地心說和日心說只是參考系不同嗎？

黃輝

摘 要：日心說對地心說的勝利是理性對于信仰的勝利。日心說取代地心說的過程，建立起了一種全新的認(rèn)識方法，“觀察—假說—推理—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的模式。對以后物理的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

關(guān)鍵詞：地心說；日心說；參考系

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）7-0036-2

在古代，人們對于天體的運(yùn)動存在著地心說和日心說兩種看法。地心說認(rèn)為地球是宇宙的中心，太陽、月亮以及其他行星都繞地球運(yùn)動。它符合人們的直接經(jīng)驗(yàn)。日心說認(rèn)為太陽是靜止不動的，地球和其他行星繞太陽運(yùn)動。在萬有引力定律的教學(xué)中，學(xué)生提出，地心說和日心說是不是只是參考系不同，它們本質(zhì)上沒什么差別？

確實(shí)，地心說和日心說參考系變化一下，好像對我們的生活也沒什么影響。對于生活在地球上的人，太陽東升西落，地心說更符合我們的常識。但是，哥白尼打破的正是這種觀念，有時(shí)候看到的不一定是真的，要透過表象，深入自然的最精深微妙的核心，人的認(rèn)識必須在理性的引導(dǎo)下前行。

日心說的建立開辟了人類認(rèn)識世界的一個(gè)新紀(jì)元。正是在這樣的思想影響下，當(dāng)托里拆利看到空氣托起一段水銀柱時(shí)，就會理性地去思考。科學(xué)的影響，既在成果，更在精神。[1]

1 數(shù)學(xué)模型的建構(gòu)

日心說或者地心說的爭論，關(guān)鍵在于，我們談?wù)摰膶ο蟛辉偈俏覀兊母泄偎苯影盐盏臇|西。我們沒辦法“去看看”，認(rèn)識不再是對感官提供的感性資料的整理和解釋，而表現(xiàn)為一種“理性-感覺”的高度綜合的過程。

在描述天文現(xiàn)象上，人們很早就知道一年四季不是平均地各占全年長度的四分之一。這就發(fā)生了問題，如果星體是勻速運(yùn)動，那軌跡就不可能是圓；如果其軌跡是圓，那它的運(yùn)動就不可能是勻速的。要同時(shí)照顧到這兩端，托勒密所做的，就是用勻速圓周運(yùn)動的疊加。即“本輪-均輪”模型，地球處于被稱作均輪的一個(gè)大圓的中心，另有一個(gè)小圓，托勒密稱之為本輪，其圓心沿這個(gè)大圓的圓周運(yùn)動，而星體則在這個(gè)小圓的圓周上運(yùn)動。

如果只是太陽和地球兩個(gè)天體，它們互為參考系，都是在做圓周運(yùn)動。但是，地球?qū)嶋H上是在做橢圓運(yùn)動，太陽處在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。而且考慮到太陽系的其他行星，用相對運(yùn)動考慮，對地心說，必須將地球的繞日運(yùn)動和自轉(zhuǎn)分別加在所有的行星上。這樣，其數(shù)學(xué)描述必然復(fù)雜。[2]

隨著觀測工具的改進(jìn)，觀測的現(xiàn)象也更為精細(xì)。太陽在黃道上運(yùn)動有快有慢，行星還有一種從西向東的運(yùn)動，持續(xù)時(shí)間或長或短，天文學(xué)上稱為“逆行”。偏心圓和“本輪-均輪”模型給出的結(jié)果都不能盡如人意。為了做出和現(xiàn)象相合的數(shù)據(jù)，托勒密不斷地改動模型——由勻速圓周到偏心圓和“本輪-均輪”模型，再到偏心勻速點(diǎn)和偏心等距點(diǎn)等復(fù)雜概念。

托勒密的模型太復(fù)雜，但哥白尼堅(jiān)信宇宙和自然是美的，而美的東西一定是簡單與和諧的。走出困境的辦法是賦予地球運(yùn)動。

2 物理現(xiàn)象的分析

根據(jù)第谷的觀測數(shù)據(jù)，木星和火星等行星的運(yùn)動在遠(yuǎn)離太陽時(shí)是變慢了，而在移向太陽時(shí)確實(shí)是加快了。開普勒得出了一個(gè)結(jié)論，即太陽顯然是這種推動力的來源。太陽是整個(gè)太陽系運(yùn)動的源泉。因此，太陽作為這個(gè)體系的中心更合適。

地球的運(yùn)行周期是365天，恰好介于火星的687天和金星的225天之間，和3個(gè)行星到太陽的距離遠(yuǎn)近也對應(yīng)。太陽處于這些行星的中心也更加合適。

月球確實(shí)是以地球?yàn)橹行睦@地球運(yùn)動。望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明，讓伽利略發(fā)現(xiàn)有四顆星星繞木星運(yùn)行，同時(shí)又以十二年為周期，劃出巨大的繞日運(yùn)行的軌道。原來地球不是唯一的，被特別選中的、擁有衛(wèi)星的星球。地球，連同作為衛(wèi)星的月球，一同做繞日運(yùn)動，并不是不可想象的。地球和太陽系的別的行星一樣，不是特別的一個(gè)，不是中心。 伽利略也發(fā)現(xiàn)金星的位相，也是對金星繞太陽運(yùn)動的一個(gè)支持。

