从地心说到日心说——古代天文观演变中的思考（一）

一、从今天的观点回顾地心说和日心说

这篇文章是我为学习俱乐部投的第一篇稿，这是一个新的尝试，我也在试图找出一种最合适的方式。我当然不会按照学术论文的范式来写本文，但同时我也不想写成一般意义上的科普，因为一方面前人已经写了足够多的科普文章，再写一篇类似的并无太大意义，另一方面好的科普文是很难写的。这次我将尝试用更随性的写法写出和本文相关的诸多话题，同时展现一些自己的思考。当然我本人的观点肯定有不成熟的地方，但如果可以借此引发读者的思考，从而使读者自己寻找更多的资料（此点在网络时代应该是不难的）来进行进一步的学习的话，那我的目的以及学习俱乐部的目的也应该是很好的达成了。

这篇文章想写的是古代天文观发展中的故事。一般来说这个话题总逃不开从地心说到日心说，从古希腊的毕达哥拉斯到托勒密，再到哥白尼，开普勒，以及物理学史上的第一大boss牛顿，期间穿插的各种眼花缭乱的模型。此类的书目有很多，并且大多写的已经非常完善了。（在此推荐一本个人很喜欢的科普小书《星空的琴弦：天文学史话》【1】）本文想讨论这个问题，肯定也离不开这些人物和故事，但是更想和大家分享的是我对古人想法的揣测：古代的先贤可都是很聪明的人啊，他们为什么通过了那么久才走出了地心说的认识呢？在这个过程中，本文会穿插若干对于天文学模型的数学分析，需要的数学背景从高中到高等数学不等，虽然加入公式会让文章更加难懂，以及“每个公式会使读者数量减半”，但正如之前所说，本文旨在通过分享自己的想法抛砖引玉，激发大家自己的思考，而在此过程中不怕麻烦应是必要的心态，况且只用文字来描述科学观点实在是太干瘪了。

言归正传，说回到我们要讨论的话题。相信从很小的时候大家就知道地球是绕着太阳转的，但是为什么呢？我们可以假想一个故事：如果我穿越回到了中世纪时的欧洲，我应该怎样说服当时的人改变地球是宇宙中心的观点呢？细细想来我们就需要回答下面两个看起来很像的问题：为什么日心说（相对于地心说来讲）是对的，以及为什么我们认为日心说（相对于地心说来讲）是对的。尽管只有几字之差，但前者是一个科学性问题，而后者则是一个认识论的问题。打个比方，我们去公园玩的时候看到了一颗不认识的树，什么决定了这棵树是什么品种呢？可以是它的叶子，树干，花的形状等等，这是一个植物学问题；那么我们是怎么知道这颗树是什么品种的呢？可以是认识它的人告诉我们的，可以是树上的标牌写明的，也可以是我们在书上或者网络上查找资料所知，这是一个认识论的问题。

太阳系示意图，图片来源百度百科

那么我们就先来看一看天文学上的问题：日心说是对的么？很多读者都可以不假思索地说出：”日心说也不是完全正确的，它也是有局限性的，但是相比于地心说来讲仍然是巨大的进步。” 没有错，日心说的局限性很好解释：日心说认为太阳是宇宙的中心，而我们今天当然知道太阳系其实只是宇宙中小小的一部分，所以说太阳是宇宙的中心肯定是错误的，更准确的说法是太阳是太阳系的中心。那么日心说相比于地心说而言进步在哪里呢？在回答这个问题之前，我们也可以考虑一个简化的模型：假设整个宇宙中只有太阳和地球两个星体，地球孤零零的绕着太阳转，那么我们可以说太阳是宇宙的中心么？太阳公公环顾了四周，发现这么说好像没毛病。可是站在地球上的我们看着太阳绕着自己转，觉得说太阳绕着地球转，地球是宇宙的中心好像也没错啊？那么问题出现在哪里呢？伽利略说：其实两种说法都对，关键在于以谁为参照系。（运动的相对性是谁提出的已经不可考，这里借用伽利略之口是因为伽利略变换给出了参照系之间变换的方法）如果我们认为地球是静止不动的，那么太阳确实是在绕地球运动，而反之如果我们认为太阳是静止的，那么地球则在绕着太阳运动。搞清楚这点之后我们就会发现，谁是中心这个问题其实并不本质，它的答案其实全都依赖于参照系的选取。那么回到之前的问题，日心说比起地心说来进步在了哪里呢？不得不遗憾地说，天文学上它们并无本质不同（这里需要提醒读者，地心说并不是傻乎乎的认为其他行星也绕地球做圆周运动，事实上中世纪时的地心说已经发展出了一套相当完善的模型以预测行星运动的轨迹，甚至已经有理论认为太阳绕着地球运动而其他行星绕着太阳运动），至多是描述上更为简洁方便一些（当然这种简便也是很必要的）。日心说更加重大的意义是在宗教和方面，我们熟知的布鲁诺因为宣扬日心说被绑在火刑柱上烧死也更多的是出于宗教因素而非科学因素。当然，这段文字绝非表示日心说是没有价值的，相反，它仍然是天文发展中的里程碑，在一个没有牛顿三定律和万有引力定律的年代，能够提出我们脚下坚实的大地是在运动着的理论，是需要多少开拓和创新的精神啊。

上一段中我们已经知道了，日心说相对于地心说来讲并不“难”，那么到底是什么原因使得古代科学家的思想禁锢在其中成百上千年呢？这时我们就需要回想一下，我们是怎么知道地球是绕着太阳运动的。我们知道这个观点远远早于我们了解万有引力定律，开普勒三定律等相关内容，那么是什么让我们如此笃定它的正确性以至于这么多年都没有对它产生怀疑呢？这就需要我们了解，真理之所以成为真理的原因（这一段内容涉及一些基础的科学哲学，这里同样推荐一本书以供对此有兴趣的读者参考：理查德·德威特著《世界观》【2】）。第一条判断标准称为真理符合论，也就是说决定一个观点是真理的因素是它和现实相符合。我们会发现这一条并不能帮助我们对日心说抱有更大的信心，因为谁也没有漂浮到太空中看到过地球真正的绕着太阳运动。这时候就要用到第二条真理的判断标准：真理融贯论。更多时候我们相信一个观点是真理是因为它可以逻辑自洽的融入进我们的其他观点，也即我们的世界观。比如我们小时候之所以认为地球绕着太阳运动是真理更多的是因为我们相信科普读物中不太可能在这么基础的问题上出现错误，长大之后我们发现它也符合我们学到的其他物理定律，那么我们就认为这个观点确实是个真理。当然如果有人秉持的一套完全不同的世界观，那么相应的他也很可能认为地球绕着太阳运动是错的，这也解释了现在仍然存在一些人坚持“地平说”或者“地心说”等观点。此时反观古代时候大家对于地心说的坚持就比较好理解了：因为地心说可以很好的融入他们的其他观点，而日心说不能。想想看，在那个大家不了解惯性的年代，你跟别人说脚下的大地是在运动的，别人就会说“那为什么你跳起来之后还会落回原地呢？”

好了，到现在我们差不多弄清楚了我们穿越回古代普及日心说的困在所在，那么接下来我们就来看看当时的人构建了怎样的一个融入了地心说的世界观吧~这部分内容就且听下回分解啦~

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参考文献

1. 汪洁 《星空的琴弦：天文学史话》，北京时代文化书局， 2017年7月

2. 理查德·德威特 《世界观》第二版， 机械工业出版社， 2018年11月