伽利略

开普勒解决了行星问题。他的版本的哥白尼学说最终会毫无疑问地让所有天文学家相信哥白尼主义，尤其是在1627年开普勒发布《鲁道夫星表》之后。这张星表得自他的新理论，并且明显优于过去用的所有天文表。哥白尼革命的天文学部分的故事本该随着开普勒工作的逐渐接受而结束，因为他的工作包含了所有能使这场革命在天文学上持续下去的因素。但实际上，故事的天文学部分并未就此结束。1609年意大利科学家伽利略（1564—1642）首次通过望远镜观看天空，结果首次为天文学贡献了一类性质上全新的数据，跟自古以来获得的数据都不同。伽利略的望远镜使天空呈现给天文学家的谜题改换了方式，并且使这些谜题非常容易解答，因为在伽利略手中，望远镜揭示了无数支持哥白尼主义的证据。不过伽利略对谜题的新陈述直到这些谜被其他方法解开之后才阐述出来。如果早一点宣布的话，哥白尼革命的故事就大不相同了。等到宣布的时候，伽利略天文学工作的贡献基本上是扫尾，在胜利已经清晰在望之后才实施。

在1609年，望远镜是一种新仪器，尽管不清楚究竟有多新。伽利略听说荷兰有些磨镜片工人把两块镜片组合在一起，能够放大远处的物体；他自行试验了各种组合，很快制造出一台属于他自己的低倍望远镜。然后他做了一些显然以前从未有人做过的事情：他把他的望远镜对准了天空，而结果令人震惊。每一次观测都在天上发现了新的意料之外的物体。甚至当望远镜指向熟悉的天体太阳、月球和行星的时候，也发现了这些老朋友们显著的新面貌。伽利略在获悉望远镜之前几年就已经是哥白尼派，如今他设法使每个新发现都成为对哥白尼主义的论证。

望远镜首先揭开的是天空中的新世界，而这就是仅仅两年后邓恩所抱怨的东西。无论伽利略把望远镜转向哪儿，都发现了新的恒星。最拥挤的星座也增加了新的成员。银河在肉眼看来只是天上一道暗淡的光（它经常跟彗星一样被解释为月下天现象，或被解释成对太阳和月亮的散射光的反射），这时发现它是数量庞大的恒星的集合，这些恒星太暗淡，互相离得太近，以致肉眼没法分辨。整个夜空充满了不可胜数的新成员。某些哥白尼派预设的宇宙极大的扩张甚至是它的无限性，突然变得不那么荒唐了。布鲁诺的神秘宇宙图景几乎转化成了一项经验材料，这个宇宙的无限尺度和无数的成员显露了神的无限生殖力。

对恒星的观测也解决了哥白尼派曾面对的一个更为技术性的难题。肉眼观测者已经估算了恒星的角直径，并借助公认的地球与恒星天之间距离的估算，把角直径转换成对线尺寸的估计。在托勒密宇宙中这些估算给出了并不荒谬的结果：恒星可能跟太阳一样大或差不多大。但是，正如布拉赫在对哥白尼主义的抨击中一再强调的，如果哥白尼宇宙像恒星视差的缺失所要求的那么大，那么恒星一定大得难以置信。布拉赫计算出，天空中较亮的恒星会大到填满整个地球轨道还不止，很自然地，他拒绝相信这一点。但是当望远镜对准天空后，布拉赫的问题就变成了只是一个貌似如此的问题。恒星不需要有他估计的那么大。望远镜大大增加了天空中可见的恒星的数目，但并没有增大它们的表观尺寸。与太阳、月亮和行星这些都在伽利略的望远镜里放大了的天体不同，恒星仍保持着原来的大小。很显然，恒星的角直径被肉眼观测严重地高估了，这个错误现在被解释为大气扰动的结果，大气扰动模糊了恒星的图像，散射到眼睛里的区域比未经扭曲的图像单独覆盖的面积更大。同样的效应也使恒星看起来闪烁不定；这个效应被望远镜大大削弱了，因为望远镜把更多的光线聚集到眼睛里。

然而，恒星为哥白尼主义提供的证据并不是唯一的，甚至也不是最好的。当伽利略把他的望远镜转向月球时，他发现月球表面被凹地和陨石坑、深谷和山脉所覆盖。在太阳、月球和地球的相对位置已知的情况下测量陨石坑内的阴影和高山的阴影的长度，他能够估算出月球下陷的深度和突起的高度，从而着手建立月球地貌的三维描述。伽利略判断，它跟地球的地貌差别不大。于是，像彗星视差的测量一样，月球的望远镜观测又对天与地之间的传统区别提出了置疑，几乎紧接着，对太阳的望远镜观测又加强了这些质疑。太阳也显得不完美，黑斑在它的表面上时隐时现。仅黑斑的存在就与天界的完美性相冲突；它们时隐时现则与天的永恒不变性相矛盾；最糟的是，黑斑还跨太阳的盘面运动，说明太阳连续绕自身的轴旋转，从而为地球绕轴旋转提供了可见的范例。

这还不是最糟的。伽利略用他的望远镜观察木星，发现天空中有4个小亮点离木星很近。连续几个晚上的观测发现它们以某种方式不断地调整其相对位置，若假定它们迅速地连续绕木星旋转就可以非常简单地解释此事（图43）。这些物体是木星的4颗主要的卫星，它们的发现对17世纪的想象力造成了极大的冲击。似乎新的世界不仅“在天空上”有而且“在行星上”也有。更重要的是，无论按照托勒密的还是哥白尼的假设，都不能设想这些新的世界绕宇宙的中心以大致圆形的轨道运行。显然它们是绕着行星运行，因此它们的行为跟哥白尼天文学中地球的月亮是一样的。于是，木星卫星的发现又削弱了对哥白尼体系的一项反对意见。旧的天文学跟新的一样不得不承认由行星支配的卫星的存在。另外，也许是最重要的，对木星的观测为哥白尼的太阳系本身提供了一个看得见的模型。在行星的空间里这是一个被它自己的“行星”环绕的天体，正如已知的行星环绕太阳。望远镜使得支持哥白尼主义的论证倍增，跟天体本身数目的增加一样快。

图43　对木星及其卫星间隔几天的连续3次观测。4颗小卫星不断地重新排列。假定卫星绕较大的行星连续旋转就很容易解释这一现象。

还有许多来自于望远镜观测的论证，不过只有对金星的观测才为哥白尼的学说提供了充分的直接证据，值得我们在这里关注。哥白尼本人曾在《天球运行论》第一卷第10章里提到，如果能够详细地观测到，金星的外观就可以为金星轨道的形状提供直接的信息。如果金星固定在本轮上，本轮沿着以地球为中心的均轮运动，且本轮的中心总是与地球太阳成一条直线，如图44（a）所示，那么地球上的观测者最多只能看到金星新月形的边缘。但如果像图44（b）那样让金星的轨道环绕太阳，地球上的观测者就应该可以看到几乎整个相循环，就跟月亮一样；只是接近“新”和“满”的相不易觉察，因为金星这些时候过于接近太阳。金星的相用肉眼没法分辨，肉眼看到的行星只是没有形状的点。但是望远镜把行星放大到足以看出形状。如图44（c）所示，金星的形状提供了强有力的证据证明金星运行在日心轨道上。

伽利略的望远镜为哥白尼主义提供的证据是强有力的，但也是奇怪的。上面讨论的观测没有一个（也许最后一个除外）为哥白尼理论的主要原则——太阳的中心地位或行星绕太阳的运动——提供直接的证据。无论托勒密体系还是第谷体系都包含足够的空间可以容纳新发现的恒星；二者都可加以修正，允许天的不完美以及隶属于天体的卫星存在；至少第谷体系能够为观测到的金星的相和距离提供跟哥白尼体系一样好的解释。因此，望远镜并没有证明哥白尼的概念体系更合理。但是，它确实为战斗提供了非常有效的武器。它不是证据，但它是宣传。

图44　金星的相。图（a）是托勒密体系中的，图（b）是哥白尼体系中的，图（c）是低倍望远镜中观察到的。在（a）中，地球上的观测者应该看不到比细月牙形更多的亮面。在（b）中，就在金星从太阳背后穿过之前或之后，他应该看到金星的几乎整个表面被照亮。图（c）左边依据低倍望远镜的观测，画出了当金星作为昏星刚刚变得可见时近乎圆形的轮廓。右边画出的连续观测显示了，当金星的轨道运动使它向地球靠拢时它是如何转亏并同时增大尺寸的。

1609年以后，托勒密体系主要的心理力量就是它的保守主义。坚持它的人不会非要学习新的方法不可。但是如果托勒密体系需要广泛的调整以适应望远镜的观测结果，它就连保守性这点吸引力都丧失了。彻底转向哥白尼主义，和调整到所需要的托勒密体系的新版本，其难易程度几乎是一样的，结果凡重视这些观测的人都采取了彻底转向。这些新的改宗者可能还被另一种考虑驱使：哥白尼派，或至少在宇宙论上较为激进的人，毕竟已经预言了望远镜所揭示的那种宇宙。他们已经精确预测了一个细节——金星的相。更重要的是，他们（至少是含糊地）预言了天空的不完美以及其成员的猛增。他们的宇宙图景，与望远镜所表明的宇宙呈现出明显的相似。没有哪句话比“我告诉过你是这样”更让人恼怒，也没有哪句话比它更有效。

对于天文学上的新入门者来说，望远镜的证据也许是多余的。开普勒定律和他的《鲁道夫星表》就已经同样地有效了，虽然生效慢得多。但是望远镜最大的直接影响并不针对这些新入门者。望远镜的第一个独特作用，是为哥白尼派的观点提供能被普遍接受的非数学化的证据。1609年以后，对天文学只有一知半解的人也有可能通过望远镜亲眼看到，宇宙跟常识的幼稚告诫并不符合。而在整个17世纪，他们的确去看了。望远镜成为一种流行的玩具。对天文学或任何科学此前从未表现出兴趣的人，也买来或借来这种新仪器，在晴朗的夜晚热切地搜索天空。业余观测者成了一种著名的角色，成为争相效法和拙劣模仿的对象。一种新的文学也随之诞生了。科普读物和科幻小说的萌芽都可以在17世纪发现，一开始望远镜和它的发现是最显著的主题。这就是伽利略的天文学工作最重要的地方：它普及了天文学，而且普及的是哥白尼天文学。