在數(shù)學(xué)推演中，物理意義始終是指引前進(jìn)方向的標(biāo)志。對天體運(yùn)動的物理原因的追尋才是正確的方向。

3 力學(xué)機(jī)理的探究

為了解釋觀測到的現(xiàn)象，科學(xué)家引入了不同的理論。不能只追求數(shù)學(xué)模型，而放棄物理本質(zhì)和物理機(jī)制。我們探詢自然，就是要問它的根源。物體通過磁力和電場力的吸引而相互作用，除此以外還可能有更多種的吸引力。牛頓發(fā)現(xiàn)的萬有引力定律使我們能從物理的本質(zhì)上考慮這些現(xiàn)象。不過，當(dāng)時(shí)有些人認(rèn)為力看不到、摸不著，不是一件東西，當(dāng)然不能成為實(shí)證科學(xué)研究的對象。牛頓看到的是，力的作用和結(jié)果，是可以感知和可以驗(yàn)證的。

具體計(jì)算月球的向心力，證明正是這一個(gè)力，使得月球留在它的軌道上，既不飛離、也不落向地球。而且這個(gè)向心力和萬有引力都遵循平方反比，且指向地球中心。這就證明了月球?yàn)榈厍蛩虑蚶@地球運(yùn)動。

而太陽系的行星也在適當(dāng)?shù)能壍郎线\(yùn)動。需要的向心力，反比于這些行星到太陽中心距離的平方。也說明正是由于太陽對這些行星的萬有引力的作用，使得這些行星繞太陽運(yùn)動。即太陽是這些行星的中心。

4 理論的“檢驗(yàn)-預(yù)測”現(xiàn)象

要從嚴(yán)格的科學(xué)意義上確立這一學(xué)說，必須細(xì)致地闡明天體運(yùn)動的機(jī)制，必須從物理上說明天體的運(yùn)動并給出可以驗(yàn)證的證明。

牛頓建立了一個(gè)以力為核心概念的物理學(xué)體系，給出了運(yùn)動機(jī)制，解釋了從現(xiàn)象中歸納出來的經(jīng)驗(yàn)定律。理論值和觀測值的對比所表現(xiàn)出的一致，強(qiáng)有力地表明，最初對現(xiàn)象的歸納，以現(xiàn)象為基礎(chǔ)的假說，對這一假說所作的物理分析，以及整個(gè)過程中時(shí)時(shí)運(yùn)用的推理法則，全部為真。 如果理論能夠提供一種預(yù)期，而不只是事后的驗(yàn)證，那就會顯得更具有說服力。

最直接的證據(jù)，來自對彗星的預(yù)測。隨著數(shù)學(xué)的長足發(fā)展，更精密地計(jì)算土星、木星之類質(zhì)量巨大的行星對彗星回歸的影響。使得對哈雷彗星的回歸時(shí)間預(yù)測更加精確。 所以，1759年當(dāng)哈雷彗星通過近日點(diǎn)，緩緩移動，俯瞰這個(gè)世界的時(shí)候，世界感受到的不是驚訝，而是一種欣喜。

5 日心說的確立和物理發(fā)展

如果不問論證和事實(shí)而盲目地接受日心說，恰是以一種信仰代替另一種信仰，以一種迷信代替另一種迷信，在本質(zhì)上說，并沒有把我們對于自然的認(rèn)識從本質(zhì)上推向前進(jìn)?？茖W(xué)的本質(zhì)不在于你接受日心學(xué)說還是接受地心學(xué)說，而是你為什么、憑什么接受某一種學(xué)說。[1]日心學(xué)說最終取代地心學(xué)說，本質(zhì)上不是一種圖景替代了另一種圖景，而是一種論證手段，分析和實(shí)證的方法，取代了以信仰為基礎(chǔ)的論證。這一重大的改變，是真理標(biāo)準(zhǔn)的改變，是理性對于信仰的勝利。

這是科學(xué)第一次面對一個(gè)我們的感官所不能直接感知的對象，這在人類認(rèn)識自然的歷史上，沒有先例。沒有人可以看見地球是不是繞太陽轉(zhuǎn)，我們只能想象，這就發(fā)生了真?zhèn)螁栴}。由感官提供的直接的判斷不再是自明的了，對與錯不再是一般人依據(jù)常識就可以一目了然的了。什么叫“對的”，誰又是最后的評判呢？

先根據(jù)現(xiàn)象做出一種假設(shè)性的解釋，這一解釋必須能給出一種可以驗(yàn)證的預(yù)期，而如果這種預(yù)期在實(shí)驗(yàn)中能驗(yàn)證，那么先前的假設(shè)性解釋即可確立為真，或者說“我們的理解是對的”。這就構(gòu)成了一種全新的認(rèn)識方法，“觀察—假說—推理—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的模式。[2]

科學(xué)所留意的，不僅僅是科學(xué)活動的成果，而更加是人類認(rèn)識的進(jìn)程?？茖W(xué)探索未知領(lǐng)域，先是星空，再到原子，再到生命，建立理論的過程都很艱難，但也有相似。日心說的發(fā)展為人類認(rèn)識的發(fā)展所提供的是一種深刻的借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳以義.從哥白尼到牛頓：日心學(xué)說的確立 [M].上海：上海人民出版社，2013.

[2]張?jiān)圃?，申曉?對地心說和日心說的重新思考與再評價(jià)[J].出國與就業(yè)，2011（8）：123—124.

（欄目編輯 羅琬華）