世界近代前期科技史-第6章
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运动的。通过自己的体系，他既证明了托勒密体系的缺陷，也指出了哥白尼
体系的不足。
尽管第谷本人没有直接发展哥白尼的学说，但他对积累天文现象所作的
贡献是空前巨大的，他的卓越观测成果，为刻卜勒的工作奠定了基础。
（4）刻卜勒的研究
1601年，第谷临终时把大量宝贵的观测记录传给了年轻的助手刻卜勒
（1571—1630年），希望他利用这些资料改进天文图表，进而证明第谷的理
论。但刻卜勒日后取得的成就，远远超出了这个范围。
①《宇宙的奥秘》。刻卜勒出生于符腾堡，父亲曾任职于当地新教教会。
他在少年时进入符腾堡隐修院学习，曾把当牧师作为理想的职业。1587年开
始，他就读于蒂宾根大学，在这里听了赞成哥白尼日心说的麦斯特林教授的
天文学课程，并因此而成了哥白尼学说的信徒。1591年，他获得硕士学位。
为了谋生，他于1594年中断了在蒂宾根大学的神学课程，到奥地利南部的格
拉茨地方担任路德派学校的数学教师。他同时还编写占星历书，以贴补生活
之需。
刻卜勒的思想中具有毕达哥拉斯神秘主义的某些痕迹，他认为自然界具
有数学的简单性，行星是依照几何定律运动的。1596年，他出版了自己的第
一本著作—《宇宙的奥秘》。该书以5种正多面体的几何结构，来解释当时
已知的包括地球在内的6大行星与太阳的距离。作为哥白尼的信徒，他希望
自己的构想能够证明哥白尼的学说。他甚至在做这项工作时不断地祈求上
帝，“如果哥白尼说的是真的，那就让我成功吧！”他进行了大量的计算，
以验证自己的想法是否与哥白尼的轨道理论吻合。根据上述构想计算出的结
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果，与通过实际观测推算的距离基本相符，虽然并不完全一致，但刻卜勒认
为这是观测的误差所致。这本在哥白尼的《天体运行论》问世50多年后出版
的著作，是对哥白尼体系所作的第一次重要的公开辩护，但刻卜勒也修正了
哥白尼。他在确定行星轨道时，不是以地球偏心轨道的中心为参考，而是以
太阳作为参考，因为据此得出的数据与他的正多面体结构的构想更为吻合。
《宇宙的奥秘》出版后，刻卜勒把它寄给了第谷，并由此而同他建立了
通信联系。刻卜勒在书中表达的关于宇宙和谐的思想，受到第谷的赏识。1600
年，刻卜勒到布拉格同第谷会面，并留下来为第谷整理行星观测资料。第谷
逝世后，刻卜勒把根据这些观测结果编制准确的星表和探索与哥白尼学说一
致的行星理论作为自己的任务。前一项任务于1627年取得了结果，刻卜勒编
制出了望远镜出现之前最好的星表，它以第谷和刻卜勒的保护人鲁道夫二世
皇帝的名字命名，称“鲁道夫星表”。后一项任务的进行，则导致了宇宙天
文学的重大突破。
②发现行星运动定律。在探索行星运动规律时，刻卜勒注意到，太阳不
仅位居中心，而且也是力量的中心。他起先认为，太阳有一个“运动精神”，
它推动行星沿着各自的轨道运动，行星离太阳越近，受太阳运动精神的影响
也就越大。后来，他对上述表达作了一个重大的修改，即用“力量”一词代
替了“运动精神”的提法，从而使自己的天体物理体系的意义更加完整，并
因此而使得对宇宙的解释从有机转向机械。刻卜勒指出，很有可能，“天体
机器并非神圣的有机体，而只是一个时钟结构……因为各种各样的运动是通
过物体的一个单一而十分简单的磁力产生的，正如钟内的所有运动都只是一
个十分简单的钟锤所产生。”他的这一思想大概受到了英国科学家威廉·吉
尔伯特（1544—1603年）的影响。吉尔伯特在1600年出版了关于磁性研究
的著作，其中有关于地球是一个巨大球形磁场的思想。
刻卜勒的最大成就，是发现了行星运动的三大定律。
刻卜勒对火星的运动进行了长时期的艰苦研究。他在用哥白尼的匀速圆
周运动理论计算火星轨道时，得出的结果同第谷的观测数据至少相差 8弧
分。这个误差在当时条件下不算很大，但刻卜勒相信第谷的观测误差不会大
于4弧分。于是，他放弃了行星作匀速圆周运动的理论，而在反复计算之后
得出了新的结论：行星绕太阳运动的速度是变化的，其轨道是椭圆形的曲线。
1607年10月，刻卜勒在给友人的信中表示，在他即将出版的书中将提
出一种新的哲学或天体物理学，以取代亚里士多德的天体神学或形而上学。
1609年，他的《新天文学》一书出版，他认为，此书探索的是“运动的自然
原因”。而在他之前，还没有人用天体力学去解释行星的运动。这是一项具
