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从地心说到日心说所经历的艰难历程

(2016-07-01 11:26:52)
标签:

科学理论研究的创新

新旧理论之间的关系

日心说与地心说

全新的科学理论体系

以史为鉴

分类: 探索宇宙

从地心说到日心说所经历的艰难历程

马海飞

http://blog.sina.com.cn/gfis 201671日)

所有经历过艰难困苦的人都有过这样的感受:正在痛苦中挣扎的时候常常会感到前途无望。但熬过去之后再回头观望,那段经历就像是一个发生在别人身上的故事一样。而对没有亲临其境的后人来说,看到前人的痛苦经历和经历过后的成功,感觉那成功来的似乎很轻而易举和顺理成章。

科学理论的革命性发展也是一样。今天的很多人对日心说取代地心说的过程感到是一件很自然的事情。今天也许会有人这样认为:对地球围绕太阳转这种明摆着的事以前的人有什么好争的。当年的人怎么那么笨,连地球围绕太阳转这么简单的事实都看不出来。就算那些同情哥白尼和布鲁尼等坚持日心说观点的人也仅仅是感情上的同情而已,很少有人知道在从地心说走向日心说的过程中这个新理论到底经历了什么样的艰难历程。

今天的大多数人都知道,日心说是哥白尼提出来的。但这个学说在提出的当时备受攻击。一提到哥白尼的日心说所受到的打击,很多人想到是宗教上的残酷迫害。而对当时学术界对这个学说所起的负面作用不太关心。实际上,真正阻碍日心说普及的并不仅仅是宗教,而学术界的学术权威和“科学常识”才是阻碍人们接受日心说的直接祸根。

哥白尼1542年临终前才发表了他的日心说,之后很长一段时间都没引起学术界的重视。主要原因是:

1、日心说违背常识。在当时的人们心中,地球是宇宙的中心。只有地球是固定不动的。如果地球是在运动的话,人就经过会感觉到。一方面会感觉到地球动,另一方面会感觉到由于地球运动而产生出迎面而来的风。此外,垂直上抛的物体不会落回到原地。从这些常识判断,地球肯定是不动的。

2、由于当时的人不知道万有引力现象,以为整个宇宙中的物体都只能落向宇宙中心,那就是地球。所以,如果地球不是宇宙中心,而太阳是宇宙中心的话,那么,地球上的东西都应该“落向太阳才对”。而这并非事实。

3、哥白尼的日心说在学术上最致命的问题是用他的理论计算出来的结果比用托勒密的地心说计算的结果误差明显地大。这种现象就连今天的人都无法接受。因为几乎所有的科学家都认为新理论肯定都要比旧理论的计算结果更准确。而哥白尼的日心说计算结果却不如托勒密的地心说准确。这是令学术界无法接受的事实。

尽管如此,这世界上总有一些明眼人。这些人对待新理论的态度不是从常识和数学运算的准确性上看那个新理论,而是看那个新理论合理和优越的地方。

哥白尼的日心说虽然违背常识,而且计算结果也不准确,但它却可以非常好地解释托勒密的地心说难以解释的问题。例如,根据托勒密的地心说画出来的火星等其他行星的轨道是不规则的。在某个季节观察的时候朝着一个方向运动,到了另一节行星则朝向相反的方向运动。这不符合逻辑。因此,托勒密后来只好用一个本轮模型来完善地心说。本轮模型就是:每个行星都围绕一个本地的圆形轨道运转。这个轨道叫做本轮。同时,本轮还在围绕着地球转。围绕地球转的轨道叫做均轮。总之,这是一个非常复杂的模型。而且,随着观察和研究的深入,让人感到越来越复杂和难以解释。与哥白尼的日心说相比,这是地心说的唯一弱点。哥白尼的日心说唯一可以胜过地心说的优势就是它对行星轨道的解释非常简单。哥白尼把所有行星的轨道都用同心的正圆表示。在圆心位置上的就是太阳。就是这样一个不起眼的优势引起了明眼人的关注。

丹麦天文学家第谷部分接受了日心说中行星围绕太阳转的观点。他在1583年提出了一个把地心说和日心说折中的模型。在这个模型中,所有的其他行星都围绕太阳转。而太阳则带着行星围绕地球转。这时距离哥白尼提出日心说已经超过了40年。由此可见,日心说在取代地心说的历程上步履艰难。哥白尼都讲得如此明白了,但后人还是无法接受。或是打了折扣地接受。经历了40多年才迈出了这么小的一步。

第谷当时有个助手叫开普勒。他对日心说坚信不疑。在第谷于1601年病逝之后,开普勒获得了第谷遗留下来的丰富观测资料。他在正确的日心说世界观指导下加上天才的能力和努力的工作终于取得了重大成果。开普勒发现,行星围绕太阳转的轨道实际上是椭圆形的,而不是像哥白尼说的正圆形。根据椭圆形轨道就可以计算出比托勒密地心说更准确的结果了。这为日心说的胜利带来了曙光。

但事情并非就此结束。日心说违背常识的部分还是没有得到解决。地球如果围绕太阳转的话,为什么人们感觉不到?解决这个问题的大师是同时代的伽利略。伽利略有个著名的大船思想实验。这个实验说的是:如果人们乘坐在一艘巨大的船舱里,船舱没有可以看到外面的窗户。船以匀速直线形式运动。水面平静如镜。这时,船舱里的人不会感到船在运动。船里的人无论向哪个方向投球,速度都是一样的。无论向那个方向跳远,跳出去的距离都一样。从高处滴下来的水是垂直落地的。伽利略用这个理论解释了为什么地球上的人感觉不到地球运动的原因。

伽利略和开普勒都是日心说的忠实捍卫者。在他们用自己的研究结果证明了日心说是正确理论的时候,已经是哥白尼提出日心说50多年以后的事情了。这也算是科学界正式接受日心说的里程碑。但这时宗教界仍然在继续打压日心说。在1616年的时候罗马教廷还把哥白尼发表日心说的《天体运行论》列为禁书。但日心说在科学界的传播已经不可阻挡。

其实,人们对日心说的疑问在开普勒和伽利略时代并没全部解除。最后剩下的问题就是为什么在地球上把一个物体扔向天空,那个物体不向着宇宙中心的太阳“下落”,而是落回到地球上?众所周知,这个问题是在牛顿发现了万有引力现象的时候才得到解决的。也就是说,日心说的所有疑问是一直到牛顿时代才彻底完全解决了的。历时140余年。其艰难程度不言而喻。

从地心说走向日心说所经历的艰难历程给我们今天的人很多启示。

在一个颠覆性的新理论出现初期,反对它最激烈的人是当时的科学家。科学家本来应该是时代进步的代表,但在颠覆性的新理论出现之际他们却成了阻碍科学发展的主力军。这是很容易理解的。一来是因为科学家的固有观念难以转变,二来是因为科学家的饭碗是靠旧理论打造成的。他们吃了一辈子的旧理论一下子被证明是错的,从任何方面他们都接受不了。从哥白尼提出日心说到伽利略和开普勒接受并证实了这个理论经历了近50年。在这50年之间那些竭力反对日心说的人都相继离世了。这才让后人有机会去接受它。

今天的情况也是如此。当今的物理学家们也是一直吃牛顿的万有引力理论和爱因斯坦的相对论这碗饭过来的。让他们认可任何推翻这些理论的新理论都是很困难甚至是不可能的。

此外,从日心说取代地心说的经过也可以看出,一个新的理论在刚刚出现的时候并不完美。需要后人去逐渐地完善它。对新理论吹毛求疵,用科学常识去进行批判,以及期待新理论比旧理论的计算结果更精确、或要求新理论一下就把所有的问题都解决掉的做法都是反科学的。对新理论的正确态度应该是看其超越旧理论的地方,而不是不如旧理论的地方。

哥白尼的日心说除了在世界观上超越了地心说之外,其他方面并没显出多大的优势。况且,哥白尼对行星轨道的正圆形描述是错的。因此而计算出来的结果也不如托勒密的地心说准确。但这些都不是决定性的问题。世界观的正确才是决定性的问题。哥白尼的日心说就是在世界观上战胜了地心说。

今天的科学家把数学运算结果看得比什么都重要。认为哪个理论的计算结果准确,哪个理论就是正确的。最有代表性的例子就是用对水星近日点进动计算的精确度来决定牛顿理论和爱因斯坦理论哪个是正确的。而日心说的故事告诉我们,这种做法未必正确。计算不准确的理论不一定就是错的。而计算准确的理论不一定就是对的。理论与技术(包括数学计算)不是一回事。

其实,数学运算仅仅是一项技术。它与理论的价值无法相比。哥白尼的日心说是理论上正确,但数学上并不正确。因此,今天的科学家不会用哥白尼的计算方法做任何事情。所以,在今天的教科书里不会出现哥白尼的公式或推导过程等等的。简单来说,哥白尼的贡献就是一个观点。一个世界观的改变。而真正从数学上对日心说做出贡献的人是开普勒。今天的物理学教科书里介绍开普勒成果的字数比介绍哥白尼成果(而不是个人经历)的字数要多多了。但是,在科学发展历史上的定位,哥白尼却比开普勒高多了。

很多人都有一个错误的观点,认为新理论一定是在旧理论基础之上的延续和对旧理论的发展。而日心说的故事告诉我们,这种颠覆性的新理论并不是对旧理论的延续和发展,而是对旧理论的否定。虽然对新理论的出现来说可能离不开旧理论的存在,但新理论并不一定在基本世界观上一定要与旧理论一致。在这种情况下,新理论是无法延续旧理论的。只有把它彻底否定。


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