科学中的革命-第17章
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近年来，人们对哥白尼天球的真正本质已经有了愈加激烈的争论。诺埃尔·斯韦德罗（1976，127—129）业已整理出了一些相当令人信服的证据，它们说明，哥白尼可能已经构想出了一系列相邻的天球。斯韦德罗指出，在其手稿中，哥白尼给七个圆标出了插图说明，而所画的圆却有八个，所以很明显，这些插图说明肯定指的是圆与圆之间的七处空间。他得出结论说，这几处空间大概是对应于“那些大球自身的，每一处都表示某一空间层（具体范围并未划定），每一处都是与其上面或下面的天球相邻的。”木刻版印制的书（纽里姆伯格，1543）使我们的问题复杂化了，哥白尼没有核对出也没有更正印刷中的问题（参见图4（2）＇。在这里，算上附加的表示围绕地球运动的月球轨道的小圆，一共有九个圆。木刻者也许只是愚蠢地把插图说明标在了这些圆错误的那一侧，但这样一来圆的数目就过多了，因为这两个未标说明的国位于标着地球及月球的那个圆周的两侧。关于这些大球的真计一本质以及它们的完整性和连续性的程度存在着争论，对这种争论若无非常深入的了解，我们可能仍然会认为，哥白尼手稿中所画的图比那位千里之外的木刻者所制的图具有更高的权威性，并己会得出结论说，这些图中所面的的确是天球，而不是更是现代特点的概念所指的那种位于虚空的空间之中的自由循环轨道。
最外面的天球是“1。Stellarum fixarum sphaera immobilis（静止的恒星天球）；这里又使用了一个古老的概念：恒星天球。不过哥白尼又做了一下改动，因为传统的恒星天球必须有每日一次的自转。这样才能说明日夜的变化，而在哥白尼的格式中，天球是不动的。在哥白尼体系中，日夜变化现象是地球每日围绕地轴旋转所产生的结果。说这些星星是“恒定的”，是因为它们在其天球中，彼此之间没有位移活动———行星（或移动的星星）则与此相反，它们不仅彼此之间会有相对的运动，而且还会进行相对于恒星的运动。
哥白尼设想，恒星是非常遥远的，因为人的肉眼观察不到它们的周年视差。但它们也不可能是无限远的，因为太阳被假定是它们的中心——这对于一个天球来讲是完全正确的，但对于一个无限的恒星天字来讲则是不可能的，这样的恒星天空不和能有什么几何学意义上的中心。哥白尼写道；“Stellarum fixarum sphaera，seipsam et omniacontinens ；ideoque immobilis；nempe universi locus”。（既然是宇宙的寓所，那么，包罗它自身及万物的恒星天球肯定是静止不动的。）不过，正如J。T．克拉克（1959；125）已经指出的那样，这与他在前几页中所说的一段话是矛盾的：“Mobilitsa…sphaerae estin circulum volvi ，ipso actu formam suam exprinmentis”（自转是天球的属性，天球的形状正是通过这种自转来表现出来的）。
