第谷·布拉赫

第谷·布拉赫

如果说哥白尼是16世纪上半叶欧洲最伟大的天文学家，那么第谷·布拉赫（1546—1601）就是下半叶杰出的天文学权威。而且，单纯从技术的精确程度上来评判的话，布拉赫更胜一筹。但是，对比在很大程度上没有意义，因为两人有不同的长处和短处，这些长处和短处不易融合到一种性格中，而两种长处对哥白尼革命都是必不可少的。作为一个宇宙论和天文学的理论家，布拉赫显示出一种相对传统的思维框架。他的工作很少表现出新柏拉图主义那样对于数学和谐性的关注，这种和谐性在哥白尼跟托勒密传统决裂的过程中发挥了作用，并且在最初提供了地球运动唯一实在的证据。他没有为天文学理论提出持久的革新。事实上，他毕生都是哥白尼学说的反对者，他巨大的声望推迟了天文学家们转向新的理论。

尽管布拉赫不是天文学概念的革新者，但他为天文观测技术和天文数据所要求的精确性标准方面的巨大进步做出了贡献。他是所有肉眼观测者中最伟大的。他设计和制造了许多比过去使用过的更大、更稳定、校正得更准的新仪器。凭借无比的天才，他检查并纠正了在这些仪器的使用中发生的许多错误，建立起一整套关于搜集行星和恒星位置的精确信息的方法。最重要的是，他开始对行星实行定期观测，只要行星穿过天际，而不只是在某些特别有利的位置才观测。现代的望远镜观测表明，当布拉赫极为细致地测定恒星的位置时，他的数据精度总是可以达到1'，甚至更好，这是肉眼观测的非凡成就。他对行星位置的观测精度通常可靠至4'，是古代最好的观测者所达到的精度的两倍多。不过比布拉赫的个人观测的精度更重要的，是他所积累的数据整体的可信度和广度。在他的一生中，他和他训练的观测者，把欧洲天文学从对古代数据的依赖中解放了出来，并且消除了一系列由于错误数据产生的表面的天文学问题。他的观测为行星问题提供了一种新的表述，而这种新的表述是问题解决的一个先决条件。没有一种行星理论能够让哥白尼使用的数据协调起来。

可信的、广泛的、最新的数据是布拉赫对解决行星问题作出的主要贡献。但是，在哥白尼革命中，他还扮演了另一个更显著的角色，即他创造了一个迅速取代托勒密体系的天文学体系，作为那些像他本人那样不能接受地球运动的专业天文学家们新的凝聚点。布拉赫反对哥白尼的方案的诸理由都是平凡的理由，尽管他把它们发展得比大多数同代人更精致。但布拉赫给哥白尼理论在土星天球和恒星天球之间拉开的巨大的多余空间以特别的强调，哥白尼理论的这个拉大仅仅是为了解释缺少可观测到的视差运动。他本人已经用他那些优秀的新仪器寻找过视差。因为没有找到，所以他认为必须拒绝地球的运动。唯一符合他的观测的替代解释，会要求恒星天球和土星之间的距离700倍于土星和太阳之间的距离。

但布拉赫毕竟是一位造诣极高的天文学家。尽管他反对地球运动，他仍然无法忽视《天球运行论》带给天文学的数学和谐性。新的和谐没有改变他的信念——因为对他来说，它们还不是足够有力的证据，以致能够弥补地球运动的内在困难——但是至少增加了他对托勒密体系的不满，所以他也拒绝了托勒密体系，而钟情于他自己发明的第三种体系。布拉赫的体系，即“第谷体系”，如图37所示。地球再一次固定于恒星天球的几何中心，用恒星天球的周日转动来解释恒星的周日旋转。像托勒密体系一样，太阳、月亮和行星每天和恒星一起在最外层天球的带动下向西运动，同时还有自己的东向轨道运动。在图中，这些轨道运动用圆圈表示，尽管在完整的第谷体系中，小本轮、偏心圆和偏心匀速圆也是必需的。月亮和太阳的圆圈以地球为中心；到这里为止这个体系仍然是托勒密的。但是剩下的五颗行星的轨道的中心从地球变成了太阳。尽管也许不是有意识的，布拉赫的体系是对赫拉克利德体系的一个扩充，后者将水星和金星归于日心轨道。

第谷体系最显著、最有历史意义的特征就是，它适合作为对《天球运行论》导致的问题的折中解决。由于地球静止，而且处在中心，因此所有反对哥白尼的方案的主要争论都消弭于无形了。《圣经》、运动定律以及恒星视差的缺失，所有这些都在布拉赫的方案中得到调和，而且调和的实现并没有牺牲哥白尼主要的数学和谐性。事实上，第谷体系和哥白尼体系在数学上是完全等价的。距离的测定，内行星运动的明显反常，以及使哥白尼坚信地球运动的其他新的和谐性，全都保留了。

第谷体系的和谐性可以通过在讨论哥白尼体系时所运用的技术，单独具体地加以阐述，但是对于目前要达到的目的，下面这个对哥白尼体系和第谷体系的数学等价性的简化证明已经足够了。想象图37中的恒星天球不断扩大，直到一个在运动的太阳上的观测者不再能够从太阳轨道的两端观测到恒星视差为止。这种扩大并不影响体系对行星运动的数学解释。现在假想在这个扩大的恒星天球中，各行星被类似图38（a）（表示地球、太阳、火星）所示的机械装置所驱动，运行在自己的轨道上。在图中，太阳被一条长度固定的旋臂连接到中心的地球上，旋臂带动太阳绕地球逆时针转动；火星由另一条长度固定的旋臂与太阳相连，旋臂使火星绕太阳顺时针转动。因为两条旋臂的长度在整个运动过程中都是不变的，所以这个机械装置将产生图37所示的圆形轨道。

现在想象，在图38（a）中旋臂的驱动机件不受干扰的情况下，把整个装置拿起来，让旋臂保持原来的转动，然后再把它放回去，但是让太阳固定在本来被地球占据的中心位置，这就成了图38（b）所示的状态。旋臂跟原来长度一样，也还是由同样的装置以同样的速率驱动，因此他们在每一时刻都保持一样的相对位置。地球、太阳和火星在图38（b）的安排之下保持着图38（a）中的所有空间几何关系，而且因为只有装置的固定点改变了，所有的相对运动也是相同的。

但是图38（b）的装置产生的运动是哥白尼体系中的运动。也就是说，第二张图中显示的固定旋臂带动地球和火星在环绕太阳的圆形轨道上运行，这正是哥白尼描述的基本的轨道。将图38的假想装置复杂化，把全部行星包括进去，进行同样的论证，就证明了等价的普遍性。忽略对于哥白尼体系的和谐性毫无意义的小本轮和偏心圆，只需让太阳而非地球保持固定，第谷体系就很简单地转化成了哥白尼体系。在两个体系中行星的相对运动是相同的，因此和谐性也保留下来。从数学上说，两个体系中的运动唯一可能具有的区别就是恒星的视差运动，但是我们一开始就把恒星天球扩张到无法感知视差的程度，消除了这种运动。

第谷体系有它独有的不协调：大部分行星严重偏离中心；宇宙的中心不再是大部分天体运动的中心；很难设想任何一种物理机制能够产生出近似布拉赫的行星运动。因此第谷体系未能说服为数很少的新柏拉图主义的天文学家，如开普勒，他们已被哥白尼体系伟大的对称性所吸引。但它确实征服了当时大多数技术娴熟的非哥白尼派天文学家，因为它为回避普遍体会到的两难困境提供了途径：它保持了哥白尼体系数学上的优势，又避开了物理学、宇宙论和神学上的不利因素。这是第谷体系真正的重要性。它几乎是一个完美的折中方案，回想起来，这个体系就像是因为对这种折中方案的迫切需求才诞生的。几乎所有很博学的17世纪托勒密天文学家都退向第谷体系，它就像是《天球运行论》的一个直接的副产品。(https://www.daowen.com)

布拉赫本人会否认这回事。他宣称他的体系没有向哥白尼借鉴什么。但他不可能意识到压在他和他同代人肩上的重担。他在开始考虑自己的体系之前当然完全了解托勒密和哥白尼的天文学，他也预先清楚地知道他自己的体系要解决的困难。这个体系的迅速成功标示出需求的强烈和普遍。另外两个天文学家争夺布拉赫的优先权，并自称早已自行设计出类似的折中解决方案，这件事提供了又一证据，证明了《天球运行论》和它引起的天文学思潮在第谷体系的创立中发挥的作用。布拉赫和他的体系首次说明了上一章末尾归纳的主要论点：《天球运行论》给所有天文学家带来新的问题，从而改变了天文学的状态。

布拉赫对哥白尼的批评和他对行星问题的折中解决表明，他跟当时大多数天文学家一样无法突破传统的思想模式以承认地球的运动。在哥白尼的继承者中，布拉赫是庞大的保守派团体的一员。但是他的工作造成的影响可不是保守的。恰恰相反，他的体系和他的观测都迫使他的继承者们抛弃亚里士多德-托勒密宇宙的重要方面，从而驱使他们逐渐转向哥白尼的阵营。首先，布拉赫的体系有助于使天文学家熟悉哥白尼天文学的数学问题，因为第谷体系和哥白尼体系在几何上是等价的。更重要的是，布拉赫的体系迫使他的追随者们放弃过去用来带动行星沿轨道运转的水晶天球，对彗星的观测（下面要谈到）也助长了这一趋势。如图37所示，在第谷体系中，火星轨道与太阳轨道相交。因此火星和太阳都不能嵌入到带他们转动的天球里面，否则两个天球就会互相穿透并且时刻穿过对方运动。同样，太阳天球也从水星和金星的天球中经过。抛弃水晶天球并不使人成为哥白尼派；哥白尼自己就用了天球来解释行星的运动。但是在一系列的修正中，天球已经成了亚里士多德宇宙论传统的不可或缺的要素，而这传统已成为哥白尼学说获胜的主要障碍。对传统中任何一类因素的打破都对哥白尼派有利，而第谷体系就其所有的传统要素而言，是一项很重要的突破。

布拉赫高超的观测在引领同代人走向新的宇宙论方面比他的体系更为重要。它们为开普勒的工作提供了不可或缺的基础，而开普勒把哥白尼的革新转变为行星问题第一个真正令人满意的解答。布拉赫收集的新数据甚至在被用来修正哥白尼的体系之前，就已经暗示了对经典宇宙论的又一严重背离的必要性——它们对天体的永恒不变性提出了疑问。1572年底当布拉赫的天文学事业刚刚开始时，一个新天体出现在仙后座，与北斗七星隔着天极正对。首次观测到的时候它非常明亮，跟金星最亮时一样清晰；此后18个月内这个新的天空住客逐渐暗淡；最后在1574年初彻底消失。从一开始这个新的访客就引起了全欧洲科学家和非科学家的兴趣。它不可能是彗星这种唯一被天文学家和占星家广泛认同的天空异象，因为它没有尾巴，而且总是出现在恒星天球背景中同一位置。显然它是某种预兆；占星活动增加了；各地天文学家都把他们的观测和写作对准这个天空中的“新的恒星”。

“恒星”（star）这个词是这个新现象的天文学和宇宙论重要性的关键。如果它是一颗恒星，那么永恒不变的天空就发生了变化，从而月上天与易朽的地球之间的基本对立就成问题了。如果它是一颗恒星，地球可能更容易被接受为一颗行星，因为地上的事情的流变特性现在也在天上发现了。布拉赫与他大部分的同代人都得出结论说这个来客是一颗恒星。类似图39所示的观测表明它不可能位于月球天球以下，甚至不可能离月下天太近。有可能它处在恒星中间，因为观测到它跟恒星一起运动。又一个引起宇宙论剧变的原因被发现了。

假如月上天可变的证据只有1572年这颗新的星辰，即新星（nova），那么16世纪关于天空可变的新发现就不那么有影响了。因为那是个短促的现象，无法驳倒那些拒绝布拉赫的数据的人；当数据发表时那颗星已经消失了；总会找到一些不太细致的观测者，他们观测到的视差足以把新星置于月球下方。不过幸运的是连续发现了更多月上天可变的证据，这是在1577、1580、1585、1590、1593和1596年布拉赫对彗星的仔细观测中发现的。仍然没有发现可测出的视差，因此彗星也位于月球天球的上方，它们的运动穿过从前被水晶天球填充的区域。

和对新星的观测一样，布拉赫关于彗星的论述也没有使所有的同代人信服。在17世纪前几十年，布拉赫常常受到抨击，有时跟哥白尼受到的批评一样尖刻，那些批评者相信有别的数据证明彗星和新星都是月下天现象，从而天的神圣不可侵犯得以保持下来。但布拉赫确实使许多天文学家看到了亚里士多德世界观的一个基本缺陷，更重要的是，他提供了一种论证模式，可以让怀疑者不断地检验他的结论。每隔几年都会出现明亮得足以用肉眼看到的彗星。当彗星的月上天特征从观测推断出来并被广泛讨论之后，它们为天的可变性提供的证据就不能再被无止境地忽略或歪曲。哥白尼派又一次成了受益者。

不知何故，在哥白尼死后这一个世纪，天文学观测和理论中的所有新事物，无论是不是哥白尼派提出的，都自行转变为哥白尼理论的证据。应该说，这个理论正在证明自己结果实的能力。但至少对于彗星和新星的情形，这个证明是很奇怪的，因为对彗星和新星的观测跟地球的运动一点关系也没有。一个托勒密天文学家跟一个哥白尼天文学家一样可以进行这些观测并做出评价。它们在任何直接的意义上都不是《天球运行论》的副产品，而第谷体系是。

但是它们也不可能完全独立于《天球运行论》，至少不能独立于产生它的思想环境。在16世纪末以前常常看到彗星。新星虽然对肉眼来说不如彗星那么常见，但是在布拉赫的时代以前肯定也偶尔被观测者看见；在布拉赫去世前一年又出现了一次，1604年有了第三次。甚至要发现新星和彗星的月上天特征根本用不着布拉赫那么精密的仪器；1°的视差偏移不用任何仪器就能测出来，而且确有许多布拉赫的同代人靠几个世纪以来熟知的仪器独立推断出彗星是在月上天。哥白尼派的迈斯特林只用了一段丝线就确认1572年的新星在月球以上。简而言之，布拉赫和他的同代人用来加速传统宇宙论的衰落和哥白尼学说的兴起的那些观测，其实在远古以来的任何时候都可以做出。这些现象和所需的仪器在布拉赫出生之前两千年间一直就存在，但是从未进行观测，或者虽然作了观测但没有得到广泛的解释。在16世纪后半叶，古老的现象迅速改变了它们的意义和重要性。这种转变是难以理解的，除非考虑到科学思想的新气候，而哥白尼正是其中第一个杰出的代表。正如上一章末尾说的，《天球运行论》标记出了一个转折点，并且不再有回头的路。