有革命性意义的研究。以前，天文学只是为了产生一种能使行星位置与观测
一致的天体几何学；而刻卜勒的目标是寻找天体运动的真实物理原因，而不
仅仅是去发明或修正几何结构。
在《新天文学》中，刻卜勒提出了火星运动的两条定律：1。火星的轨道
是一个以太阳为一焦点的椭圆；2。太阳到火星的矢径在相等的时间内扫过相
等的面积。随后，他把这两条定律推广到其他的行星、月球以及木星的一颗
卫星。
1619年，刻卜勒又在《宇宙和谐论》中提出了他关于行星运动的第三条
定律：各个行星运行周期的平方与其离开太阳的平均距离的立方成正比。在
这里，运行周期指的是行星沿轨道运行一周所需的时间，离太阳的平均距离
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指的是行星绕日运行椭圆形轨道离太阳的最大距离与最小距离之和的一半。
用刻卜勒三定律计算出的行星轨道与第谷的观测是吻合的，与近代观测
的结果也是一致的。全部九大行星——包括当时尚未发现的——都是按照这
三个定律而围绕太阳旋转的。
刻卜勤极大地发展了哥白尼的学说。事实上，到最后他除了保留哥白尼
的两个最基本观点——太阳静止地位于中心以及地球自转和公转——之外，
几乎放弃了哥白尼学说中所有别的东西。他不仅建立了一个新的宇宙天文学
体系，而且为整个天文学提供了一个新的动力学基础。行星运动定律的发现，
成为后来牛顿万有引力概念产生的基石。
刻卜勒的个人遭遇是令人同情的，伴随他走完人生旅程的，基本上是贫
困、孤独和疾病。但他在逆境中奋斗不息，为天文学和物理学的革命作出了
卓越的贡献。
（5）伽利略的发现
当刻卜勒正在孜孜以求地计算行星轨道、进行天文学理论的改造之时，
在意大利，另一位伟大的科学家伽利略（1564—1642年）也在从事天文研究。
①望远镜中的星空。在用望远镜观察天体并宣布一系列重大发现之前，
伽利略已是享有盛誉的物理学家和数学家。
1564年2月15日，伽利略出生于意大利的比萨。他的父亲是个破落贵
族，酷爱音乐和数学。伽利略幼年时期就已表现出对周围事物的强烈兴趣，
而且喜欢探寻究竟。父亲希望他学医，认为这样既能发挥他的才能，也可找
到收入丰厚的职业。18岁时，伽利略尊从父命进入比萨大学攻读医学，但数
学和物理更使他着迷。在数学教师的帮助下，他从学医改为学数理。
在天文学方面，伽利略很旱就接受了哥白尼的学说。他在1597年给刻卜
勒的信中写道：“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
搜集了许多论据来驳斥这些观点，但我不敢公布这些论据。”伽利略在信中
提到，伟大的哥白尼成为人们嘲笑的对象，这使他担心公开发表自己的见解
会造成麻烦。很显然，这种担忧并非是多余的，布鲁诺就是由于信奉包括哥
白尼学说在内的“异端邪说”而在三年后被宗教法庭烧死的。
然而，作为一个科学家，伽利略不能不同他已证实的谬误作斗争。1604
年，一颗新星的出现和对它的观测，使他同刻卜勒紧密合作，同亚里士多德
派进行了论战。根据亚里士多德派的观点，这颗新星是不可能存在的。
1608年诞生的一项发明，为天文学开辟了一条新的道路。这一年，有个
名叫汉斯·利帕希的荷兰制镜工匠制成了一种奇妙的“眼镜”即后来所称的
望远镜，用它看远处的物体就象近在眼前一样。伽利略听到这个消息后受到
启发，立即动手自己制造这种仪器。最初制成的望远镜结构比较简单，即把
透镜安置在铜管的两端，用它进行观察，比用肉眼观察可以近3倍、放大9
倍。后来经过改进，观察距离可近30倍，形状放大可达1000倍。
当伽利略把他的望远镜对准天空时，他获得了前所未有的重大发现。1610
年3月，他出版了一本名为《星的使者》的小册子，报道了自己从望远镜中
看到的一切。望远镜清楚地把无数前所未见的恒星展现在他眼前，这些恒星
的数量比已知的要多10余倍。望远镜中的月球表面，并不象人们原来认为的
那样平滑和光亮，而是粗糙不平，就象地球表面一样到处是巨大的突起物、
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深深的峡谷和蜿蜒弯曲的东西。望远镜使有关银河系或银河的争论有了结
果，因为银河系只不过是无数聚集在一起的星星而已。伽利略还宣布了一个
他认为是最重要的发现，即有4颗星围绕着木星按自己的轨道运行。伽利略
指出，这是最令他惊奇并促使他提醒所有天文学家注意的现象，因为它证明
