地球是不是宇宙的中心

除了一些狂熱的原教旨宗教信徒，今天受過教育的人都知道，地球和其他行星在圍繞著太陽運行。但是在古代，除了少數的另類，人們都相信所有的天體，包括太陽、月亮、行星和恒星，都在圍繞著地球運行，地球是宇宙的中心。正如一個人在嬰兒時期會覺得全世界都應該圍繞著他轉，隨著長大才慢慢地學會站在別人的角度設身處地思考，人類在其幼稚時期也不可避免地會以自我為中心。各種宗教也在強化著人類的自戀：如果人類是上帝根據其影像創造出來執行其計劃的，那么人類居住的地球就沒有理由不會是宇宙的中心。

這種觀念也符合人們的日常觀察。我們每天早晨都看到太陽從東方升起，傍晚從西方落下，非常直觀地表明太陽在圍繞著地球運行。同樣，每天晚上也能看到月亮、星星都在天空中做周而復始的運動，也表明它們全都在圍繞著地球運行。古巴比倫天文學家通過仔細觀察天體的運行，甚至能夠通過數學計算預測天體的位置。在此基礎上，古希臘哲學家首先提出了天體運行的模型。

特別喜歡幾何學的柏拉圖也對天體運動做了一番幾何抽象，認為天體都是以固定的速度圍繞著地球做完美的圓周運動的，看似雜亂無章的行星運動軌跡，都可以看成是幾個圓周運動的組合。他的學生歐多克斯據此在公元前4世紀提出了第一個用來預測天體運行的數學模型。他認為天體都位于某個透明的球形殼層上，由這些水晶球層帶著它們圍繞地球運行，地球位于球層的中心。為了解釋同一個天體的不同周期運動 （例如月亮除了每天的運動，還有每月的變化），他認為一個天體有多個球層：太陽和月亮各有3個，5顆已知的行星各有4個，再加上最外面的一個恒星球層，總共有27個球層。柏拉圖的另一個學生亞里斯多德基本上采納了歐多克斯的模型，只是做了一些無關緊要的改動 （在各個球層之間加了一些不必要的不動球層）。

古希臘天文學家注意到，行星的運行顯得很古怪。恒星在天球上的位置是固定的，而行星的位置卻是變化的，運行速度和方向都在變，例如，它們有時運行速度會慢下來，然后反方向運行一段時間。歐多克斯給每顆行星加了4個球層：一個解釋行星每天的運動，一個解釋行星在黃道帶上的運動，另外兩個球層的轉動方向相反，用于解釋行星的逆行現象。但是這并不能完全解決行星的逆行問題。而且歐多克斯的模型還有個缺陷：因為它們是以地球為球心的同心球，每個行星與地球的距離是固定的，那么從地球上看，它們的亮度應該沒有變化，而實際上，除了金星的亮度大致不變外，其他行星的亮度是會有變化的，表明它們與地球的距離會改變。

為了解決行星逆行和亮度變化的問題，阿波羅尼奧斯在公元前三世紀末想到了一個解決辦法。在他的模型中，天體還繼續在以地球為球心的球層上運行 （稱為均輪），但是它們一邊沿著這個大圓圈向前運行，一邊又在繞一個小圓圈（稱為本輪），也就是說，天體在本輪上繞行，而本輪又在均輪上繞行，這樣從地球上看，天體與地球的距離就有所變化，有時會出現逆行。同時，為了解決行星運行在黃道帶上的反常運行，阿波羅尼奧斯又提出均輪不是以地球為中心的，而是以偏離地球的某一點為中心的，它們是偏心圓。阿波羅尼奧斯用“本輪”和“偏心”巧妙地保留了柏拉圖天文學的兩個根本觀念：地球是宇宙的中心，天體運行是完美的圓周運動。

公元二世紀，托勒密根據阿波羅尼奧斯提出的這些觀念，補充了一些新觀念 （認為行星不是做勻速運動，而是等角速運動），并與實際觀測結果結合起來，提出了一個能夠相當精確地描述天體運行情況的模型，成了古希臘天文學的集大成者，以至現在我們想起地心說天文學，首先想到的是托勒密。

在以后的一千多年，雖然托勒密模型在西方世界占了統治地位，但是并沒有被天文學家們普遍接受。托勒密模型實際上已不認為天體在做勻速圓周運動，破壞了幾何之美，這讓一些堅信天體必定在做完美的運動的天文學家很不滿。而且托勒密的模型非常復雜、繁瑣，為了能讓其模型符合觀測結果，解釋天體運行的種種反常，就必須增加均輪和本輪的數量，到16世紀時，據說要用到80個左右的這些輪才能符合當時的觀測結果。

