Z3、Z4。①可见，在刚才所述的第一年期间，尽管火星实际上以恒定速度从 M1 运动到 M2、M3、M4，但看起来它却是以不同速度从 Z1 运动到 Z2、Z3、Z4，在明显地驻留了一个时候后又往后退行，在 Z1 处形成一个环，但迅速从 Z2 运动到Z3，如此以往。同样，当地球在完成其第二个循环而从 E4 运动到 E1 时，火星虽然仍然恒速地从 M8 朝向 M9 运动，但为了完成其第一个循环（因为火垦完成其轨道所需时间大约是地球的两倍），它看上去是先驻留，然后退行，再在 Z8 和 Z9 之间形成环。这样，地球沿其轨道的圆周运动引起行星轨道上出现环。　　为了表示一个行星运动中的这种不均衡，托勒密设想这行星在一个专门 为此引入的本轮上运动。这相当于把地球的运动传递给这行星。但是必须对 每颗行星都这样做，而哥白尼却能根据地球的单一运动解释每颗行星中的这 种现象。这是简单性上的一大进步。然而，正如我们现在所知道的那样。由于行星轨道是椭圆的，(21)因而行星的视在路径中还有进一步的不均衡性。而且，太阳在黄道中的视运动速 度逐日有所变动。为了说明这些现象，哥白尼不得不改进图 3（边码第 16 页） 的简单图式，那里，地球和行星全都画出以太阳为圆心的同心圆。在详细构 造他的行星轨道（这项工作占了《天体运行论》的大部分篇幅）时，哥白尼 应用了象古人那样的但与托勒密不同的偏心圆和本轮。他总是注意确保他的 圆周运动不仅相对于圆中任意选择的点，而且也相对于圆心而匀速进行。《天体运行论》（第三册）通篇考虑归因于地球的各种运动。第一册所勾勒出的初步轮廓中，已经说明季节现象依赖于地球在其轴向保持近似不变 的同时而绕太阳进行的周年旋转运动。在第三册的比较精确的理论中，认为 地球的轨道是一个太阳略为偏离其中心的圆。哥白尼按照希帕克的方式确定 了这种轨道的拱线方向（见边码第 136 和 137 页的脚注）及其相对太阳的偏 心率。他的理论由于下述两个原因而变得复杂了：它试图表示拱线的一种（实 际的）向前运动（九世纪的阿拉伯人巴塔尼猜测到并为哥白尼所证实）以及 试图考虑这种运动和轨道的偏心率有一定的（假想的）变动，这些变动是中 世纪进行的精确度很成问题的观察所表明的，而哥白尼感到不得不加以考 虑。　　哥白尼对地球运动的说明的一个重要特点，是他解释了二分点的岁差。 约在公元前 150 年发现这种现象的罗得岛的希帕克把它归因于恒星球围绕黄 道轴缓慢转动。哥白尼对这种岁差提出的近代解释是，地球赤道平面的变动 引起地球的轴在空中画一个锥形。这里，为了使他的理论与某些古代和中世 纪的观察相一致，他又没有必要地使他的理论复杂化。他在工作中对这种传 统的数据始终采取完全不加批判的态度，并且也不考虑严重的观察误差、欺 骗或原文讹误等可能性。这使他的理论变得不必要地错综复杂，而同时又显 示出他在几何学上技巧高超。他偶而也借助他自己作(22)的二十七项观察，　　它们在现代版本上只占了一页，而且他自己也承认它们很粗糙。他曾经对赖 蒂库斯说，“据说当初毕达哥拉斯发现直角三角形定律时高兴非凡。我只要 能精确到 10 弧分，我也会象他那样欢欣鼓舞”（Rhetici ephemerides novae，1550，p.6）。 在对地球运动的研究之后，下一册专门论述月球理论。月球同地球的关系不受哥白尼发动的观点变革的影响，而且他对托勒密已经知道的月球运动 在黄经上的不均衡性也没有作什么补充。但是，他表示这些不均衡性的方法 比《至大论》更令人满意。按照托勒密的理论，月球的角直径有时候应该是 它在其他时候的二倍；哥白尼发现一种表示月球黄经运动的方法，它和托勒 密一样正确，但是它没有大大夸大月轮视尺寸的微小变动。然而，哥白尼仅 略作改动就采纳了托勒密大大低估了的太阳到地球的距离即仅约为地球半径的 1，200 倍。天文学一直抱住这个谬误，直到十七世纪下半期，由于应用望 远镜进行精确的天文测量，才有可能作准确的测定。图 7—三颗外行星的轨道　　《天体运行论》的最后两册（v 和 VI）分别论述行星的黄经和黄纬运动。 哥白尼首先论述了三颗外行星，他暂时假设，就黄经运动而言，每颗行 星都有一个按图 7 构成的轨道。行星下画出一个以 A 为中心的本轮 EF，而后 者沿中心为 C 的均轮 AB 旋转。本轮和均轮的方向和周期（即行星的恒星周期） 都相同。如果地球的轨道用圆心为 D 的圆 NO 来表示，那么半径 AF 便取为 CD 的三分之一。从理论上说，这样一个轨道的诸要素（拱线 ACDB 的方向和偏心率 CD/CB）只要当该行星处于平冲时，对它作三次观察即可(23)测定。所谓平冲就是在一个地面观察者看来，这个行星所处的方向与地球轨道的中心 D 径向对立。哥白尼先后根据《至大论》中的三次观察和他自己的三次观察推 算出轨道要素，并且证明这样获得的两组要素彼此相当符合，他由此证明用 这种组合足以近似地表示每个外行星的运动。对于内行星，金星和水星的这种组合要复杂得多，不过这些假设的轨道要素在此也是根据适当地组合起来的观测确定的。 一当一个行星轨道的诸要素这样确定了下来，哥白尼便能考虑当这行星不处于平冲时对它所作的一次观察。他能把实际观察到的该行星从地球轨道中心看来的位置同（计算得到的）该行星位置相比较，然后求出这两个位置 之差。根据这些数据，哥白尼能够按照地球轨道半径求得行星偏心圆（均轮） 的半径。他得到的结果与现代的“平均距离”相当接近。这里我们首次看到， 一个天文学家按照地球轨道半径来求得行星轨道的大小，而不必预先给这些 量之间设定人为臆造的关系，那些不得不解决这个问题的古代天文学家就曾 试图这样做。　　在解释所观察到的行星对黄道面的偏离——它们的黄纬运动时，哥白尼 假设几个轨道平面的交角有周期性的变动。刻卜勒后来认识到，这种做法是 使行垦的运动以地球轨道中心而不是正确地以太阳为参照这种基本错误的必 然结果。哥白尼对内行星黄纬的处理尤为复杂，而且所用的方法几乎完全因 袭《至大论》。　　哥白尼的目标是编制数值的行星表，其精度不下于任何根据地心假说编 制的星表。他根据《天体运行论》中提出的理论所编制的星表，使得能够很 容易地计算出太阳、月球和行星在任何给定时刻的位置。成为该书基本特点　　的这些星表事实上是对当时通用的那些星表的改进，这种情况间接地促进了 天文学家们接受这个新(24)学说。但是，由于这些星表所根据的只是最低量 的粗略而又往往不可靠的观察（它们包容在一个误以为符合于虚幻的物理定 律的理论之中），所以它们的精确度必定要减损。几年以后，哥白尼的门生 莱因霍尔德重新仔细考查了这些数据，使之略有改进。然而，在这种新的宇 宙论能产生与之相称的星表之前，还必须有第谷布拉赫所做的那些精密而又 有系统的观察，以及刻卜勒的坚韧而喜欢冒险的天才。哥白尼的独创性　　现在我们可能面临对哥白尼的天文学贡献的独创性进行评价的问题。无 可否认，哥白尼从托勒密那里受益非浅。从《至大论》中，他得到了许多观 察数据和几何方法以及编制星表的资料。　　然而，在某种意义上，哥白尼受托勒密的好处又是微不足道的，因为他 使欧洲天文学发生革命的那些思想同这些亚历山大里亚人大相径庭。但是， 这些思想的萌芽可以（如果可以的话）在少数人的猜测中看到，他们置身于 思想主流之外，而他们有文字记载的学说散见于古典和中世纪的文献。就哥 白尼可能知道的那些著述而言，对它们的研究表明，他的体系所根据的那些 基本思想并不是他首创的。例如，萨莫斯的阿利斯塔克（约公元前 250 年） 已经预见到完整的日心体系的大致轮廓，他因而被称为“古代哥白尼”；但 可惜的是，哥白尼与阿利斯塔克思想的关系尚不清楚。然而，不管哥白尼从 哪里汲取到他的基本思想，他对天文学所作出的伟大的，无可怀疑的贡献， 必须认为在于他精心地把这些思想搞成一个一致的行星理论，它能提供精确 度前所未有地高的星表。诚然，我们再不能认为太阳、地球轨道的中心或者 任何其他参考原点静止在空间之中，除了在处理某些特殊问题时作为方便的 权宜之计。可是，自从哥白尼系统阐述了日心观点以来，它在科学上的实用 以及它和观察事实的联系大大增加。对于哥白尼来说，日心观点仅仍比表行 星最对称的排列，以及用以解释观察到的行星运动的最(25)简单的方式。但 是对于刻卜勒来说，它是他发现行星运动定律的必要前提，而对牛顿来说， 它打开了一条合理解释这些定律的道路。最后，从拉普拉斯到琼斯等天体演 化学家认识到太阳中央有一个母体，原先就是在离心力或潮汐力的作用下而 从中抛射出行星物质。他们由此而赋予日心观点以一种新的发生的意义。哥白尼主义的传播　　哥白尼的体系经过了大半个世纪才在科学思想中牢固地树立起来。它从 一开始就遭到路德和宗教改革者的反对；天主教虽然起初还容忍它，但后来 他们越来越反对，直至 1616 年他们准备禁止伽利略讲授哥白尼的天文学。然 而，这种新的学说仍然广泛传播开来，尤其在实用天文学家中间。许多英国 科学著作家都推崇日心说，最先是约翰·菲尔德在 1556 年首开其端（ Ephemeris anni 1557 currentis juxta Copernici et Reinholdi canones），还有威廉·吉尔伯特，他试图在他关于磁学的思辨与哥白尼理论 之间建立一种关系（De Magnete，1600，Bk，VI）。弗兰西斯·培根反对日 心假说（Novum Organum，Bk.11，xlvi，etc.）。哥白尼体系之最终为科学界所接受，主要应归功于伽利略、刻卜勒和笛卡尔以及后来还有牛顿等人的 权威。　　哥白尼学说的最早拥护者之一是乔丹诺·布鲁诺（），他开 始是多明我会僧侣，以后云游欧洲传授异教思想，为此他最后被宗教法庭绑 在火刑柱上烧死。在哲学上，他是一个泛神论者和斯宾诺莎的先驱者之一。 布鲁诺的著作包含为哥白尼天文学辩解的内容，但他比他的先师更进了一 步，抛弃了那种认为恒星固定在一个以太阳为中心的晶莹的天球上的信念。 他把恒星看作是散布在无限空间中的一个个太阳，成为无数个象我们一样的 行星系的中心。他凭直觉预见了许多发现，这些发现后来为观察所证实，例 如太阳围绕着它的轴转动，地球在两极处呈扁平状。他把彗星看作是一种行 星，并猜测太阳系所具有的行星可能不止当时所已知道的那些。布鲁诺还在 某种程度上预言了能量守恒的学说，因为他教导说，在这个变幻不定的世界 上，唯一永恒的东西是(26)构成万物之基础的创造能量。　　继哥白尼之后，又一个重要的天文学家是第谷·布拉赫，因此如果年代 和天文学是主要考虑，那我们应当接着就论述他。然而，他的工作和刻卜勒 是分不开的，而刻卜勒的工作又和牛顿分不开。伽利略和第谷·布拉赫同时 代但更年轻，也和刻卜勒同时代但更年长。作为现代科学的先驱，伽利略占 有特殊重要的地位。他不仅在天文学上作出了一些宝贵的发现，并且还为动 力学奠定了基础，从而为牛顿的综合做好了准备。此外，他还对其他各门科 学也作出了重要贡献，鼓励创建了最早的科学社团，大大促进了新型科学仪 器的发明。以这些和其他一些方式，他不仅对天文学，还对近代科学总的发 展产生了无与伦比的影响。