六、成年：科学革命

1.哥白尼革命

人类的历史和一个人的成长一样，是一个连续的过程。但当我们回顾成长历程时，偶尔会特别关注一些时间点，将之视作里程碑或断代的标志。

对于一个人来说，“成年”恐怕是成长历程中最重要的一个节点，仿佛过了这个时间，就该和懵懂青涩的少年时代告别了，思想和体格变得稳定而成熟，同时也有了能力和责任去独立行动了。

对于科学的历史而言，历史学家一般也认为有一个特别关键的时间点，划分了科学的幼稚与成熟。这个时间大约是16-17世纪，人们称这段时期为“科学革命”。

需要注意的是，“科学革命”是一个意涵丰富、众说纷纭的概念。科学史家普林西比评论说：“如果你问10位科学史家科学革命的实质、时间段和影响是什么，你可能会得到15种回答。”

但多义性并不意味着“科学革命”这个概念是虚构的，就好比对于一个人而言，“成年”的意义也是多义和模糊的，并不是说能精确找到某年某月某日，你吹了一下蜡烛就魔术般地变身为成年人了。成年是一场“变革”，但也是一段连续的历程。

“科学革命”的进程有许多条线索，一般认为，最关键的一场革命发生在天文学和物理学领域，从哥白尼1543年出版《天球运行论》为标志，到牛顿1687年出版《自然哲学的数学原理》为大成。

还有另外一些线索也值得重视，例如从炼金术到化学的发展和变革，这段时间跨度更长一些。还有从自然史（博物学）、医学、数学等学科来看，在这段时间都发生了一些里程碑式的变革。另外，从科学家的社会地位、科学社团的出现等社会学层面，也可以注意到这段时间的巨大变化。

这不同维度上的变化有早有晚，有快有慢，并不完全重合，但这就好比一个人的“成年”也有不同的维度，有身体发育方面的变化，有思维智力方面的变化，也有社交能力、情感心态等等方面的变化。这些变化不总是同步发生，但总的来说在17~18岁左右各种变化相对集中和显著，以至于我们可以粗略地以18岁为标志点，区分出未成年与成年的分界来。

而“科学革命”虽然千头万绪，我们也可以粗略地以17~18世纪作为标志，把古代科学和现代科学划分出来，而这最集中和显著变革时期就是我们所说的“科学革命”。

这里我们还是从最具共识的线索出发吧，来讲一讲哥白尼的天文学革命。

哥白尼（1473—1543）出生于波兰，二十多岁的时候去意大利游学，分别在博洛尼亚大学、帕多瓦大学和费拉拉大学学习教会法、医学和法学，学成后回到波兰担任一所大教堂的教士，相当于地方上的一个行政官员。

哥白尼负责当地的财务管理，同时是波兰国王的财政顾问。他对货币问题有许多研究，为波兰国王的货币政策提出改革建议。在这方面，他留下了《论货币的价值》、《论货币》和《论铸币》等经济学著作，在其中也阐发了许多深刻的洞见。例如，他提出“劣币驱逐良币”的现象，这一现象后来被称作“格雷欣法则”，而哥白尼的著作比格雷欣还早几十年。哥白尼还发展了货币数量论，采用量化方法来分析通货膨胀，这些观念在经济学史上都是领先的。

在当时，哥白尼最出名的可能是他的医术，据说他对草药有独到的认识，很多达官贵人会慕名找他求医。

当然，哥白尼现在以日心体系的提出者而闻名，日心说颠覆了托勒密以地球为中心的宇宙体系。

天文学是哥白尼的业余爱好，他早年在在博洛尼亚大学学习时，就接触到了一些信奉“毕达哥拉斯—柏拉图主义”的天文学家，开始研究天文学。前面提过，文艺复兴时期，希腊学术被更广泛地引入欧洲，许多厌倦亚里士多德的新一代学者更崇拜毕达哥拉斯和柏拉图，哥白尼也受到了这股新风气的影响。

早在1514年左右，哥白尼就写下了日心体系的思想概要，其思想早已在一定范围内流传，很多人都期待他尽快拿出完整版本，但他一直拖延。

有些科普作品喜欢渲染科学家遭受宗教等各种势力的压迫，所以把哥白尼一直拖延直到临终才出版书稿这件事，描绘为他受到宗教的打压，事实并非如此。当时的罗马教廷甚至是哥白尼的催稿者。

早在1515年起，教皇正在酝酿改历，因为之前用了一千多年的儒略历误差越来越大，教皇希望重新编制一部更准确的历法以校正误差。当时教廷向小有名气的哥白尼征询过意见，哥白尼的回答是：如此千年大计不必操之过急，不如先准备好一整套完整的天文学体系，以便精确测算太阳位置，之后再改历不迟。

教廷听取了哥白尼的意见，并希望哥白尼早日写出完整的天文学体系。之后又过了两任教皇，到1533年，当时的教皇和主教们也特意了解过哥白尼的学说，知道他正在酝酿一套日心体系，表示很感兴趣，红衣主教舍恩贝格还专门写信给哥白尼催稿，希望他早日公布系统的学说。

