哥白尼和他的天文学范式

[摘要]：哥白尼是历史上最伟大的天文学家之一。他给我们带了一场全新的关于宇宙知识的革命。哥白尼在天文学上的贡献大致可以分为两个方面：1）从托勒密的“地心说”转到“日心说；2）他的贡献也引起了人们思维方式的转变。可以说他奠定了近代天文学发展的范式，本文将采用案例研究（Canse Study)方法，首先对他在天文学中的工作，尤其是第一个方面即关于他的“日心说”对于“地心说”扬弃，作一个历史的论述，然后我将用科技哲学中库恩(Kuhn)的“范式”理论去分析这一历史案例，并进而检验库恩“范式”理论的一些哲学结论的恰当性。

[关键词]：地心说  日心说  库恩  范式  科学革命

一、哥白尼的天文学革命

每当史学家们著书立说论述科学中那些富有戏剧性的变化时，首先跃入他们心头的便是宇宙中心问题的根本性转变，这一转变，一改那种把地球看作是宇宙的静止不动的中心的观点，而认为太阳是宇宙的中心，地球也仅仅是一个与其它行星相同的小行星。这一变革，亦即众所周知的哥白尼革命，常常被描述为我们参考系的一次全面的变更，它在许多层次上都引起了反响。宇宙学上的这一转变被看作是富有革命性的转变；所以哥白尼是一位“反叛的宇宙设计师”。库恩对这一革命的评价更高：说它是“天文学基本概念的革新”，是“人对大自然的理解的的”一次“根本性”的变更，还是“西方人价值观念转变的一部分”。[①]但是有学者认为，“哥白尼革命只不过把天体看上去的周日运动归因于地球围绕其轴线的那种自转，把它们的周年运动归因于地球围绕太阳的那种公转。”对于哥白尼革命的评价不是本文论述的重点，故不在过多的阐述。

二、哥白尼对托勒密天文观的扬弃

在《天文学大成》这本书中，托勒密宇宙体系有四个假定：第一，天是球形的而且像球那样转动；第二，地球是球形的；第三，地球位于天的中央；第四，地球静止不参与转动。而且为了论证“地心说”的正确性，托勒密动用了大量的均轮和本轮，并且在计算中需要很多圆的数目，从而使他的宇宙体系复杂而烦琐。哥白尼遵循科学简洁性原则，对此进行了彻底的改造。哥白尼在《天体运行论》（1543）中所要做的工作就是：寻找支配行星运动的几何定律：（1）解释行星运动（2）预言行星的未来运动。他说：“必须用最强烈的感情和极度的热忱来促进对最美好的、最值得了解的事物的研究。这就是探索宇宙 神奇运动，星体的运动、大小、距离和出没以及天界中其他现象成因的学科。”从而哥白尼提出了自己的革命性见解：（1）地球的三重运动：即 周日自转、绕日公转和赤纬运动（“倾角的运动”）（2）太阳是宇宙的中心，哥白尼充满诗意地说： “静居在宇宙中心处的是太阳。在这个最美丽的殿堂里，它能同时照耀一切。难道还有谁能罢这盏明灯放到另一个、更好的位置上吗？”[②]可以说哥白尼用更加简洁的科学方法证明了“日心说”的正确性，从而对天体的运行证明更加简明和精致。

三、哲学引申意义

作为宇宙学史上最重要的一页和科学史上最重要的几页之一，“日心说”发现的案例也许对我们有更多的哲学意义，然而本文将主要围绕库恩的科学范式理论来讨论其哲学意义，我们将用库恩的范式理论分析该案例，并进而检验库恩“范式”理论的一些哲学结论的恰当性。比如对库恩的“范式”理解问题，范式的转换问题，跨范式理解的可能性，范式的运作方式等等。

库恩在《科学革命的结构》中给“范式（paradigm）”下了一个定义，即“某些实际科学实践的公认范例，它们包括定律、理论、应用和仪器在一起，为特定的连贯的科学研究的传统提供模型。”[③]而且库恩认为“范式”有两个特点：1）史无前例的科学成就；2）树立了解决问题的典范；而哥白尼的天文学革命范式完全符合这两个特点。对于“地心说”占绝对优势地位来说，“日心说”的提出可谓是冒天下之大险啊！宗教思想在当时严格控制着人们的思想言行，所有的思想绝不能与宗教所宣扬的上帝创造世界的观念相抵触。“地心说”是当是流行的宗教思想的理论基础，一旦被打破，宗教的神秘性与欺骗性就一扫而空，宗教的地位将受到严重威胁！在如此森严的环境中，是哥白尼勇敢地向这千年的理论发起了攻击，从而一反常规，大胆提出史无前例的“日心说”。哥白尼“日心说”的提出继承了古希腊的和谐精神以及在数学上的简洁原则。吴国盛教授指出：“如果按照托勒密的观点，依托本轮套均轮去证明行星的运动，显然是没完没了。哥白尼认为，在行星运动中间，内行星与外行星的运动是有明显区别的，在托勒密的体系中是说明不了这种区别，哥白尼认为把太阳放在中间，一些问题都解决了。”[④]常常有人说，与托勒密体系相比，哥白尼体系的一个重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，太阳围绕地区运动，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。但是，当这一体系的参照中心从地区转向太阳时，这种奇怪的现象就会变得合情合理或者说可以理解了。哥白尼的“日心说”不但树立了解决问题的典范，而且哥白尼的粗略模型已经比托勒密的竞争模型具有了超前的预测力。

我们也可以用范式的转换理论来研究这个案例。 哥白尼和托勒密之间的冲突可以看作是两个相互竞争体系的冲突，他们的基本理论承诺不同,使用的基本研究方法不同,关心的研究问题也不同。并不像贝仁贞所说的那样：“哥白尼和托勒密之间的区别仅集中在一点上，即太阳系的理论安排，从哲学、宗教、动机和研究方法等方面来看，哥白尼还是相当保守的，尽管他的天体模型具有长远的深刻意义，他的科学术语和理论构造（本轮均轮的理论构造）几乎和托勒密的相同，他的体系更象是托勒密体系的一个修改，而不像是基本思维的转换。”贝仁贞似乎更强调二者的联系，而哥白尼对托勒密体系的彻底改造么没有发表自己的见解。笔者认为应该用另一方式来看待哥白尼-托勒密转换，如果说天文学在哥白尼一个人手上的变化并不太大，但发生在16世纪和17世纪的天文学革命，作为一个整体，是一个大得多的变化。托勒密范式是一个长期存在,广泛被接受已达1500年，且高度制度化的理论体系，在当时社会的哲学和宗教中根基较深。而哥白尼转换了观察问题的视角，使用新的范例来证明自己“日心说”的正确性，从而实现了范式之间的转换。该范式转换在以后社会各领域有更广泛的冲击。

哥白尼在这个新范式中的角色。 如前所述，哥白尼的“日心说”对他以后的天文学的发展做出的最关键的贡献。在范式的后续发展阶段，哥白尼也做出了自己的贡献。哥白尼的工作对开普勒和伽里略产生了深刻的影响。“开普勒据说是哥白尼的一位信徒，尽管他最终放弃了出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：地区不仅要进行自转，而且还要进行公转。”[⑤]伽里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来的发现来证实哥白尼学说。并通过他们二人而影响到牛顿的力学革命。说哥白尼不是近代天文学范式的唯一重要贡献人，他也是少数几个重要贡献人中最重要的一位。我们可以毫不夸张地说，一场深刻的天文学革命的确在哥白尼手上发生了，近代的天文学范式是哥白尼的范式。

然而，尽管库恩认为两个范式之间可以转换，但是他又认为，范式为科学家观察世界提供了一个概念网，不同的范式把科学家的研究导向不同的问题领域，以不同的方式来解释相同的观察数据。不同的范式具有不同的本体论、基本理论、研究方法、研究目标、甚至不同的合理性标准。所以，主张不同范式的科学家，生活在不同的世界，跨范式的理解是不可能的。也就是说，竞争者的范式支持者之间，在观点上总难有完全的沟通。这种不可能表现在：“首先，竞争着的范式的支持者对于候补范式所应解决问题的清单看法不同，他们的标准或科学的定义并不一样；其次，……但是新范式很少以传统的方式去应用这些借过来的要素；最后，就某种我无法再进一步解释的意义而言，竞争着的范式的支持者在不同的世界中从事他们的事业。”[⑥]也就是说不存在客观的跨范式的比较和评价标准。但是，正如科恩所说：“即使一位新手也能看得出，《天体运行论》与《天文学大成》中的图解，在几何学方法和构图方面有着某种亲缘关系。”[⑦]科恩的意思非常明显，两个范式之间是有联系的，而不是毫无共通之处。库恩自己对于在哥白尼体系中和谐性的意义给予了充分的强调：“从纯粹实践角度看，哥白尼的新行星体系是一个失败；它并不比其托勒密派的前辈更精确，也没有显著的简化……正如哥白尼自己认识到的，日心天文学真正的吸引力是审美方面的而不是实用方面的。对天文学家而言，在哥白尼体系和托勒密体系之间最初的抉择纯属偏好问题，而偏好问题是最难界定和讨论的。不过，就像哥白尼革命本身表明的，偏好问题并非无足轻重。能够辨认几何上的和谐性，就能感觉出哥白尼日心说天文学中新的简洁性和一致性，假如没有看出这种简洁性和一致性，就不会有哥白尼革命了。”[⑧]当库恩这样评价时，也就意味着他对这两个范式进行了比较，况且这种比较本身就意味着有某种标准在里面。

库恩认为：从一个处于危机中的范式向一个新范式的转移，远不是可以通过旧范式的延续和接合发展而达到的一个积累的过程，积累式的理论创新不仅事实上是罕见的，而且理论上也是不可能的。相反，新范式是一下子出现的，有时是在半夜，在深陷危机的某个人的心中，范式的改变就像格式塔转换。在哥白尼死后近百年，哥白尼学说几乎没赢得几个信徒。就是说“日心说”提出之后，当是没有人接受这一理论，因为它不能解释一些现象，比如，塔底问题、飞鸟问题等等，而这些用“地心说”都是可以解释的。只有在伽利略用实验验证了物体的惯性定律以后，这些问题才得以解释。而且，伽利略用自己发明的望远镜观察的结果证明托勒密是错误的，“所有这些发现都是与哥白尼的这一命题相一致的：地球只不过是另一个行星；也就是说，……他业已说明了哥白尼体系的正确性。”[⑨]显然，据此案例，我们可以说，新范式的萌芽也许可能是在半夜，在深陷危机的某个人的心中，新旧范式的转换则不是一夜之间可以完成的，它可能持续很长时间，特别是在天文学中，科学家有时不得不等待，或者等待一次观测机会，或者等待更长的时间间隔，或者等待更大望远镜的建造，最重要的是要等待科学群体中的一个个科学家改变他们的想法。

从库恩的理论中我们所能推出的最重要的结论是科学哲学中的相对主义，即相互竞争的两个范式之间的关系是不可通约的(Incommensurable)，或者说不可比较的关系。如果跨范式的理解是不可能的，那么就不存在客观中立的标准来比较相互竞争的两个范式的优缺点，科学家在两个范式之间所作的任何理论选择本质上是盲目，主观，相对的。如果这样的话，那么哥白尼的天文学革命从何而来，这就成了疑问了。相反，正如“日心说”的案例所显示的，如果跨范式的理解是可能的，我们显然就要从新考虑库恩的不可通约命题及我们关于科学的相对主义的结论。

笔者并不打算否定库恩的范式理论，其实，库恩本人也意识到自己的“范式”缺陷，而且他也进行了必要的补充和论证。但是通过对哥白尼革命这一案例的分析，我想至少能得出两点结论。第一，我们不应该用一个科学史案例就否定一种科学哲学理论。与自然现象不同，作为一种社会现象，科学发展的模式以及科学家的行为模式可以是千变万化的，别的案例可能与库恩的理论符合得更好；第二，即使是本文所讨论的哥白尼革命案例也并非全面否定库恩的理论，相反，它表明范式的现象的确存在。库恩的理论正确地抓住了科学发展的某些最重要的特征，的确是人类思想史上的一座里程碑，库恩的范式概念将长期存在下去。只是我们不得不指出，实际的科学实践不会整齐划一地按照科学哲学理论所描述的某种模式来运作，科学家的行为不会都是理性或都是非理性的。这是本文得出的最终结论。