哥白尼的天球图被（例如A．沃尔夫1935，16）错误地解释成是哥白尼天文学宇宙体系的一种表述，困为这些圆周上分别标着“II。土星轨道，”“III。木星轨道，”等等。当然，哥白尼充分地认识到，没有哪一组简单的循环运动能对太空世界作出准确的描述。因此，他开始着手构造一个复杂的体系，他先完成了一本题为《短论》的小册子（此书写于154年，但17世纪前并未出版），随后他又在《大体运行论》中进行了充分的阐述。任何一位熟悉天文学的人大概都会意识到，《大体运行论》第1册上的那幅图，至多不过是一个图解式的、高度简化了的系统的模型，为了说明多种多样的现象，哥白尼不仅引入了一定数量的本轮（这种本轮与托勒密体系中的本轮的作用截然不同），而且甚至还引入了本轮的本轮（或者说，第二级本轮，亦即epicyclets）。我们将在后面看到，有人认为，哥白尼体系极为简明，与之相反，托勒密体系却十分复杂，这种看法，就业已涉及到的圆周的数目而言，值得怀疑，事实上，情况决非如此。甚至哥白尼本人在《短论》中也承认，需要有“34个圆”以便“描述天空的全部结构和所有行星协调一致的活动”（斯韦德罗1973，510）。
在考虑《天体运行论》可能的革命影响时，我们必须重视作为开篇的第1册与其余5册之间存在的差别。对于这种差别，E．J．迪埃克斯特休斯（1961，289）已经作了明确的概述，他提醒我们注意，“《天体运行论》是由两部分组成的，这两部分在目的、性质以及重要性方面是大相径庭的。”
整个这部书共分为6册，书的第1册单独构成了书的第一部分。它……对这个新的世界体系作了极为简明易懂的说明。
第二部分由第2－6册构成，它……以严格的科学方式……对这个体系作了复杂而详尽的叙述，从而构成了一部与《天文学大成》难度相同的教科书。书的第三册阐述了已发现的地球在运动而太阳静止不动的论据。
哥白尼与托勒密的区别
在《天体运行论》和《短论》这两部著作中，哥白尼对托勒密天文学进行了抨击。哥白尼这样做并非是因为在托勒密天文学中，太阳是运动的地球却是静止的，而是因为，托勒密没有严格地坚持这样一个规则即：所有天体的运动肯定只能用匀速圆周运动或圆周运动的组合来解释。托勒密认识到了，要想对行星的运动作出准确的说明，就必须放弃这种匀速圆周运动的想法，并且，他大胆引入了以后所谓的“等分点”，这样沿某段弧线的非匀速运动相对于这一点而言，看上去就像是匀速的运动了。从准确性观点的角度讲，这是向前迈进了一大步（参见图5），而且它的确是开普勒以前对行星运动最完备的解释。然而，哥白尼却认为，等分点的使用违背了基本的原则，他把自己最初的研究集中在设计一个由太阳、行星、月球以及恒星等组成的系统上，在这个系统中，行星和月球以匀速运动的方式沿着一个圆周滑行，或者以这种运动的某种组合的方式运动着。
哥白尼为他的天文学提出了两个目标。他要与已知的托勒密模型所展示的（并非是实际观察到的）那些运动取得一致；同时他还要坚持所有天体的运动肯定都是匀速的圆周运动这一物理学原则。哥白尼在《短论》和《天体运行论》中都提到并且赞同古代的卡立普斯和欧多克索斯承认的学说，在他们的学说中，圆周运动的组合（或天球的自转）已经被用来说明各种现象了；不过哥白尼认识到，这个特殊的体系还有不少缺陷。从所涉及的数字结果方面看，哥白尼在《短论》中相当大的部分所写的都是托勒密和“大多数其他的”天文学家的行星理论，这些理论都使用了本轮（参见图6）；然而正像哥白尼（在《短论》的引言中）痛心地指出的那样，引入“等分点”这一事实意味着，“任何一个行星，无论是在它所依附的天球之中，或者相对于它的特定的圆。已而言，从来都没有进行过匀速的运动。”正如诺埃尔·斯韦德罗（1973，434）业已指出的那样，哥白尼“在其对托勒密模型所作的评论中……承认，从计算的角度看，对行星运动的这种描述是准确的，”但是，他“根据原则，反对那种违背匀速圆周运动思想的做法。”人们普遍认为，哥白尼坚持匀速圆周运动，乃是哲学的或形而上学的教条向柏拉图倒退的一个组成部分，然而斯韦德罗（p．435）却为哥白尼的立场（至少是为他在《短论》中的立场）提供了一个物理学基础，而且他得出结论说：“对于（诸如有关天体特有的运动的哲学的或形而上学的原则）这类事物的思索，不属于数学天文学的领域。”