因此，在论述第谷·布拉赫、刻卜勒和天文科学 的进一步发展之前，先来论述伽利略、最早的科学社团和新型科学仪器，将 既便利又恰当。（参见 J.L. E.Dreyer ， History of the Planetary SystemsfromThalesto Kepler, Cambridge ，1906 ； A. Berry ， A Short History of Astronomy，1898; D. Stimson，The gradual acceptance of the Copernican Theoryof the Universe， New York， 1917；R， Wolf，Geschichte der Astronomie ， Munich ， 1877 ； E. Zinner ， Die Geschichte.der Sternklunde,Berlin,19。）27第三章 伽利略·伽利莱(27)
图 8—伽利略·伽利莱 意大利一直是古典学术复兴的舞台。也是在意大利，伽利略和他的追随者为近代科学奠定了基础。当中世纪的黑暗开始消散的时候，意大利分裂成 许多共和国和公国，它们为了争权夺利，时而挑起战争，时而诉诸比较温和 形式的竞争。这些小国的主要生计是商业和工业。在应用了航海罗盘和地理 图表以后，意大利的水手开辟了相当规模的通往地中海东部各国和岛屿的航 线。它的一个结果是意大利的工艺美术得到迅速发展。威尼斯的玻璃制品、 马纳利卡和其他意大利城市的彩饰陶器和金属铸件在当时都是无与伦比的。 当然，意大利在更早一些的时期就已取得了远为重大的成就——但丁和彼特 拉克的不朽诗篇、列奥那多·达·芬奇的全才、拉斐尔和米开朗填罗的至善 至美的艺术。但是在近代初期，意大利的艺术走向衰落，而科学精神则开始 勃兴。就在米开朗琪罗逝世那天，伽利略·伽利莱首先领悟到，看来意大利 的科学注定要接过意大利艺术的荣耀。伽利略的早年　　伽利略·伽利莱于 1564 年 2 月 15 日出生在比萨。虽然在中世纪里，比 萨一直是个自由城市，但那时属于佛罗伦萨的美第奇政府治理。伽利略的父 亲芬桑齐奥·伽利略是个酷爱音乐和数学的贫困贵族。他著有《音乐对话》（Dialogue on Music），在书中，他反对惯常的诉诸权威。饶有趣味的是，父亲的爱好和脾性都在儿子身上重现。 伽利略在中学已表现出极其勤奋，以及一定程度的使他区别干其他同学的独立思想。他接着学习医学。那时在整个欧洲学习医学有如今天在英国学习法律一样，就是说，如果父母还不清楚他们应当要儿子学什么，那儿子就 可能会去攻读医学。然而，那时医(28)学的状况还没有那么激起青年伽利略 的兴趣。精密科学更加吸引着他。据说他经常站在教室门口听数学课，并想 在学生离开教室时，从他们那里获得点滴知识。数学讲师得知后，便采取措 施使伽利略能从学习医学转为学习数学和物理学。他在这两门科学上进步很 快，因此在二十五岁那年就被任命为他家乡大学的讲师。伽利略对于物理现象的独立研究，使他这时相信，那作为亚里士多德物理学讲授的、被奉为权威的东西包含许多严重错误。他毫不隐瞒自己的观点。 相反，他坚持不懈地公开抨击亚里士多德的物理学观点，结果他弄得不受同 事欢迎，他们认为他太爱寻衅。一次，他当众证明，亚里士多德的观点至少 有一个是荒谬的，即落体的速度随物体重量而变的观点。他把三个重量相差 很大的物体同时从比萨斜塔顶上抛下，结果证明它们同时抵达地面。这种事 情并不能改变他的那些亚里士多德派同事的看法，而只是使他们对伽利略更 不友好。因此，当 1592 年威尼斯评议会聘他到帕多瓦大学任职时，他欣然接 受邀请，并于那年 12 月开始在帕多瓦大学讲课。　　伽利略不崇尚书本，也不炫耀学问。虽然伽利略精通拉丁文，这是当时 和以后很长时间里学者的“世界语”，但他宁肯用意大利语讲课和写作。在 他最早写的关于运动的论文中（他在其中反驳了上述关于落体速度的亚里士 多德学说），他明白指出，只要他的观点同经验和理性相调和，他一点不在　　乎它是否和旁人的观点一致。但是，伽利略强烈爱好缜密的观察和推理，据 说他年青时坐在比萨大教堂里时就已注意到，屋顶上长链悬挂着的灯在来回 摆动，而他巧妙地用自己的脉搏做的测量表明，不管链的长短如何，每次摆 动所花时间似乎都相同。由于有如此思想开阔、观察力敏锐的头脑，伽利略 对哥白尼的日心说自然而然地感到同情，而置教会的敌视于不顾。的确，他 似乎很早就接受了哥白尼的观点。事(29)实上，那是在 1597 年之前“许多 年”。这可以从他那年为感谢刻卜勒对他的开导而写给刻卜勒的信中看出。 因此，这封信的部分内容值得录引在这里。伽利略写道：“我为自己在寻求真理上 找到一个这样伟大的志同道合者而感到幸运。委实可怜的是，孜孜不倦地追求真理，准备抛弃错误的 搞哲学的方法的人寥若晨星。然而，这不是痛惜我们时代处境窘困的地方，而只是庆贺你的卓越研究 的地方。??我这样做所以更感高兴，是因为我许多年来已经是哥白尼理论的信徒。这个理论给我解 释了许多现象的道理，而若按照那些公认的观点，则它们根本无法理解。我已收集了许多论据来驳斥 后者，但我不敢公布这些论据。??当然；如果象你这样的人所在多有的话，我是敢这样做的。但是 事实并非如此，所以我必须把它们搁置起来”（Opere，Edizione Nazionale，Vo1.X,p.68）。伽利 略完全有理由谨小慎微，因为险恶的经历到时候就要教训他。事实上，他写 这封信不到三年，他的同胞乔丹诺·布鲁诺便由于信奉哥白尼和其他人的异 端邪说而被烧死在火刑柱上。伽利略与反哥白尼派的第一次冲突发生在 1604 年。这年一颗新星的观察使伽利略和刻卜勒联合起来与亚里士多德派论战， 亚里士多德派坚持认定这颗新星的位置在月球内，按照亚里士多德派的观 点，超出这个范围，根本不会发生变化，也不会出现新的天体。伽利略不久就发现。帕多瓦的理智气氛并不比比萨更鼓舞人多少。这可以从他写给刻卜勒的另一封信中看出。这里值得从信中录引如下段落，从中 可以看到，对权威的迷信之可能导致对事实视而不见，已达到了何等惊人的 地步。
“我亲爱的刻卜勒，我希望我们能一起尽情嘲笑这班无知之徒的愚蠢至极。你认为这所大学的 第一流哲学家们怎么样？尽管我一再勉力相邀，无奈他们冥顽不化，拒绝观看行星、月球或者我的眼 镜（望远镜）??为什么在我能与你一起揶揄他们之前，我还必须等待这么长的时间？最慈爱的刻卜 勒，如果你听到该大学那位第一流哲学家反对我的论据，你一定会捧腹大笑，他在比萨大公面前卖弄 他那语无伦次的论据，好象它们是魔术般的咒语，能把这些新行星（木星的卫星）从天空中驱除和拐 走，”（Opere,Ed. Naz.，Vol.X,p.423）。
伽利略的天文学发现(30) 望远镜的历史将在科学仪器那一章里叙述。这里仅需指出，伽利略在1609 年制造了一架荷兰式望远镜，并首先把它用作为一种科学仪器。他用望远镜作出的最重要发现是，木星周围有四颗卫星围绕它转动。他起先在 1610年 1 月 7 日看到其中的三颗，几天以后看到了全部四颗。作为对那位统治君 主的一种敬意，伽利略把它们命名为“美第奇星”。木星及其卫星的观察在 伽利略成为同哥白尼所构想的太阳系的一个今人信服的类比。将近 1610 年底 时伽利略发现，象月球一样，金星也有位相。接着他又发现了银河的本质， 并很接近子发现土星光环。从他在 1610 年 1 月和 7 月写给贝利萨里奥·芬塔 的信中，可以看出他赋予自己的各个发现以何等重大的意义。他在 1 月 30 日的信中写道：“我惊喜若狂，无限感谢上帝，他喜欢和允许我发现这么多前所未知的伟大奇迹。 月球是一个类似地球的天体，这一点我以前就已深信不疑。我也观察到了大量前所未见的恒星，它们比肉眼可以看到的要多十几倍。??我现在已经知道银河究竟是什么了”（Opere,Ed. Naz.， Vol.X，p. 280）。在 1610 年 7 月 30 日的信中他写道：“我已经发现，土星由三 个天球构成，它们几乎相触，从不改变相对位置，并沿着黄道带排成一行，以致中间的球三倍于另外 两个”（同上，p. 410）。为了阐明这封信中所提到的某些论点，这里可以再 略述一二。伽利略通过望远镜看到月球象地球一样也有山谷，他甚至根据月 球上山的阴影长度估计出它们的高度。至于从望远镜看到的恒星数目更远远 多于肉眼看到的颗数，例如伽利略在昴星团座中数出了四十颗恒星，而他用 肉眼只能看见其中六颗。　　伽利略所作出的另一项重要的天文学发现，是他在 1610 年 10 月第一次 观察到太阳黑子。但是，这个发现的荣誉应该由他和另外二三位同时代的天 文学家分享。如我们将看到的那样，刻卜勒已经设法知道太阳表面有黑子存 在，他甚至没有借助望远镜。(31)法布里修斯在伽利略之前已经用自己的望 远镜看到了太阳黑子。他在 1611 年出版的《论我所观察到的太阳黑子》（De maculis insole obserivatis）中作了如下记述：“当我仔细观察太阳的边缘时，一 个黑子不期然地出现了。起初我以为它是一朵过眼的云。然而，第二天早晨当我再观察时，又看见了 这个黑子，虽然它的位置好象稍微移动了一点。接着一连三天都是阴沉天气。当天空转晴时，这黑子 已从东移动到了西，而一些比它小的黑子占据了它原先的位置。后来这大黑点逐渐朝对侧边缘移动， 最后消失在那里。从小黑子的运动可以知道，它们亦复如此。一个朦胧的希望敦促我期望它们回来。 事实上，那大黑子在 10 天以后果然又在东侧边缘重新出现。”另一位很早观察到太阳黑子 的是沙伊纳，他是在 1611 年 4 月观察到太阳黑子的。起初他猜想这现象是一 种光学假象，或者是由于他的望远镜有缺陷。但是在沙伊纳和他的朋友用八 架不同的望远镜都观察到黑子以后，他再也不能怀疑黑子的实在性。甚至那 时他还拿不准黑子究竟在太阳本身之上，还是仅仅靠近它。但是，他对黑子 运动进行了仔细而又坚持不懈的研究，由此推知太阳一定围绕它的轴在转 动。法布里修斯从一开始就坚持认为，黑子处于太阳本身之上，而不是由于 黑暗物体在太阳附近围绕它旋转的缘故。伽利略确认了这个观点，他指出， 当黑子接近太阳边缘移动时，与它们处于经过太阳的其余路径时相比，速度 大大减小，而这种情况用该假设解释最好。这种关于太阳黑子本质的观点终 于得到了公认，而黑子的运动提供了确定太阳自转周期和太阳赤道位置的数 据。伽利略还对星云作了各种观察。但他不是最早观察星云的人。西蒙·马里于斯看来在 1612 年就已对星云（仙女座中的一个星云）作了首次观察。伽 利略把星云和银河看作是包含许多恒星的星团。　　为了完整无遗地概述伽利略对天文学的贡献，我们必须提前先论述他的 某些后期工作。他最后用望远镜作出发现是在 1637 年，不久他即双目失明。 这些发现包括月球的周日和周月天平动，即从地球上能看到的那部分月球表 面的微小振动。伽利略接着解(32)决测量陆地和海洋经度的问题——这对以 航海为业的国家是个非常重要的问题，为此，他试图利用他早期的一项发现， 即木星的卫星。在古代和中世纪，经度有时是参考月食确定的，即比较一次 日食在地球不同地方的当地出现时间。