哥白尼之所以发表拖延，大概是因为他性格保守，不想标新立异。当时印刷术刚流行不就，现代科学的学术共同体远未形成，学者还没有抢先发表，争夺优先权、冠名权的意识。哥白尼主业当官副业行医，名声都不错，也不必特别在乎天文学的成就。

最后到1538年，一个年轻的天文学家慕名找哥白尼求学，他的劝说终于打动了哥白尼，同意把完整著作《天球运行论》委托给这位年轻人出版。最后这部书由路德宗牧师奥西安德尔接手，在1543年哥白尼临终前正式出版。

《天球运行论》出版后，最初只在天文学家和数学家的小圈子里产生影响。许多学者并不相信日心说，但也叹服哥白尼的数学技巧，认为他更加简洁和精确。1551年，相信地心说的莱茵霍尔德根据哥白尼体系编制了《普鲁士星表》，1582年，教皇格里高利十三世根据《普鲁士星表》制定了新的历法，这就是沿用至今的公历的原型。

伴随着新历的推行，星表和背后的哥白尼体系也得到了推广，促使更多学者了解到哥白尼的学说。此后，哥白尼体系开始“出圈”，影响力超出了数学家和天文学家的范畴。

1600年，支持日心说的布鲁诺被教会烧死。不过此事虽然不幸，但总的来说是一场针对异端者的政治迫害。布鲁诺不懂数学，他从太阳崇拜的角度援引哥白尼，但他对哥白尼学说的鼓吹并不是导致他被处死的原因。

布鲁诺在科学史中的贡献，也许是他对宇宙无限的设想，他认为地球并非唯一，宇宙中可能有无数太阳和地球，这种观念比哥白尼更加激进。

不过，布鲁诺的事例代表着哥白尼学说对普通人的影响开始扩散，到了1610年，教廷终于还是把哥白尼学说列为异端，随后把《天球运行论》列为禁书，但此时哥白尼的学说早已流行开来了。

2.工具还是实在？

莱茵霍尔德和布鲁诺代表了哥白尼支持者中的两大类别：以莱茵霍尔德为代表的一类人只看重哥白尼提供的数学工具，把日心体系当作一个有用的数学模型。他们不在乎这个数学模型日心还是地心，就好比之前许多天文学家也并不在乎“匀速点”是否有实体。这套体系能够拿来来计算日月行星的方位就行了。

中国古代的天文学传统也是类似，中国天文学家利用代数插值法测算日月行星的方位，也可以做到比较精确。元明时期通过阿拉伯人引入了托勒密的天文体系，但中国天文学家把托勒密的几何模型改造成算术工具，不顾“天球—地球”之类的含义，只考虑如何用来测算。包括航海中用牵星术测算方位，其原理实质上是根据北极星的仰角计算球体上的纬度，但中国人也可以在不承认地球是球体的前提下掌握这一工具的用法。

帮助出版《天球运行论》的奥西安德尔也是如此的“工具主义”的立场，他为这本书添加了一篇匿名的序言，给出了一段“免责声明”：“这些假说无须为真，甚至也并不一定是可能的；只要它们能够提供一套与观测相符的计算方法，那就足够了——谁也不要指望能从天文学中得到任何确定的东西，因为天文学提供不出来这样的东西。他也不该把为了其他目的而提出的想法当作真理，以便在离开这项研究时比刚刚开始进行研究时更加愚蠢。”

但布鲁诺代表另一种极端，他鄙视数学家，自己也不会搞数学演算，而是看重哥白尼体系所表达的实在图景——究竟是地球绕太阳转还是反之，布鲁诺在乎的是这一定性的结论。

这种态度更接近于柏拉图，我们说过柏拉图提出“拯救现象”的要求，但并不特别在意精确的测算，只要关于“实在”的面貌给出一个定性的解说就够了。

那么哥白尼本人，以及随后那些发扬哥白尼体系的天文学家们，如开普勒、伽利略和牛顿，他们持哪种立场呢？

显然，他们都受到复兴的柏拉图主义的影响，他们追求的是认识“实在”，而不只是一套计算工具。但另一方面，他们和柏拉图不同，他们同样注重数学工具的精确性。他们不再满足于对“实在”的定性描绘，而是把提供定量测算的数学模型本身看作真实的存在。

哥白尼对托勒密体系最大的反感，就在于它的“工具主义”。哥白尼认为托勒密体系是对柏拉图传统的背弃，特别是“匀速点”的设计，被哥白尼称作“怪物”，完全是一个为了拟合数据而随意设置的数学工具。哥白尼自认为日心体系的一大好处就是能抛弃这个“怪物”。另外，地心体系难以确定水星和金星的位置远近，两种说法都可以和数据兼容；而一旦以太阳为中心，认识到水星和金星都比地球更接近太阳，就很容易解释为什么它们看起来总不会偏离太阳很远，而且能够确定它们的顺序了。

