1　日心说和地心说

估计很多人都听过这样的说法：1543年，波兰大天文学家哥白尼（Kopernik）提出了日心说，从而一举打破了长期居于绝对统治地位的地心说，实现了天文学的伟大变革。

我要告诉你的是，这种说法是错的。地心说和日心说的斗争历史，其实异常的曲折和漫长。

所以这门宇宙科学的第一节课，我就来讲讲地心说和日心说斗争的曲折历史。

早在2000多年前，古希腊人就提出了地心说和日心说。

人类很早以前就观察到，日月星辰似乎都在周而复始地绕着地球旋转。所以绝大多数人都认为，地球位于整个宇宙的中心。地心说就是这么起源的。

图1就展示了地心说的基本图像。地球位于宇宙的中心，就像是位于一个城市的市中心。地球周围有7个圆形的轨道，相当于城市的7环：按从内到外的顺序，依次是月球、金星、水星、太阳、火星、木星和土星。这7个天体都在各自的圆形轨道上，沿着相同的逆时针方向绕地球旋转。在7环之外，还有一个大天球，其他的星星就散布在这个天球之上。

顺便说一下。地心说最大牌的支持者，是古希腊大哲学家亚里士多德（Aristotle）。他提出了下面这个思想实验，来论证地球必须静止不动：一个人原地向上跳，如果地球在运动，那么当此人落地时，就无法落回原地，而会落到其他的位置。但真实情况是，此人肯定会落回原地。所以亚里士多德就宣称，地球一定是静止不动的。

当然，以我们今天的眼光来看，亚里士多德的论证无疑是错的。聪明的读者，你猜到他到底错在哪里了吗？

不过，尽管有亚里士多德这样的超大牌支持者，地心说在古希腊时代并没有一统天下。因为它有一个很致命的缺陷，那就是行星逆行。之前说过，地心说认为，所有的行星都必须沿逆时针方向绕地球旋转。但是人们很早就发现，很多行星的旋转方向经常会突然变成顺时针。这种行星旋转方向突然改变的现象，就是所谓的行星逆行。这对早期的地心说来说，可谓是致命一击。

所以，就有了一群反对地心说的人。其中的代表人物，是古希腊天文学家阿利斯塔克（Aristarchus）。

阿利斯塔克的理论源于一个哲学命题。他认为，世界的本源是火。既然火是万物的本源，那么火一定得位于全宇宙最重要的位置，也就是中心。所以，宇宙的中心一定是太阳。这就是日心说的起源。

图2就展示了日心说的基本图像。太阳位于宇宙的中心。在太阳的周围还有6个圆形轨道，相当于城市的6环：按从内到外的顺序，依次是水星、金星、地球、火星、木星和土星。这6颗行星都在各自的圆形轨道上，沿着相同的逆时针方向绕太阳旋转。而在6环之外，则是一个散布着各种星星的大天球。

与地心说相比，日心说最大的优势是它可以很轻松地解释行星逆行的现象。所以尽管阿利斯塔克远远不如亚里士多德大牌，日心说依然与地心说分庭抗礼了将近500年。

直到公元140年，一个超级天才的横空出世，才彻底打破了地心说和日心说之间的平衡。此人就是古罗马帝国大天文学家克罗狄斯·托勒密（Claudius Ptolemaeus）。

托勒密为什么能打破地心说和日心说之间的平衡呢？答案是，他对最早期的地心说进行了修改，从而破解了地心说无法解释行星逆行现象的世纪难题。

为了介绍托勒密的理论，我要拿一个在现实世界里很常见的事物进行类比，那就是游乐园里的旋转咖啡杯。

一般而言，旋转咖啡杯的中心会有一个茶壶。在茶壶的周围会有一个大圆的轨道，上面分布着一些圆形的咖啡杯。除了能绕茶壶旋转以外，咖啡杯自己也可以旋转。当机器开动以后，游客会坐在咖啡杯的边缘，既绕着茶壶的大圆轨道旋转，又绕着咖啡杯的小圆轨道旋转。

托勒密的解决之道和这个旋转咖啡杯的图像非常类似。他认为，地球并不在宇宙的正中心，而是与真正的中心有一个很微小的偏离。更关键的是，包括金星、水星、火星、木星、土星在内的五颗行星，都像是乘坐旋转咖啡杯的游客：首先，行星会在一个叫本轮的小圆上旋转，就像是咖啡杯的小圆轨道；然后，本轮圆心又会在一个叫均轮的大圆上旋转，就像是茶壶的大圆轨道。因此，行星的运动轨迹是由本轮和均轮这两个圆周运动组合而成的。

引入这个类似于旋转咖啡杯的本轮-均轮体系，能让行星的运动轨迹变复杂。此外，这个本轮-均轮体系还可以不断地拓展。例如，你可以把原来的本轮视为一个新的均轮（相当于把原来的咖啡杯当成新的茶壶，即第2层均轮），然后在它周围画更小的本轮（即第2层本轮）。也可以把第2层本轮当成第3层均轮，然后在它周围画第3层本轮。随着层数的不断增加，行星的运动轨迹就会变得越来越复杂。这样一来，行星逆行的现象就很容易解释了。

简单地总结一下。通过引入类似于旋转咖啡杯的本轮-均轮体系，托勒密在地心说的理论框架下，成功地解决了行星逆行的世纪难题。这样一来，经过托勒密改良的地心说（地球很靠近宇宙的中心，月球和太阳还是以圆形轨道绕地球旋转，五颗行星则位于多层嵌套的旋转咖啡杯上），就一举击败了与自己缠斗数百年的日心说。

而到了13世纪，一个叫托马斯·阿奎纳（Thomas Aquinas）的神学家让地心说的地位更上一层楼。他把地心说融入天主教神学体系中。一旦质疑地心说，就相当于质疑天主教本身。这样一来，地心说就一统天下了。

但300年后，另一个人的出现，让胜负的天平再次发生了偏移。此人就是波兰大天文学家哥白尼。1543年，他出版了一本宣扬日心说的书，叫《天体运行论》。正是这本书，让被遗忘了1400多年的日心说死灰复燃。

有趣的是，这本书其实差点儿就被哥白尼带进坟墓。

这是因为哥白尼的本职工作是一名天主教教士，所以他心里很清楚，公开宣扬日心说会得罪整个天主教会。因此，尽管他在40岁的时候就已经开始在一个小圈子里宣扬自己的理论，却始终不肯著书出版。

那这本书后来为何又出版了呢？是由于一个不速之客。此人就是奥地利数学家格奥尔格·雷蒂库斯（Georg Rheticus）。

1539年，雷蒂库斯了解到了哥白尼改良后的日心说，顿时觉得醍醐灌顶。为此，他专门跑到波兰去找哥白尼，想游说哥白尼著书出版此理论，结果却吃了闭门羹。

但雷蒂库斯锲而不舍。此后两年多的时间，他就像块牛皮糖，死死粘住了哥白尼，反复游说哥白尼一定要著书立说。最后，哥白尼终于招架不住，交出了《天体运行论》的书稿。

拿到书稿以后，雷蒂库斯就开始寻找愿意资助出版此书的出版商。一年后，他找到了一个愿意出钱的出版商。一切终于走上了正轨。

由于在《天体运行论》中有大量的公式和图表，必须得有一个专家来做此书的编辑，以保证内容的准确性。雷蒂库斯做了半年的编辑工作。但他后来有急事，不得不中途离开。临走前，雷蒂库斯找了个继任者，叫奥西安德尔（Osiander）。

既荒诞又搞笑的事情来了。

奥西安德尔接手了编辑工作以后才发现，这本书竟敢公然反对地心说，顿时觉得自己上了一条贼船。为了避免池鱼之殃，他干了一件今天的编辑连想都不敢想的事情：瞒着哥白尼和雷蒂库斯，伪造了一篇前言，宣称此书“并不是一种科学的事实，而是一种富于戏剧性的幻想”。

不过这个伪造前言的恶行并没有受到追究。因为当此书正式出版的时候，哥白尼已经去世了。

很多中小学科学读物讲到这段历史的时候，都会说：“哥白尼提出的日心说一举打破了地心说的统治地位，实现了天文学的伟大变革。”

这个说法是错的。

在哥白尼重新提出日心说后的大半个世纪里，地心说的地位依然坚如磐石。直到17世纪初，两个科学巨人的横空出世，才让胜利的天平倒向日心说。

先讲讲日心说为何迟迟得不到学术界的认可。原因在于，它无法解释火星的轨道异常。

按照日心说的观点，太阳位于宇宙的中心；其他的行星，都沿着圆形轨道绕太阳公转。但人们后来发现，火星的运动轨道相当诡异，并不是一个完美的圆。哥白尼本人也意识到了这个问题。无奈之下，他引入了托勒密的本轮-均轮体系，把火星也放在一个“旋转咖啡杯”上。但这样一来，日心说就失去了它相对于地心说的最大优势：数学上简单明了。

破解这个难题的是我们要讲的第一个科学巨人——德国大天文学家约翰内斯·开普勒（Johannes Kepler）。

开普勒被后人称为“天上的立法者”。他之所以有这样的盛名，是因为他在17世纪初提出了著名的“行星运动三定律”。在这三条定律中，最具颠覆性的是第一定律。它说的是，行星绕太阳公转的轨道并不是圆，而是椭圆。这就解释了火星的轨道异常。因为火星绕太阳旋转的轨道，正是椭圆。

开普勒的发现让日心说有了和地心说平起平坐的实力。但要想真正打败地心说，必须发现一种特殊的自然现象；这种自然现象用地心说根本说不通，用日心说却能完美地解释。

发现这种自然现象的人，就是我们要讲的第二个科学巨人，此人就是被后人称为“现代科学之父”的伽利略（Galileo）。

伽利略发现这种自然现象的故事，得从一个不相干的人讲起。

1608年，一个荷兰眼镜店老板偶然发现用两块前后放置的镜片可以看清远处的物体，进而造出了人类历史上的第一架望远镜。这个消息传到了意大利，立刻引起了伽利略的浓厚兴趣。

1609年，伽利略制造了一个质量更好的望远镜，能把远处的物体放大30多倍。然后，他做了一件意义非凡的事情：把这个望远镜指向了太空。

这个举动，宣告了现代天文学的诞生。

伽利略第一次用望远镜仰望太空的心情，应该和阿里巴巴第一次看见满山洞财宝的心情差不多。用这个望远镜，他发现了很多人类前所未见的景象，比如太阳黑子、月球环形山和木星卫星。其中最有影响力的发现，直接导致了地心说的衰落和日心说的崛起，那就是金星盈亏。

什么是金星盈亏呢？我们不妨用月球盈亏来做一下类比。

相信很多人都知道，月球是有盈亏的。为什么月球会有盈亏呢？因为月球本身不发光，只能反射太阳光。由于月球一直在绕地球旋转，它既能跑到地球和太阳之间，也能跑到地球的背后。如果月球跑到了地球和太阳之间，它就会把后面射来的太阳光挡住，让我们无法看到它，这就是月球的“亏”；如果月球跑到了地球的背后，它就可以完全地反射太阳光，让我们看到一轮圆月，这就是月球的“盈”。

与月球不同的是，金星无法跑到地球的背后。不过，它有可能跑到太阳的背后。如果金星跑到了地球和太阳之间，它就会挡住后面射来的太阳光，让我们看不到它，这就是金星的“亏”；如果它跑到太阳的背后，就可以完全地反射太阳光，让我们看到一个最圆最亮的金星，这就是金星的“盈”。

知道了金星盈亏的概念，我们就可以来讲讲如何判断地心说和日心说的对错了。问题的关键在于，金星到底是绕地球旋转还是绕太阳旋转。

天文观测表明，金星一直都在太阳周围活动。在地心说中，金星一直在绕地球旋转；要想解释金星总在太阳周围活动的观测结果，金星和太阳就必须以差不多的角速度绕地球旋转。在这种情况下，金星就只能一直处于地球和太阳中间，永远不可能出现“盈”的状态。

而在日心说中，金星一直绕太阳旋转，所以能自然而然地解释为什么金星总在太阳周围。更重要的是，在这种情况下，金星也可以跑到太阳的背后，从而出现“盈”的状态。

所以地心说和日心说就有一个最本质的区别。在地心说中，金星绕地球旋转，因此只能“亏”不能“盈”；而在日心说中，金星绕太阳旋转，因此既能“亏”又能“盈”。这样一来，通过观察金星能否出现“盈”的状态，就可以判断它到底绕着谁旋转，进而判断地心说和日心说的对错。

1610年，伽利略用他自制的望远镜，真真切切地看到金星确实出现了“盈”的状态。在一封寄给朋友的信中，伽利略富有诗意地写道：“爱之母（金星）正在效仿辛西娅（月亮女神）的风姿。”同一年，他把这个发现写进了自己的传世名著《星际信使》，从而敲响了地心说的丧钟。

打败地心说后，日心说就成了天文学界的经典理论；它的统治，一直延续到了20世纪初。

以今天的眼光来看，日心说的错误也是很明显的：宇宙的中心，当然不可能是太阳。那么，为什么今天看来错误相当明显的日心说，却能继续统治天文学界长达300年？

欲知详情，请听下回分解。