但是，由于月食相当罕见，因此这种 方法不怎么有用。木星卫星公转周期非常短，因此几乎每夜总有某个卫星被 木星所交食。所以，伽利略认为可以利用这些交食现象来实现上述目的。他 实际编制了近似准确的这些卫星公转的表。但是，由于各种原因，这个巧妙 的思想没有得到实现。　　托勒密和哥白尼世界体系的对话　　1632 年，伽利略发表了他的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对 话》（ Dialogue concerning the two chief Systems of theWorld,the Ptoiemaic and COpernican）（T.Salusbury 的英译本，1661）一书。这部 著作包括四次内容广泛的对话（即“四日”）。可能出于各种文学上和其他 方面的原因，伽利略选择了对话的形式来表达他的思想。然而，主要的原因 很可能是他希望谨慎行事，不过多地表态。几个对话者之间的讨论总是给作 者留下必要时进行辩护的余地，他可以说某些观点实际上不是他自己的，而 是对话中虚构人物的，这些观点是根据文学即想象而加诸他们之口的。伽利 略《对话》中的人物萨尔维阿蒂和沙格列陀是他的朋友和拥护者，而辛普利 丘则是亚里士多德注释者，扮演了权威和传统的狂热捍卫者的角色。　　《对话》一开头是抨击亚里士多德的下述学说：天体与地球在性质和组 成上完全不同，天永远不变。新星和太阳黑子的出现引用来作为反对的证据。 通过望远镜可以看到的月球上的山岳驳斥了亚里士多德认为月球是完美天球 的观点。至于天体的不可毁灭性，则坚决主张，一切物质甚至地上物质都是 不可毁灭的。萨尔维阿蒂在《对话》中说：“我从来不完全相信这种物质擅 变（仍旧限制在自然范围内）一种物质发生如此大的转变，以致必须说它被 毁灭了，以致它的前身荡然无存，而另一个与之迥然不同的物体产生(33)了。 如果我设想一个物体处于一种面貌，不久又处于另一种迥异的面貌，那么我 不能认为，不可能仅仅对各个部分作简单的变换，而不毁坏什么，也不产生 任何新东西”（Thomas Salusbury 的译文，载他的 MathematicaI CollectiOnsand Translations，London，1661， Vol.I,pp.27，28）。图 9—比萨斜塔　　《对话》偶尔也对经院哲学家们射出一支嘲笑的利箭，揭露他们的论点 之荒诞不经。例如，当辛普利丘坚持亚里士多德不可能在推理上犯错误，因 为他是逻辑学的创始人时，他就遭到反驳：一个人很可能是一位出色的乐器 制造者，却不是优秀的音乐家。在讨论到究竟是所有夭体都在 24 小时里围绕地球旋转，还是实际上是地球在这个时间里绕自己的轴转动，因此只是引起了星空的视转动的问题时，《对话》认为，初看起来，这两个假说无论哪一个都能解释所观察到的现象， 但是从全面来考虑，地球转动的假说更可能是正确的。当我们考虑到星空与 小几百万倍的地球相比是何等广袤时，考虑到星空要在一天之中完成环绕地 球的旋转而需要何等巨大的速度时，那就看来难以置信：天空在运动，而地 球却静止不动。而且，如果假设地球静止不动，那么就必须认为恒星沿与行 星相反的方向移动，而所有的行星都是从西向东运动，运动得相当缓慢。另 一方面，各个行星的转动周期随着它们轨道的大小而增加，月球绕轨道运行 一周花 28 天，火星为 2 年、木星为 12 年，土星这颗最遥远的行星为 30 年。 这个规律同样地适用于木星的卫星，按照它们离木星的距离递增，它们绕自己轨道运行一周的时间分别为 42 小时、3 1 天、7 天和 16 天。