哥白尼显然以为，他在天文学取得的重大成就之一，就是恢复了匀速圆周运动的原则。他的追随者伊拉兹马斯·莱因霍尔德断言，在哥白尼看来，与把地球从宇宙中心的宝座上撵走而把太阳定为宇宙中心相比，排除了等分点并且退回到纯匀速圆周运动的思想上则是更有意义的贡献（欧文·金格里奇1973，515）。伊拉兹马斯·莱因霍尔德完成了《普鲁士星表》（1551）的编写工作，他在他本人收藏的一本《天体运行论》的扉页上（用拉丁文）写着：“天文学公理：天体的运动是匀速圆周运动，或者，是由匀速圆周运动部分合成的运动”（金格里奇1973，515）。
如果恢复希腊人的这种匀速圆周运动准则也算是革命的话，那么可以说，曾经有过一场只限于思想复古意义上的哥白尼革命，一场涤罪仪式，在这一过程中，后出现的革新都将被排除；这可不是那种新的彻底破除旧的东西意义上的革命，而“哥白尼革命”这一名词通常所指的，恰恰是这种新的意义上的革命。哥白尼的论文可以看作是对匀速运动的告别辞，至少，他希望被理解成这样。倘若如此，那么，正像O．纽格鲍尔指出的那样，这在哲学上比在天文学上更为成功，这是因为，如在不到一个世纪以后伽利略所证明的那样，行星的运动并不是匀速的，只用简单的匀速圆周运动的合成并不能十分准确地描述行星的运动。
哥白尼对天文学的影响
哥白尼写《天体运行论》，首先是要写一部天文学专著，而不是对地球运动问题进行哲学探讨。《天体运行论》的任务就是像托勒密所做的那样、像他的那部伟大论著的标题中所暗示的那样，展示出宇宙的“数学结构”。哥白尼在其论著的前言中强调了书的数学内容，他指出，在这里“数学是专为满足数学家的需要的”；这一点，在书的扉页上那句印成希腊文用以警告读者的柏拉图的名言中表现得尤为突出：“不懂几何学者就此止步。”《天体运行论》出第一版时，全书共计391页，其中只有14页的篇幅论述的是普遍规则、物理学原理、他的哲学观点以及他认为地球而非太阳在运动的理由。这里包括了哥白尼的这样一些论据：行星的表现运动是由于它们在各自围绕太阳的轨道上的运动引起的，这种表现运动，则因地球每年的轨道运动所引起的观察位置的变化而有所减弱。这部专著的绝大部分讨论的都是“难啃的”数学天文学。哥白尼说明了怎样确定行星和月球的经纬度，以及怎样处理整个行星现象和月球现象领域中的问题。哥白尼为外层的行星即火星、木星、土星等的运动以及内层的行星金星的运动设计了一组运行轨道；水星自身需要有一种特殊的截然不同的运行路线。月球的问题暂且不谈，后面另作论述（参见下文）。哥白尼与托勒密不同，他对使用等分点持蔑视态度，正因为这样，他不得不引入了一种轨道套轨道的烦琐的体系：一个本轮的中心在一个均轮上，而另一个小的本轮的中心又在这个本轮上。由于哥白尼的模型是直接从托勒密的模型那里演变过来的，因此，为了能适于日心说的处理，哥白尼把行星天球的中心定在空间的一个虚空点上——亦即地球天球或一种“平太阳”的中心——一而不是把行星宇宙的中心定在太阳本身上。所以事实上，哥白尼的《天体运行论》的学说，并非像人们通常描述的那样，真的是日心说（或以太阳为中心的）理论，而只是太阳静止说（即太阳是不动的）理论。现代天文学中真正的日心说体系，并不是哥白尼而是开普勒在其1609年那部论述火星的著作中引入的。