因此有一些天文學家提出其他模型試圖替代他們認為存在缺陷的托勒密模型。這些模型也都是以地球為中心的，直到16世紀才出了一個另類——哥白尼在1543年提出太陽才是宇宙的中心。其實“日心說”并不是哥白尼首先提出的，它的出現比托勒密模型還要早。在公元前三世紀，古希臘天文學家阿利斯塔克已提出恒星和太陽靜止不動，地球和行星在以太陽為中心的不同圓形軌道上繞太陽運行，地球每天繞軸自轉一周。

托勒密模型很難解釋的許多天文現象，“日心說”能夠輕而易舉地解釋。例如行星的逆行問題，很容易解釋成是因為行星環繞太陽運行，從同樣在環繞太陽運行的地球上觀察時產生的視差。

“日心說”的另一個優勢是可以確定各個行星軌道的次序。在柏拉圖的模型中，各個天體與地球的距離從近到遠依次是月亮、太陽、金星、水星、火星、木星、土星和恒星。而在托勒密的模型中，這個順序則是月亮、水星、金星、太陽、火星、木星、土星和恒星。最成問題的是水星和金星，究竟哪一個與地球的距離更近，用地心說難以確定。改用“日心說”模型，則可以確定是金星更靠近地球。

在“地心說”模型中，各種天體不管它們多么不同，與地球的距離有多遠，都每隔24小時環繞地球一周。這很難讓人理解。但是改用“日心說”模型，這個現象的原因就簡單明了：那是地球自轉造成的假象。

“日心說”也就是“地動說”，把天體的東升西沉解釋為地球繞自轉軸自西向東轉動造成的假象。但是這帶來了新的問題。地球的自轉速度應該非?？欤ò船F在的測量結果，在地球赤道上的自轉線速度為465米／秒），那么為什么人們覺察不到地球的運動？就像在快速行駛的車上人們能感覺到迎面吹來的風一樣，地球以這么快的速度自西向東轉，那么就應該有東風持續在吹，為什么沒有？我們直直地往空中拋出一塊石頭，在它落地的時候，如果地球在自轉，它應該落到了后面，為什么還落在原地？同理，為什么飛鳥和云彩沒有被地球的自轉甩到后頭？這些日常生活的觀察似乎都與地動說相矛盾。

“日心說”還存在另一個問題。如果地球在繞著太陽公轉，在公轉軌道的不同位置上觀測恒星，應該看到恒星在天球上的位置發生了變化，也就是出現了視差，星座的形狀在一年之中會出現變化。但是肉眼和最初的望遠鏡都看不到恒星視差，星座的形狀保持不變，這似乎意味著地球并沒有在圍繞著太陽運動?？床坏胶阈且暡畹恼嬲蚴怯捎诤阈请x地球非常遠，它們與地球的相對位置的變化極為細微（一直到1838年，人們才首次用太陽儀觀測到恒星視差），但是這意味著宇宙非常浩瀚，超出了古代天文學家的想像，所以他們不考慮這種可能性。沒有恒星視差被認為是“日心說”的一個致命弱點。

另一個觀察也對“地心說”有利。金星的亮度在一年的大部分時間內都差不多，這似乎表明金星與地球的距離保持不變，符合“地心說”模型，用“日心說”則難以解釋。按“日心說”，金星和地球都在圍繞太陽運轉，它們之間的相對位置會發生變化，金星的亮度也應該發生變化。

由于這些原因，雖然“日心說”早就有人提出，但一直沒有受到重視。何況阿利斯塔克提出的只是一個簡單的定性模型，并不能用于預測天體運行。哥白尼為“日心說”創建了第一個數學模型，試圖與實際觀測結果結合起來，但是其精確程度還不如托勒密模型。這并不奇怪，托勒密模型本來就是根據實際觀察結果拼湊起來的。其實，在數學上，“日心說”和“地心說”模型可以做到等價，達到相同的精確程度。但是哥白尼并不是一個很好的天文觀測者，而且他的某些觀念比托勒密還落后（例如堅持認為天體只能做勻速正圓運動），雖然為了能符合觀測結果，他也保留了托勒密模型中的行星本輪，但是精確度仍然不如托勒密模型。 （未完待續）

方舟子

留美學者，生物化學博士smfang@yahoo.com

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