但是，如果我　　　　2们假设星空围绕地球旋转，那么我们必定面临一种悖论：先从月球三十天的周期增加到土星三十年的周期，接着却突然巨跌至遥远恒星的只有一夭的周 期！而且，我们不得不设想，甚至恒星本身也以极其多变的速度运动，视它 们离天极的不同距离而定。使托勒密观点(34)更形困难的是，恒星的位置经 历着缓慢的变化。某些在几千年前处于赤道、沿着最大轨道运行的恒星，现 在都离开了赤道几度，因此必定沿较小的轨道运行得较慢。甚至一颗总是在 运行的恒星也可能暂时在天极处保持静止不动，然后再开始运行。　　各种论点不仅针对经院哲学家贬地球而褒天体，而且也针对整个认为不 变性是完美标志的概念。《对话》中的另一个人物沙格列陀说：“如果对我 的见解不赞美备至，不，如果不否弃我的见解，那我就不会听信，为了崇敬 和完美起见，应当认为自然天体是麻木的、永恒不变的、不可改变的，等等。 反过来，我也不会听信，可以变动、可以创生、可以变化等等都属于极其不 完美。我的意见是，由于地球中不断发生着如此众多而又如此多样的变化、 突变和创生等等，所以地球是十分崇高的、可赞美的。??我说月球、木星 和世界所有其他天球亦复如此”（同上，pp.44，45）。到处都可观察到变化。 新星闯入视野（例如在 1572 和 1604 年），太阳黑子来而复去，彗星出现又 消失。这种自然事件在整个宇宙中处处发生，甚至天空也遵从自然规律。《对 话》中所坚决主张的哥白尼假悦即日心 说也极其简单地解释了，行星的停止 和逆行仅仅是因地球周年旋转而引起的现象，而托勒密假说即地心说则根本 无法解释这些现象，除非诉诸无端的猜想。按照《对话》，还有一些地球现 象即潮汐和信风似乎也支持哥白尼的假说，它们的最好解释就是由于地球的 自转所使然。在伽利略对哥白尼理论所作的最重大的贡献之中，想必包括他对付了反对日心说的两个主要理由，即没有恒星视差和地上物体垂直坠落。第一个反 对理由在古代就已由亚里士多德提出以反对任何非地心说的观点。它坚称， 如果地球沿围绕太阳的轨道运行，那末，当地球从其轨道上的一个位置运行 到正相对立的位置时，恒星应当出现视在的位置变化（视差）（见图 4，第22 页）。《对话》反驳了这一反对理由，它指出，必定是由于恒星离开地球太遥远了，所以这种视差觉察不出来。恒星离地球的距离必定至少是(35)太 阳离地球的距离的一万倍。（事实上直到 1838 年才由 F.w.贝塞耳研制和提 出了足可用来测量恒星视差的天文学仪器和方法。）另一个同样古老的反对理由也是亚里士多德提出的，他争辩说，如果地球转动，那么一个垂直上抛的物体不应当落回到原先把它抛出的地方，而是 稍微偏西，因为在这物体升降所占有的时间里，地球一定已朝东转过一点； 然而，事实是这样往上抛的物体通常都回到原来位置。而且，他还争辩说； 如果地球转动，那么由于自转离心力的作甩，地球表面上至少是不怎么接近 两极的地方的物体应当被抛出地球表面。《对话》引用惯性定律驳斥了前一 个论点。惯性定律是伽利略所作出的在整个科学史上最重要的发现之一。从 一座高塔上坠落的一块石头将落在塔的脚下，因为石头本身与塔用同样速度 一起向东运动。从一艘静止或者航行的船只的桅杆顶上跌落的一块石头，在 这两种情况下都落在桅杆脚下。〔值得指出，第谷·布拉赫在他的《天文学 书信》（EPist.Astr.）中曾否认这一点。〕如果在船只航行的情况下，石头 的坠落有微小的偏离，那么这种偏离将是空气的阻力所引起的。因为相对航 船来说，空气处于静止；而在船只处于静止的情况下，桅杆、石头和空气三 者同等地共有地球的自转运动，因此石头坠落时所通过的空气在这种情况下
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