地球不是宇宙中唯一有自己卫星的行星，也证明一个像地球那样的星体可以
在别的星体围绕其运行的同时，自己又围绕另一个星体运行。他认为，这是
支持哥白尼体系的显著而又极好的证据。
在《星的使者》发表之后，伽利略继续用自己的望远镜发现了一些重要
的现象，并为证实哥白尼体系提供了更多的依据。按照托勒密的学说，金星
光亮的一面将始终朝着太阳，而不可能完全朝向地球；而哥白尼曾预言，金
星像月亮那样也会出现相变。约在1610年底，伽利略发现了金星的周相：当
它呈圆形盘状时，比它呈月牙状时小得多。这一发现有助于说明金星也是环
绕太阳运行的。伽利略还注意到了土星的外形。他在1610年7月30日给朋
友的信中写道：“我已经发现，土星由3个球体构成，他们几乎相触，从不
改变相对位置，并沿着黄道带排成一行，中间的球3倍于另外两个。”但他
后来又注意到，中间大球两边的小球消失了。实际上，他是首次发现了土星
环，只是由于其望远镜的能力所限，而未能确定，因为从地球上看，土星环
的形状是变化不定的。1610年10月，伽利略还观察到了太阳黑子。在此前
后，刻卜勒和法布里修斯以及沙伊纳等人也注意到了太阳黑子的存在。伽利
略确认了黑子位于太阳本身之上的观点，并根据太阳黑子由东向西的移动而
确定太阳围绕自己的轴转动。
伽利略的成功使他声名远播。1611年他前往罗马，在那里受到教皇保罗
五世的接见和耶稣会神父们的欢迎。未来科学协会的先驱天猫座学会为他举
行了宴会并向他表示敬意。但是，还有许多教会权威人士和学者或者拒绝用
望远镜来观察天体，或者认为通过望远镜得到的观察结果是虚幻的和不真实
的，或者不接受伽利略对于望远镜中看到的一切所作的解释。
但伽利略对哥白尼学说的热情有增无已，因为他的发现证明了哥白尼关
于地球只不过是太阳系中“另一颗行星”的观点是正确的。1613年，他发表
了《关于太阳黑子的信》，表达了自己对哥白尼学说的信念。此书在欧洲广
为流传，也引起了教会的不安。虽然伽利略力图证明《圣经》和哥白尼的理
论都是正确的，说上帝通过《圣经》的语言和自然的语言这两种形式来沟通
真理，他还是在1615年受到警告。次年初，有关太阳位于宇宙中心和地球在
运动的观点，也被宗教法庭宣布为虚妄的异端邪说。
②《关于两种世界体系的对话》。在此后的10余年间，伽利略潜心于自
己的研究工作而很少发表言论。但到1632年，他发表了《关于两种世界体系
的对话》这部新著，再次震动了学术界和思想界。为了使自己的见解能为平
民百姓所理解，伽利略此书没有使用当时学术著作惯用的拉丁语，而使用了
意大利语。为了避免过于直接的表态触怒教会，他以三个朋友谈话的形式表
达了支持或反对哥白尼体系的辩论。
《对话》没有公开为哥白尼的体系辩护，但在实际上为这个体系作了有
力的说明。书中以望远镜观察到的月球表面、新星、太阳黑子等无可回避的
事实，驳斥了亚里士多德的学说。在谈到是所有天体24小时内绕地球旋转一
周、还是地球在这个时间内绕自己的轴转动一周而引起星空的视运动问题
时，《对话》使人感到，地球转动的说法更可信服。《对话》解释了人们观
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察到的行星的停止和逆行现象，认为这是由于地球的周年旋转而引起的。
当时，被奉为权威的亚里士多德学说，阻碍人们接受太阳居于中心和地
球运动的新体系。亚里士多德认为，如果地球沿着绕太阳的轨道运行，那么
恒星的视在位置就应发生变化；如果地球是转动的，那么一个垂直上抛的物
体不应落到把它抛出的那个位置而应稍为偏西，因为该物体在空中时地球已
朝东转过了一点，但在事实上物体一般都落到原来的位置；如果地球是转动
的，那么地球表面不很靠近两极的物体将被离心力甩出地球表面。《对话》
一一反驳了这些观点。该书认为，由于恒星与地球的距离极为遥远——至少
是太阳与地球距离的1万倍，所以地球绕太阳运行时的恒星视差不易被觉
察。该书引用惯性定律解释了上抛物体落回原地的问题。例如，从一艘静止
的或正在航行的船只的桅杆顶部落下的石头，都是落在桅杆脚下。在船只静
止的情况下，桅杆、石头和空气同等地共有地球的自转运动，因此石头坠落
时通过的空气将不影响其坠落的方向。如果在船只航行时石头的坠落有微小
的偏离，那就是由空气的阻力所引起的，因为相对于航船来说，空气处于静
止状态。至于离心力的问题，《对话》认为，由于地球绕自己的轴转动的速
度较慢，所以离心力比引力要小得多，地球表面的物体因此而不受地球自转
的影响而留在其表�
