他们反对哥白尼，但他们都是好科学家

400多年前，那些反对“哥白尼学说”的人，也有一些基于科学的、相当合理的有利论据。虽然事实最终证明他们错了，但这并没有使他们成为糟糕的科学家。无论是过去还是现在，对他人的研究提出严谨的反驳意见，一直是科学研究中的挑战和乐趣。本文来自微信公众号：环球科学（ID：huanqiukexue），作者：丹尼斯·丹尼尔森（Dennis Danielson）、克里斯多夫·M·葛兰尼（Christopher M. Graney） ，翻译：张卜天，题图来自：视觉中国

2011年，日内瓦附近的欧洲核子研究中心（CERN）的一个研究小组，向730千米外的意大利格兰·萨索国家实验室（Gran Sasso National Laboratory）发射了一束中微子。研究人员在测定中微子飞行时间时发现，不知为何中微子的速度似乎超过了真空中的光速。科学界对这一惊人结果有何反应呢？

几乎所有人都没有放弃确立已久的爱因斯坦学说（即任何物体的速度都不可能超过光速），他们认为一定是研究人员的测量结果出了问题（事实证明的确如此）。

现在，想象我们处于400年以后的未来，那时爱因斯坦的观念已经被取代；科学家早已用实验证实，中微子的确能够超光速运动。如果我们在那时回顾今天的物理学家，会如何解释他们不愿接受这一证据的行为呢？我们会因此断言21世纪的物理学家顽固不化、不愿接受新思想吗？或者说他们这样做是出于非科学动机——一群保守的爱因斯坦主义者恪守着传统和权威的规定？

我们希望今天这些“顽固”的科学家能够得到更公正的评价，他们不愿放弃合理的结论（即使这些结论最终可能被证明是错误的）是有科学根据的，而不仅仅是出于一种顽固的偏见。

这类故事在科学史上并不少见。19世纪的天文学家认为，银河系构成了整个宇宙，他们分析了仙女座星系的首批图像，确信自己看到的是一颗恒星，其周围是一个初生的太阳系，而我们现在知道，仙女座星系其实是一个包含上万亿颗恒星的遥远星系。同样，爱因斯坦曾确信宇宙是静态的，因此在他的方程中引入一个宇宙学常数以使宇宙保持静止。这两种看法都是合理的，但都是错误的。正如在《环球科学》杂志上，麻省理工学院的戴维·凯泽（David Kaiser）和普林斯顿大学的安吉拉·N·H·克里杰（Angela N. H. Creager）在《错误推动科学革命 》一文中所说，本身是错误的、但同时能够有效推动科学进步的假说，是可能存在的。任何事在事后来看总是更清楚。

当然，对于超光速中微子案例，我们几乎没有什么后见之明。但我们的确知道一个著名的、已知结局的故事，即哥白尼和他的“日心说”理论。哥白尼认为，地球每天自转一周，每年绕太阳公转一周，今天所有人都接受这一理论。哥白尼体系直接挑战了人们长期持有的信念，即太阳、月亮和恒星围绕静止于宇宙中心的地球旋转，这一信念在公元2世纪由天文学家托勒密（Ptolemy）写入其著作《天文学大成》（Almagest）中。

1543年，哥白尼在《天球运行论》（De Revolutionibus Orbium Coelestium）中提出了他的革命性思想，当时有许多科学家阅读了这部著作并钦佩不已，科学家为之作注，并用它改进自己的天文学预测。然而，即使到了57年后的1600年，放弃地球静止这一信念的、真正意义上的天文学家也非常少，两只手就能数完。大多数科学家仍然倾向于似乎已是常识的“地心说”。我们在谈论日出日落时，似乎也在赞同这一学说。

“日心说”宇宙论遭遇的僵局，有时会被认为是科学家固守偏见。这一僵局最终被伽利略打破。1609年，伽利略组装了一架望远镜，开始观测恒星、月亮和行星。在1609年之后的很长时间里，天文学家仍然有令人信服的科学理由来怀疑哥白尼。他们的故事生动地表明，研究者可以有很好的理由来抵制革命性观念，甚至是那些最终被证明非常正确的观念。

第谷的新宇宙论

丹麦天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brahe）提出了一种能巧妙化解各种疑惑的新思路。他于1588年提出了一种不同的地心理论，即“地缘日心说”（geoheliocentric），这个理论有两大优点：它符合我们对世界如何运作的深刻直觉，与已有数据的吻合程度也比哥白尼体系更好。

恒星的大小：反对哥白尼宇宙模型的意见中，最具毁灭性的论据是恒星的尺寸问题。我们观看天上的某颗恒星时，它似乎有很小的、固定的宽度。只要知道这个宽度及恒星的距离，借助简单的几何学知识就能确定恒星的大小。在地心宇宙模型中，恒星位于行星之外，这意味着恒星可以与太阳大小相比。但哥白尼的地心说则要求恒星极其遥远，这意味着恒星会大得难以置信——是太阳尺寸的数百倍。哥白尼只能用“诸神的干预”来解释这一异常数据。事实上，恒星的确非常遥远，但它们的视觉宽度是一种错觉，缘于光进入瞳孔或望远镜时所产生的结果——科学家还需要到200年后才能理解这一现象。

第谷是一位杰出人物。他建造了一座城堡式的天文台，开展了庞大的研究计划，其预算堪比美国航空航天局的经费预算，配备了最好的仪器和最优秀的助手。正是由于最终采用了第谷的火星数据，约翰内斯·开普勒（Johannes Kepler，第谷的助手之一）才算出了行星的运行轨道是椭圆形。在证明第谷对于天文学的重要性时，哈佛大学的历史学家欧文·金格里奇（Owen Gingerich）常会提到阿尔伯特·库尔修斯（Albert Curtius）于17世纪中叶编纂的资料，其中集合了自古以来所有的天文学数据。从这些资料可以发现，两千年来有价值的数据大多数都来自第谷。

哥白尼体系的精妙打动了这位成就极高的天文学家，但在某些方面也使第谷感到困惑。困惑之一是，无法解释地球为什么会运动（牛顿提出的万有引力理论可以给出很好的解释，但第谷生活的年代距离牛顿物理学的诞生还有一个多世纪）。地球的尺寸已为人们所知，这样一个直径数千千米、布满岩石和泥土的球体的重量显然十分巨大。在街上推动一辆负载货车尚且困难，什么力量能够推动这样一个物体绕太阳运转呢？

相比之下，恒星和其他行星的运动则很容易解释——自亚里士多德时代以来，天文学家一直认为，天体是由一种地球上找不到的、特殊的以太物质构成的。这种物质会自然地快速旋转，如同你不用力拉货车它就自然会趋向停止。第谷说，哥白尼体系“巧妙而彻底地避免了托勒密体系中一切多余或不和谐的内容……但它为地球这个笨重、怠惰、不适合运动的东西赋予了与以太天体一样快的运动速度”。在这方面，古代天文学家和现代天文学家有共同之处，后者为了解释他们观察到的现象，假定宇宙在很大程度上由“暗物质”或“暗能量”所构成，这与我们已知的任何东西都不相同。

哥白尼体系中的恒星同样令第谷感到困惑。托勒密说，恒星天体“大得无法度量”，因为我们观察不到恒星的周日视差（diurnal parallax）——当恒星从地平线升起，越过头顶又从地平线落下，地球观察者与恒星之间的角度和距离发生变化时，恒星的位置和外观没有出现明显变化。由此可以推出，地球的直径与恒星距离相比可以忽略不计。托勒密写道，地球“就像一个点”。

哥白尼知道，我们甚至连周年视差（annual parallax），即地球沿轨道公转引起的恒星相对位置的变化也检测不到。假设地球果真绕太阳旋转，却不存在周年视差，这将意味着，恒星间的距离非常大，与之相比，地球公转轨道——哥白尼称之为“大圆”（orbis magnus） 的直径可以忽略不计，“就像一个点”。于是，宇宙的尺寸将被重新定义，变成了几乎令人无法置信的——“无法估量的广大”。

不仅如此，第谷很清楚，哥白尼的假说不仅对宇宙尺寸的认识有深远影响，对单个恒星的尺寸也是如此。我们仰望夜空时，单个恒星看起来有固定的宽度，托勒密和第谷都曾测量过。我们现在知道，这些遥远的恒星实际上是点光源，我们看到的宽度是光波通过圆孔（比如望远镜或虹膜）所产生的结果。

但在当时，天文学家们对光的波动性一无所知。第谷用简单的几何学计算出，如果恒星间的距离像哥白尼所说的那样遥远，那它们的尺寸则必须有“大圆”那么大。即使是最小的恒星也会使太阳相形见绌，前者之于后者就如同一个葡萄柚之于一个点。这同样很难让人相信——第谷说，如此巨大的恒星是荒谬的。正如历史学家阿尔伯特·范·海尔登（Albert Van Helden）所说，第谷的“逻辑无可挑剔，其测量也无可指摘。哥白尼主义者能做的无非是不得不接受这一论证的结果”。

面对着似乎无可辩驳的物理证据，哥白尼主义者并未放弃其理论，而是被迫诉诸神的全能。“俗众初看起来荒谬不羁的这些观点，不应被轻易地指责为荒谬，因为神的智慧和威严其实远远超出了他们所能理解的范围，”哥白尼主义者克里斯托弗·罗特曼（Christoph Rothmann）在一封给第谷的信中写道，“你可以将宇宙想象为浩瀚无垠，将恒星想象得广大无边，但这仍然无法与无限的造物主相比。人们认为，国王地位越尊贵，其宫殿就应越加宏伟，才能配得上他的威严。那么，你认为神的宫殿应有多宏伟？”

第谷并不为这类论证所动，而是提出了自己的宇宙体系：太阳、月亮和恒星就像托勒密体系描述的那样围绕静止的地球旋转，而行星就像哥白尼体系描述的那样围绕太阳旋转。这种“第谷体系”（Tychonic）保留了“地心说”的优点，因此不需要解释笨重而怠惰的地球是如何运动的，也不必因为周年视差的缺失而将恒星假设为非常遥远、巨大——在第谷体系中，恒星就处在行星外面，尺寸也相当合理。但就行星而言，第谷体系和哥白尼体系在数学上是等价的。于是，第谷体系也保留了哥白尼体系在数学上的优雅，第谷认为这种优雅避免了托勒密体系中一切多余和不和谐的内容。

伽利略用望远镜观看天空时，发现了大量与托勒密的古代宇宙论直接相抵触的现象。他看到木星有卫星，证明宇宙可能有不止一个运动中心。他还观察到金星有位相（金星与月球一样本身并不发光，光辉来自反射的太阳光，因此金星也像月球一样会出现周期性的圆缺变化），表明它围绕太阳运转。然而，这些发现并没有被当作地球绕太阳运转的证据，因为它们与第谷体系完全相容。

200年的论据

17世纪中叶，哥白尼、第谷、伽利略等先驱均已逝世，意大利天文学家乔万尼·巴蒂斯塔·里乔利（Giovanni Battista Riccioli）出版了一部著作，对各种宇宙论进行了百科全书式的评价，名为《新天文学大成》（Almagestum Novum，追随托勒密那部伟大著作）。里乔利考察了支持和反对哥白尼体系的众多论据，以及涉及天文学、物理学和宗教的论据。但里乔利指出，有两个主要论据构成了反对哥白尼体系的决定性证据。这两条论据都源自第谷的观点，都要到几百年后才能得到明确的答案。

第一个论据是，里乔利认为旋转的行星应该会使抛射物和下落的物体发生某些改变，而在现实中却无法检测到这些改变。第谷曾经认为，旋转的地球会使抛射物的轨迹偏离直线。然而直到19世纪，法国科学家伽斯帕－古斯塔夫·德·科里奥利（Gaspard-Gustave de Coriolis）对这种效应做出完整的数学描述，这些偏离才被观测到。

另一条是第谷提出的关于恒星尺寸的论据，里乔利用望远镜观测了恒星尺寸，并对第谷的结果做了更新（第谷从未使用过望远镜）。里乔利设计了一种可重复测量恒星直径的流程，结果发现恒星看起来比第谷设想的还要小。但望远镜也增加了对周年视差的灵敏度，却仍未检测到周年视差，这意味着恒星必定比第谷认为的还要远。最终的效果是，恒星必定像第谷所说的那样巨大无比。

三种宇宙模型：17世纪的天文学家对宇宙的描述有三种模型。地心模型的特征是，地球是静止的，太阳、月亮、行星和恒星围绕地球旋转。天文学家用“本轮”（epicycle）这个词来解释行星的逆行，“本轮”是在主轨道的基础上添加的较小的环行轨道。哥白尼的日心模型看起来要简单些，但它引出了新的概念问题，比如恒星的距离必须远得难以想象。第谷的地缘日心模型在两者之间折中了一下：太阳、月亮和恒星围绕地球旋转，行星围绕太阳旋转，恒星的距离又被拉近了。

里乔利抱怨哥白尼主义者诉诸神的全能来回避这个科学问题。作为一名耶稣会教士，里乔利几乎不可能否认神的能力。但他仍然拒绝接受这种解释，他说：“即使这种错误陈述无可辩驳，但它无法让更严谨的人满意。”

由于缺乏确凿的科学证据，哥白尼学说中，关于宇宙和恒星尺寸的几乎令人难以置信的说法，无法被证明是正确的，因此，哥白尼学说迟迟不被接受。1674年，英国皇家学会实验馆馆长罗伯特·胡克（Robert Hooke）承认：“地球是运动还是静止仍然是一个问题，自从哥白尼提出这一问题之后，现代最优秀的天文学家和哲学家为之殚精竭虑，但迄今为止尚未有人能够确切证明地球到底是运动还是静止的。”

到胡克的时代，已经有越来越多的科学家接受了哥白尼的学说，尽管在一定程度上他们仍然面临着科学难题。直到1838年，弗里德里希·白塞尔（Friedrich Bessel）才记录下了令人信服的恒星的周年视差。大约在同一时间，乔治·艾里（George Airy）就恒星为何看起来比实际更大这一问题，第一次给出了一种完整的理论解释，斐迪南·莱希（Ferdinand Reich）则首次成功检测到因地球自转引起的落体偏离。当然，牛顿的理论——不适用于第谷体系——早已回答了第谷提出的“笨重、怠惰”的地球如何运动这一问题。

然而，回到伽利略和里乔利的时代，那些反对哥白尼学说的人，也有一些基于科学的相当合理、清晰且有观察依据的有利论据。虽然事实最终证明他们错了，但这并没有使他们成为糟糕的科学家。事实上，无论是过去还是现在，对他人的激烈争论提出严谨的反驳意见，一直是科学研究中的挑战和乐趣。

本文来自微信公众号：环球科学（ID：huanqiukexue），作者：丹尼斯·丹尼尔森（Dennis Danielson）、克里斯多夫·M·葛兰尼（Christopher M. Graney） ，翻译：张卜天