不过，对于天文学家来讲，重要的问题并不在于有关太阳为静止、地球在运动的证据是否比有关地球为静止、太阳在运动的证据更为令人信服（如书的第1册的开篇所讲的那样）。相反，天文学家必须要做的是去判定，有关行星的、地球的（与太阳的表观运动等价的）以及月球的运动的数学理论，是否优于人们在托勒密的《天文学大成》和以后的星表中所看到的那些数学理论。这个问题包括两个方面；（1）哥白尼的计算方法所得到的结果是否比托勒密的方法更符合观察结果？（正如我们马上就会看到的那样，答案是：否。）（2）哥白尼的计算方式是否比托勒密的方法用起来更为容易（即更为简便）？（尚未有证据表明，这个问题在16世纪末曾有人讨论过。）
可以把这两个问题作为与哲学争论（匀速圆周运动是否为必要条件）或宇宙论争论（“真正”运动着的究竟是地球还是太阳）毫无关系的问题提出来。对我们而言，不了解有关地球运动的哲学讨论或宇宙学讨论，似乎就无法对计算方法作出评价，但在17世纪，这两个课题是分开来考虑的。也就是说，哥白尼的数学天文学独立于其宇宙学，它被认为是进行计算的一种假说基础。确切地说，《天体运行论》出版时事实上曾有过一段哥白尼本人写的卷首语，这段卷首语是赞成这种看法的。到了17世纪，人们开始认识到，这段说哥白尼体系只能被看作是一种计算假说的卷首语，其作者并非哥白尼。不过，直到19世纪初，博学的天文学家一史学家J．B．德朗布尔依然认为，这篇关于假说的声明是哥白尼本人写的。
在考虑天文学中（而非圆周运动的宇宙学或哲学中）可能发生过的哥白尼革命时，我们必须把哥白尼计算地球运动（或太阳的表现运动）、行星运动和月球运动的系统与托勒密的系统进行比较和对照。哥白尼的方法是否为天文学家提供了更为准确的结果呢？欧文·金格里奇用计算机查明了16世纪这些行星实际所处的位置，并把这些结果与16世纪托勒密星表的制作者所得出的结果进行了比较。他发现，火星黄经的误差为5。。但是他指出：“正如开普勒在其《鲁道夫星表》中所抱怨的那样，1625年哥白尼的火星误差已经接近了5。”（金格里奇1975，86）。简而言之，哥白尼的结果在数值方面并不比（假定要用它们去取而代之的）托勒密的结果更为完善。如果哥白尼采用伯恩哈德·瓦尔特的而不是他本人的观察结果（参见R．克雷默1981），他也许会大大降低这些误差。
哥白尼本人以为他的行星天文学能准确到什么程度呢？据雷蒂库斯记录（《新星表》…MDLl，p．6；参见安格斯·阿米塔奇1957，153），哥白尼曾经说过，如果他的行星理论能与所观察到的行星的位置相符合（亦即，精确到10弧分以内），他本人也会像毕达哥拉斯当年发现那条著名的以其名字命名的定理时一样兴奋不已。然而事实上，哥白尼从来没有达到这样准确的程度。要想了解这一准确值的大小，也许有必要指出，观察者的肉眼平均只能分辨出两两一对相距4弧分的恒星。按照纽格鲍尔的观点（1968，90），在16世纪末第谷·布拉赫以前，精确到IO弧分人们就会认为观察与理论完全相符了。没过多久，10弧分便被人们认为太不精确了，一个理论如果与第谷·布拉赫所确定的火星的观测位置之间有接近这个值的差额，那就可以认定该理论是没有价值的而且应当抛弃。对开普勒来说，在第谷对行星所做的观察中，哪怕是8弧分的误差也是难以想象的。第谷所确定的一些基本星的位置，一般与它们真正的位置相差不到1弧分（A．贝里1898，142），而且可以设想，除了几个例外的情况外，他所确定的行星的位置的误差还没有超过1弧分或2弧分的。在《新天文学》中（1609），�
