科学中的革命-第14部分

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道上进行环绕太阳的公转这一物理现象的一种显示”（罗森1971a，408）。
　　　　常常有人说，与托勒密体系相比，哥白尼体系的一个主要的特点就是这种对行星运
动的“自然的”解释。在托勒密体系中，太阳围绕地球运动，它只不过是另一个行星或
“游荡的星星”，对于水星、金星、火星以及木星和土星等的运动为什么表现出一些与
太阳有关的特点，该体系并未作出解释。据说，当这一体系的参照中心从地球转向太阳
时，这种奇怪的现象就变得合情合理或者说可以理解了。不过，就此而论必须注意，在
哥白尼体系中，同样的五个行星的运动特点是与地球相关的，尽管对哥白尼来说，地球
像它们一样也是一个行星（参见纽格鲍尔1968，102…103）。
　　　　哥白尼对他自己的月球运动理论非常自豪。托勒密对月球运动的解释不仅违背了匀
速运动原则。而且对于月球的位置，只有在极大地夸张月球距离的变差的条件下，这种
解释的准确性才能达到可以容忍的程度，尽管月球的表现尺寸与视差并没有什么相应的
变化。在《天体运行论》中，哥白尼（罗森1971，72）毫不含糊地批评了托勒密的月球
理论，因为它预言说：“当月球处在上弦情况下并且位于本轮的最下方时，它…将新月
和满月时看上去几乎大四倍。”同样，“在上弦和下弦时，月球的视差也应大大增加。”
然而，哥白尼断定，任何一位进行细心观测的人“都将会发现，就这两方面而言，上弦
月和下弦月的差别是微不足道的。”在《天体运行论》第4册第3章中，哥白尼充分地阐
述了他自己的月球理论，该理论长期以来一直被认为可能是这一论著中最有独创性的部
分；该理论运用了第二个本轮，即小本轮，它是其中心位于本轮之上的一个小圆。设想
月球是在小本轮上运行，这样就排除了非匀速运动以及明显错误的、人们并未观察到的
所谓表现尺寸的巨大变化。近年来已有学者指出，早在此理论大约一个半世纪以前，大
马士革的天文学家伊本·阿沙特就阐述过这类月球理论（参见E．S．肯尼迪、V．罗伯茨、
F．阿布德以及W．哈特内等人的系列论文），但是我们没有任何证据可以说明哥白尼是
怎样受到他的穆斯林前辈的影响的。（参见哥白尼1978，pp．358，385；De　rev，bk．
3，ch．4）
　　　　《天体运行论》与托勒密的《天文学大成》是密切相关的，它并没有真正构成什么
人们可以察觉到的、焕然一新的离经叛道行为，此外，事实上，在这两部书中，就像在
中世纪的阿尔…巴塔尼的《天文学》中那样，“章与章之间、定理与定理之间、星表与星
表之间”（纽格鲍尔，1957，Zbo）都有着一种对应的关系。只是到了开普勒时代（在第
谷·布拉赫时代也是如此），“这种传统的魔力才被破除”；我们可以同意纽格鲍尔的
这一观点：“在开普勒论火星的著作《新天文学》出版以前，没有哪部天文学著作的标
题像它那样意味深长。”
　　　　J．L．E．德雷尔通常总是赞美哥白尼的成就，但他也不得不得出这样的结论：哥白
尼的著作有“一个严重的缺陷”（1909，342）。不仅哥白尼本人几乎没有进行过什么实
际的观测，而且，由于“对新的观测无所需求”，他的著作因此受损。更确切地讲，这
一缺陷的产生部分是由于哥白尼“过分相信了托勒密所进行的观测的准确性”，部分是
由于“哥白尼在许多方面寸步不离他的伟大前辈。”开普勒显然是第一位作出这样批评
的天文学家，在他的《新天文学》中，他批评了哥白尼试图“更多地去解释托勒密而不
是去解释自然。”几乎所有的评论者都指出，哥白尼和托勒密使用的是同样的资料。纽
格鲍尔（1957，202－206）曾把“托勒密的水星运动的模型与哥白尼理论”加以对比，
他得出这样的结论，即“除了哥白尼坚持用圆周表示每一部分的运动而托勒密则已更为
自由地进行探讨以外，这两种模型就在像投影中显示出的那样，几乎没有什么差别。
　　　　是否曾有过哥白尼革命？
　　　　那么，对于所谓与哥白尼及其《天体运行论》有关的革命，我们能得出什么结论呢？
无论就实用天文学还是计算天文学而言，哥白尼所进行的改革很难说是革命性的，在某
些方面甚至可以说是倒退。不过，在提倡用实在论哲学取代流行的工具主义方面（参见
补充材料7．1），哥白尼或许可以说是富有革命精神的。我们已经看到，有人声称，所
需圆周数目的锐减意味着更进一步的简明性，但是经过严格的考察证明，这类主张是错
误的。推广匀速圆周运动是哥白尼体系的一个特点，从某种特定的物理学观点或哲学观
点考虑，匀速圆周运动的推广比托勒密的等分点更能令人满意，然而这并没有证明天文
观测是件轻而易举的事。开普勒放弃了这种推广。在成功地以本轮轨道为基础构造一个
新的天文学体系时，开普勒首先恢复了托勒密的等分点结构。
　　　　在16世纪下半叶，人们就地球运动问题对哥白尼体系曾有过一番争论（关于这一点，
请参见J．E．L．德雷尔、T．S．库恩、多罗西·斯廷森以及恩斯特·律纳等人的著作）。
我认为，这一点也是很有意义的，即莱因霍尔德制作《普鲁土星表》，是16世纪行星天
文学的发展依赖哥白尼的唯一重要的例子。就这些星表而言，是哥白尼提供了观测、模
型、计算方式以及原始推导和数据，而莱因霍尔德不过是再加工了一下。然而，这些星
表的制作——正如我们看到的那样——“并没有为莱因霍尔德提供机会，以表明其信仰，
而且他也没有暗示，哥白尼体系在物理学方面是否是正确的”（德雷尔1906，346）。简
而言之，尽管有人使用了哥白尼的星表以及他的某些计算方法，但1543—1600年的天文
学文献并未表明有什么革命的迹象。按照第3章所提出的检验来看，我们必定会得出这样
的结论：如果曾有过哥白尼革命，那么这场革命是发生在17世纪而不是16世纪，而且它
是一场与开普勒、伽利略、笛卡尔以及牛顿等人的伟名联系在一起的革命。这些科学家
们所进行的改革使天文学体系发生了如此大的变化，以致于它已经不再是严格意义上的
哥白尼体系了，尽管开普勒出于对哥白尼的尊敬把他的一部巨著取名为《哥白尼天文学
概要》，但这部书是对他自己的革新所作的终极陈述。17世纪许多论述科学问题的作者
并不怎么重视哥白尼（参见补充材料7．2），这也暗示了，在天文学中不曾发生过哥白
尼革命。
　　　　从严格的天文学观点而不是宇宙学（形而上学）观点出发，我们这个时代的早期天
文学研究领域中的杰出学者0．纽格鲍尔（1968，103）就会得出这样的结论：
　　　　现代史学家充分利用事后认识的有利条件，他们强调日心体系和它所导致的简明性
的革命意义。事实上，行星位置的计算完全遵循的是古代的模式，而且所得出的结果也
是同样的。哥白尼的太阳理论肯定是与实际的计算、与根本的投影式观念背道而驰的。
对月球理论而言，应该有第二个本轮并以此代替等分点——我们现在知道，这是些与伊
斯兰天文学的某一学派相似的方法——这种投影式的美妙想法，并不能使人们更容易地
想象行星现象。若不是第谷·布拉赫和开普勒，哥白尼体系只会有助于使托勒密体系以
更复杂但能令哲学家满意的形式永久存在下去。
　　　　按照纽格鲍尔的观点（1957），哥白尼为天文学作出了三项重要贡献。他澄清了从
观测到确定参照值的各个步骤，这是方法论上的一项重要改进。他富有洞察力，发现无
需附加的和任意的假定而凭借简单的计算便可得知行星与太阳的距离。另外，他那所有
行星的轨道有一个统一的中心的假设，为行星纬度的问题找到了答案。
　　　　考虑一下例如1600年的情况，或许除了第谷·布拉赫正在进行的革命外，那时的天
文学中大概没有什么可以觉察得到的革命。当时，第谷·布拉赫正在用他的新方法对天
文学进行全面的改造。这些新的方法包括：使用设计巧妙、制造精良的天文仪器〔规模
很大，并备有“小水平板”系统（a　system　of“pinnules”），以便能指示出细微的弧
的标度的确切的读数〕，使用新的大气折射表、新的观测体系，以及——也许最重要的
是——从事这样一种新的，实践，即夜复一夜地在某个行星可见的全部时间内对它进行
连续的观测。第谷的那些革新像伽利略用望远镜对月球表面所做的观测一样，其本身并
没有在科学中构成一场革命，但它们确确实实地为将会逐渐导致牛顿革命的新的开普勒
天文学提供了新的和准确的数据。
　　　　1616年，哥白尼的学说因其革命的内容而名扬天下，当时，《天体运行论》被列入
了《禁书索引》之中；类似地，伽利略的《关于两大世界体系的对话》在1633年也被禁
止出版了。不过，据说《天体运行论》只是“donec　corrigatur”（在修改前）被禁止，
而伽利略的《对话》却被无条件地列入了《索引》之中；而且，大概直到19世纪，情况
始终如此。在1600年的索引中，《天体运行论》被列入了圣徒会众命令修改的图书的目
录之中，此书的非革命的性质和特点由此昭然若揭。几乎要求进行的所有修改，都不过
是把对实在的陈述或确定的陈述改为对种种前提条件或假说的陈述。例如，第1册第11章
的标题《地球三相运动的证明》被一笔改为《论地球三项运动假说及其证明》。
　　　　以牛顿的《原理》（1687）为顶峰的17世纪物理学所取得的伟大进展，并非起源于
哥白尼那一个圆套一个圆的复杂体系，而是起源于新的开普勒体系（该体系以太阳为中
心，而且每一行星的轨道都是一种统一的简单的曲线即椭圆曲线），起源于显然决非哥
白尼主义者的伽利略和笛卡尔等人的物理学思想。正如我们将在第8章中看到的那样，开
普勒体系差不多在每一基本原理上都与哥白尼相矛盾。在17世纪的大半个世纪中以及以
后的时间里，每当科学家讨论哥白尼体系时，他们几乎总是在指开普勒体系。德雷尔
（1909，344）曾直率而大胆地指出：“哥白尼并没有创造出当今人们所说的‘哥白尼体
系。”’如果说天文学中有过一场革命的话，那么，这是一场开普勒和牛顿的革命，而
决不是什么不折不扣或确凿无疑的哥白尼革命。

第八章　开普勒、吉伯和伽利略：

　　　　物理学中的一场革命？
　　　　那些著书立说论述哥白尼革命的学者们，常常都会得出这样一个结论，即这场革命
在开普勒和伽利略进行革新之前并未发生。实际上，这两位科学家大胆而新颖的思想远
远超出了朴素的哥白尼学说所及的范畴。伽利略是哥白尼学说的热心提倡者，他设法根
据自己用望远镜所做出的发现来证实哥白尼学说。不过，他对运动学的贡献是借助数学
分析和实验完成的，这，比他的前辈哥白尼的工作更富有革命性。开普勒据说也是哥白
尼的一位信徒，尽管他最终放弃了除两条最普遍的哥白尼公理以外的所有哥白尼学说，
这两条公理是：太阳是静止不动的；地球不仅要进行自转，而且还要进行公转。为了取
代《天体运行论》的复杂方法，开普勒提出了一种既新颖又完全不同的论述宇宙的天文
学体系，直到今天，这种体系基本上仍为人们所承认。他还为整个天文学提出了一个新
的力学基础。
　　　　开普勒对天文学具有双重目标的重新构造，显然是最富有革命性的。但我们必须要
问一下，这是一次默默的或非公开的革命，还是一次公开的革命？如果是后者，那么它
是否是在它那个时代发生的呢？从本质上讲，它是否是一次不受外界影响的科学革命呢？
它是否停留在论著革命阶段？对伽利略也必须问同样的问题。我们还应简要地考虑一下
威廉·吉伯的工作；吉伯是与开普勒、伽利略同时代的人，年龄为三者之首。他是位革
命者，这不仅体现在他对实验技术的提倡上，而且还体现在他的思想上，他认为，地球
是一个巨大的球形磁体。这种观点使开普勒从中得到了这样一种暗示，即行星的磁作用
力也许就是致使行星运动的动力因素。
　　　　开普勒：不可思议的革命者
　　　　约翰尼斯·开普勒致力于行星动力学（即对致使行星运动的作用的分析）和一种以
物理学的各种因素而不是以运动学的教条为基础的天文学的研究工作，从某些方面上讲，
他的确是位现代派人物。然而，他的身上依旧带有很深的传统的烙印。他是占星术的忠
实信徒（事实上，他是最后一位重要的集天文学家和笃信不疑的占星术家为一身的人），
他的科学思想中充满了所谓数字神秘主义的色彩，他从宇宙论必然性的基本原理开始论
证。他特别骄傲的是他早期的“发现”，即行星轨道的数目、大小及其顺序与五种（而
且只有五种）规则的几何体的存在之间有着直接的关系。在他最伟大的发现中，有一项
是他幸运地根除了一个重要的数学误差的影响而获得的，不过，他是用另一个误差来抵
消第一个误差的影响的。开普勒是有史以来最伟大的天文学家之一；但我们还是可以轻
而易举地把他的一些著作汇集成册，而这些著作表明，他的思考和他的学说是多么不科
学。
　　　　开普勒1609年发表的那部论著的标题，勇敢地表明了他的天文学所具有的革命性；
他说，他已经创造出了一门新的天文学。这门天文学之所以新，其理由不下数种。但开
普勒在这部著作的书名中只是强调，这门新的天文学是“以各种原因为基础的，”并强
调它是一门“新的天文学”（开普勒把这个字印成了希腊文）。或者，还用这个标题，
但是可以说，这本书是一部Phpica　Coelestis或天体物理学著作。开普勒用这个术语似
乎已经表明，他正在迈出超越亚里士多德的一步。亚里士多德的形而上学是继他的物理
学之后发展起来的，开普勒要用他本人的新的天体物理学代替亚里土多德的形而上学。
正如开普勒在1607年10月4日写给约翰·乔治·布伦格尔的信中（1937，16：54）指出的
那样，在他即将出版的书中，他要提出他的新的“哲学或天体物理学，以便取代天体神
学或亚里士多德的形而上学。’”在《新天文学》的导言中，开普勒作了类似的陈述，
他进一步说明，他已经对“运动的自然原因”进行了探讨和研究（3：20）。该书是一部
相当激进的纲领，激进到要用天体的致动作用来说明行星的运动，若想了解其激进程度
只需注意：在这方面，开普勒可谓是前无古人，且在当时又无知音。甚至伟大的伽利略
也不曾构想过天体力学这样一种导致运动的动力体系。难怪亚历山大·科伊雷（1961，
166）激动地写道，“开普勒著作的标题所表明的不是征兆而是一场革命。”
　　　　开普勒的天文学，完全是根据这一学科的目的、方法和基本原理对它进行的一次全
面的重建。在开普勒以前，天文学家的目标纯粹是摄影式的，也就是说，他们的目的是
要创建一种（以一个圆套一个圆为基础的）天体几何学，这种几何学给出的行星的位置
是与观察相一致的。开普勒要找出运动真正的物理原因，亦即运动的理由，而不仅仅是
去发明或完善几何系统。因为他认为，太阳是这里所说的动力的中心，太阳肯定位于宇
宙的中心。因此，真正的太阳——而不是哥白尼的“平太阳”——位于所有行星轨道平
面共同的交叉点。
　　　　至于方法，开普勒所关心的是，在对轨道、对匀速运动等等完全没有任何随意的或
有限制力的限定的情况下，借用数学来找出由太阳的作用力所致的实际的行星轨道的曲
线（大小、形状、方向）。经过一番辛苦的努力他发现，每一颗行星都是在呈椭圆形的、
简单凸曲线的轨道上运动。对大多数行星而言（水星除外），其椭圆形轨道的形状与纯
圆形相差不大，但是，太阳并非位处中心，甚至不是处在接近中心的位置上；情况很像
是这样，有一个圆形轨道（或者说，准圆形的椭圆轨道），而太阳明显地不在它的中心
上（或者说是偏离中心的）。开普勒还发现，行星沿着椭圆轨道的运动，并非是匀速的，
而是直接与面积定律相吻合的。这个定律同时解释了为什么每个行星在近比点（或在靠
近太阳的轨道上）运动得很快，而在远日点（远离太阳的地方）却运动得很慢。
　　　　开普勒的天文学就是一种与其物体概念直接相关的力的天体物理学，这种力的天体
物理学是以一组新的运动原理为基础的。在他看来，一个行星或行星的卫星（“卫星’
这个词是他引入天文学的），或者，某一物理客体，像是一块没有生命的大石头；它本
身没有什么内在的或能动的力。由于具有这种情性（开普勒称它为“惯性”），这种物
体既不能自己使自己运动起来，也不能保持自己的运动。要想运动，这种物体就需要有
一个推动作用。显然，由于这种被动性或惰性，无论何时何地，一旦动力消失或不再起
作用，物体必然会停止运动。对于双世纪的读者来讲，这似乎不是什么激进的结论，但
它与2000年来受亚里士多德思想制约的科学和哲学的观点却是针锋相对的；按照亚里土
多德的思想，一个物体，只有在它到达了它的“自然位置’对才会停止运动。这种自然
位置学说假定了一种等级制空间，在其中，重的物体“自然而然”会向下面的一个中心
运动，而轻的物体则向上运动。天国中物体运动的空间不同于“尘世”中物体运动或静
止的空间，这是因为，这类物体在自然界中的等级不同而且它们的终极构成也不同。显
而易见，像开普勒这样一个信奉哥白尼学说的人，既已采纳了地动说观点，那就必须放
弃自然位置信条以及与之相关的等级空间学说。开普勒提出了以下新的基本原理：空间
是各向同性的，空间是不分等级的，并不存在什么自然位置，而且，物质是惰性的。在
提出新的原理时，他揭示出了哥白尼思想所暗示的东西，即地球本身以及月球和其它行
星都属于同一物理学的研究范畴。开普勒关于惯性、力以及运动的物理学原理，暗示着
亚里土多德宇宙学的终结和牛顿科学时代的即将来临。
　　　　如果所有行星的运动都直接受太阳运动的支配（因为所有行星都沿着椭圆形轨道运
动，而太阳处在椭圆的一个焦点上，况且，所有行星在轨道上的运动都受据认为与太阳
有关的面积定律制约），那么必然存在着一种作用于行星之上指向太阳方向的力，这是
从开普勒的这一思想中推出的：行星本质上是惰性的，因而必须要有一种力来保持它们
在轨道上的运动。开普勒得出结论说，这种力肯定是磁性的力。他知道，威廉·吉伯证
明，地球是一个巨大的球状磁体。既然地球是一个行星，为什么别的行星不会是磁体。
太阳不会是磁体呢？太阳和行星的磁极方向决定了轨道是椭圆形的而不是纯圆形的。
　　　　开普勒的惯性概念与伽利略（后来又被笛卡尔加以完善）和牛顿所发展的惯性概念
不同。不过，他的天文学与牛顿的天文学更为相象，而不怎么像伽利略或笛卡尔的天文
学，因为他把轨道和轨道运动与作为成因的力联系了起来。开普勒可能对力的函数有过
错误的认识（认为力的变化与距离而不是与距离的平方成反比），但这并不重要，重要
的在于，也许是他首先构想出了一种天体的作用力，并且认识到了这种力的作用肯定是
某种与距离成反比的函数。
　　　　开普勒在《鲁道夫星表》的前言中曾经指出，他的（我们愿说是具有创新性和革命
性的）工作有一个主要的特征，那就是整个天文学“从非真实的循环论证向寻求自然原
因的转变。”开普勒说，哥白尼是后验地在观察的基础上创造出其体系的，但是他断定，
宇宙的真实排列可以先验地从宇宙观之中、从物质的本质和属性之中得到证实。的确，
开普勒认为，如果亚里土多德还活着的话，这样一种证明甚至也会使他感到满意的。因
而开普勒相信，在追寻终极因方面，他已经远远超过了哥白尼。他在1603年7月4日给法
布里休斯的信中（1937，14：412）写道，他的天文学业已得到了天文观察的检验和印证。
从这种意义上讲，正如埃里克·艾顿1979年3月17日给我的信中指出的那样，开普勒的
“先验推理包含的并非是必然的结果，而只是一些可能的结果。”
　　　　毋庸置疑，开普勒为天文学的发展提出了一个革命性