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      一本“無人讀過的書”,高山科學經典導讀《天球運行論》

       2023年是著名天文學家哥白尼誕辰550周年,也是《天球運行論》出版480周年。

      12月2日晚八點,由北京市科委、中關村管委會科普專項經費資助的科學傳播公益項目“高山科學經典”邀請到了清華大學科學史系系主任、清華大學科學博物館館長吳國盛,清華大學天文系教授毛淑德,清華大學科學史系博士研究生嚴弼宸,于哥白尼誕辰550周年之際,一起導讀《天球運行論》,看看哥白尼是如何開啟了一套新的思想范式,使“地心說”在其后百余年間被逐步推翻,并使日心體系最終獲得成功。

      究竟是太陽繞著地球轉,還是地球繞著太陽轉?在如今,“地球繞著太陽轉”是一個學齡兒童都能脫口而出的科學常識。然而這個常識的獲取背后是一場意義非凡、影響深遠的科學革命,這場革命是如何開始的呢?

      天球相對于地球進行周而復始的永恒旋轉,是希臘數理天文學的基本假定。它向人類指示了天界運動的周期性與穩定性,同時也指示了大地的中心位置。柏拉圖、亞里士多德、歐幾里得和托勒密都認同天球概念,并以此作為構建宇宙論的基礎。托勒密通過一系列數學工具模擬行星的不規則運動,從而建立了具有強大解釋力的地心體系,這種理論一直延續了1500年而無人打破。

      直到1543年,這個不同尋常的年份,哥白尼的《天球運行論》正式出版,他在這部巨著中向統治西方思想千余年的“地心說”發出挑戰,提出了“日心說”,從而在根本上顛覆了人類對宇宙的傳統觀念。

      “這本書具有很強烈的戲劇色彩,它具有雙重品格,既保守,又革命。”導讀嘉賓吳國盛教授介紹到,“哥白尼是希臘數理天文學的正宗傳人,他之所以挑戰托勒密的‘地心說’,是因為他嫌棄托勒密背離了希臘天文學的基本假定,即宇宙(Cosmos)是和諧完美的。同時,《天球運行論》是革命性的,體現在用日心取代地心,重構宇宙秩序,而且更大的革命性在于它開辟了物理學。”

      吳國盛教授在高山科學經典導讀現場

      希臘天文學的基本問題是行星問題,他們將天上所有的星分為兩類,一類是恒星,步調一致,相對固定,周日旋轉。第二類是日月五星,它們的黃道運動不均勻,具體表現在速度不均勻、偏離黃道、逆行。

      對于尊崇宇宙和諧完美的希臘人來說,日月五星不均勻的黃道運動令人煩惱。柏拉圖便對他的學生說,一定要想辦法將行星的表觀不規則運動還原成規則運動,這便是“拯救現象”。

      “歐多克斯是希臘天文學的開創者,他是完成柏拉圖任務的第一人,他用天球的層疊模擬行星的表觀運動,基本上可以模擬日月五星不均勻的運動。”吳教授解釋道,“但這個模型有個缺點,行星離地球的距離保持不變,就意味著沒法解釋行星亮度的變化。”

      為了進一步解決這個問題,人們又發明了“本輪+均輪”模型,可以模擬行星逆行,而且可以解釋亮度的變化。“這個方法一直沿用到了公元150年左右,出生在埃及的希臘天文學家托勒密做了一個大綜合,在‘本輪+均輪’的基礎上加了‘偏心圓’,還加了一個新技術‘偏心勻速點’,這三種技術混合使用,就可以合成非常復雜的行星運動,能很好地解釋、預測行星位置。”但托勒密體系也有不足之處,成為了哥白尼革命的原因,吳教授在導讀時介紹到,“托勒密體系中的行星方案各自獨立,缺乏統一性;托勒密引入equant,破壞了cosmos的對稱原則和均勻原則;托勒密體系是復數不是單數,眾說紛紜莫衷一是,違背了宇宙唯一性原則。”

      吳教授認為,“哥白尼完全繼承了希臘人對天文學的基本預設、基本問題和基本方法,他是行星天文學者,只關注行星方位問題,用天球幾何的重疊方式模擬不規則運動。甚至當他認為地球是公轉的時候,他也是讓地球鑲嵌在一個天球上轉。天球這個概念在哥白尼這里是不能忽略的,離開這一點就沒法理解它為什么要讓地球這么轉。”

      哥白尼揭開了科學革命序幕,太陽成為“宇宙中心”,為現代科學體系的形成開辟了道路。

      哥白尼革命是什么時候勝利的?

      吳教授認為,哥伯尼不是靠自己取得勝利的,是靠他的后續追隨者們持續不懈的努力勝利的。“第谷體系部分吸取了哥白尼的成果;開普勒發現了橢圓軌道,升級了哥白尼日心體系;伽利略的望遠鏡解開了哥白尼的不少困難,伽利略的運動學幫助破解了運動困難;最后,哥白尼體系隨牛頓力學的成功而最后成功。”

      哥白尼是一位業余但出色的天文學家,圓桌對談嘉賓毛淑德教授從天學家的同行身份對他評價道:“哥白尼本身沒有做過太多預測,但他也許是個天才。他能在獲得數據后構造出一個解釋數據的理論,并能夠提出預言,這個貢獻是非常大的。”

      毛淑德教授在高山科學經典導讀現場

      《天球運行論》全書共6卷,一種觀點認為,這部作品充滿枯燥繁瑣的技術性細節,因而真正能看完此書的人恐怕少之又少,或者說大家讀過也就看看第1卷日心說大綱。然而事實果真如此么?

      主持人兼圓桌嘉賓嚴弼宸博士說:“不是這樣的。尤其是16世紀,哥白尼的同行更看重的是書的數學部分,好奇哥白尼是怎么把偏心勻速點給去掉,又怎么把復雜的行星運動模擬出來的。”

      嚴弼宸博士在高山科學經典導讀現場

      哥白尼革命是一場緩式革命,涉及到數學、宇宙論、物理學等各領域的改變,是一個很漫長的過程。

      在導讀最后,吳教授總結到:“哥白尼與托勒密屬同一傳統,并非死敵,偉大的理論從來都有歷史傳承;沒有后繼哥白尼主義者的百年努力,哥白尼不可能成功,科學革命從來不是一蹴而就;牛頓力學不成為科學基礎,哥白尼體系不可能成為科學常識,天文學物理學是相互成就的關系。”

      圓桌論壇環節

      與科學家一起讀好書,“高山科學經典”是一個由高山書院發起的公益科學傳播項目。邀請百位知名科學家每周導讀一本科學經典書籍,引領公眾參與閱讀的大型科學傳播公益項目,旨在提升全民科學素養、培育科學精神、傳播科學思想。期望在全民學科學的時代背景下,高山科學經典能在科學傳播領域盡一份綿薄之力。

      高山科學經典項目書單

      高山科學經典的目標是,讓科學精神通過書籍,跨越地域、階層、年齡、民族的界限,傳播到每個角落、每個人心中。希望科學成為一種生活方式。與科學家們跨界對談,讓科學更有趣。

      高山科學經典世界讀書日發布會現場

      未來,“高山科學經典”項目將打造三大重點產品:出版《高山科學經典》系列叢書;開展線上導讀直播;沉淀專業級科學導讀視頻節目。達到出版、傳播、教育多重效應。開展全民科學閱讀,共同推動“科學復興”,提升全民族科學文化素質,實現“公心大用”。

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