不过，哥白尼并没有完全摆脱数学工具的不确定性，他的体系在序言中进行定性的解释时显得非常简洁，但在正文中进行具体计算时，仍然非常繁复。哥白尼只是抛弃了托勒密的“匀速点”，但仍然保留“天球”、“偏心圆”、“本轮—均轮”等数学模型，还额外添加了一种可能得益于阿拉伯人的模型（图西双轮）。实际测算天体位置时，仍然是多重模型的叠加，无论从计算的便捷性还是预测的精确性而言，哥白尼和托勒密的体系大概是五五开，并没有绝对的优势。

另外，日心说在当时还将面临着两项致命的质疑。一个是地界的问题，第二是天界的现象。

地界的问题是说，如果地球在高速运动，人为什么没有被甩出去？当然，当时的学者也有朴素的关于惯性的认知，例如在船只运动的时候，船上的人也会跟着运动而不会被甩掉。但是关于船上的人为什么不会被甩掉，当时的物理学并没有深入而全面的解释。如果人是跟着地面运动了，那么天上的云彩为什么没有被甩走呢……我们知道，这些问题最终需要等待伽利略和牛顿，系统地阐发出惯性原理和万有引力定律，这些困惑才能得到解答。而在哥白尼那里，他无法拿出令人信服的解释，只能语焉不详含混过关，反而与地心体系绑定的亚里士多德物理学更能自圆其说。

天界的疑难是视差问题。我们知道如果地球绕太阳旋转，那么它在春季和秋季的位置应该相距很远，距离是地球与太阳距离的两倍。那么从春季和从秋季观看更遥远的恒星时，应该会注意到位置的偏移。要理解这一现象，你可以依次只用左眼和只用有眼来观察物体，物体越近，两只眼睛分别看到的方向就差距越大。

而事实上当时的天文学家并未观测到视差现象。这说明只有两种可能，一是地球并不移动，地心说才是对的；二是宇宙的大小非常惊人，以至于地球到太阳的距离在整个宇宙中可以忽略不计。

哥白尼采取了后一种解释，认为宇宙是庞大而空旷的，不过毕竟缺乏证据。恒星视差一直要等到300年之后才被观测到，德国天文学家贝塞尔在1838年测出天鹅座61的周年视差是0.31弧秒——圆周是360度，1度为3600弧秒，可见视差的确存在，但小得惊人。

哥白尼的学说显然不够完美，甚至漏洞百出。但我们不能要求一场革命的先驱者就已经搭建好了一切。如果每位科学家都必须把学说打磨得无懈可击才去发表，那么科学恐怕也难以进步了。

某种科学理论存在缺陷和漏洞，通常并不意味着需要全盘否定这套理论，相反，这些缺漏可以成为其他科学家继续研究的课题，从而提供修正和补充。

3.哥白尼的后继者

哥白尼留下的问题，激励了之后一系列天文学家和物理学家的工作。

哥白尼的风格更接近于古希腊天文学，更擅长模型建构而较少进行实际观测。第谷·布拉赫（1546－1601）弥补了这一方面。第谷先后受到丹麦王室和神圣罗马帝国的资助，耗费巨资建设了数座天文台，并配有实验室、印刷厂、图书馆等配套设施。他通过观测证明了彗星比月亮远，也积累了大量行星运行的数据。第谷不相信日心说，而是把哥白尼体系改造为一个数学上等价的模型：地球是不动的，其它行星围绕太阳转，太阳和月亮围绕地球转。

第谷在公元1600年收开普勒为学徒，第二年就去世了，但他把他的详尽而精确的观测记录，特别是关于火星的记录留给了开普勒。

开普勒（1571—1630）是一个狂热的毕达哥拉斯—柏拉图主义者，他相信数字的神秘力量。

例如7是一个神秘的数字，有7种音阶，7种金属，7种颜色等等，开普勒年轻时觉得如果行星也有7个就好了。在地心体系下，五星加日月正好是7个“行星”，而在日心体系下，地球与太阳互换，但月球降格了卫星，只剩6个行星了，听起来就不太完美，年轻的开普勒就琢磨6个行星有什么奥妙之处。

开普勒想到一个几何学知识：总共有且仅有5种正多面体。如果把一个正多面体内接在一个球中，再在里面内切一个球，再在球里面接一个正多面体……这样一层套一层，5个正多面体不是正好能隔出6个球吗？这6个球正好对应于6个行星的天球，岂不是完美了吗？开普勒很高兴，认为自己发现了上帝的绝妙设计，他把这个发现写成了一本书《宇宙的神秘》（1596），寄给了他仰慕的天文学家第谷。第谷当然不认可他的行星模型，但他注意到他表现出的灵气和数学技巧，就邀请他来当学徒，开普勒犹豫数年终于在1600年的时候投奔了第谷。

在获得第谷的观测数据之后，开普勒马上抛弃了他早年那套看似很美好的宇宙模型，因为在定性上看起来优美，但与定量的观测相距甚远。开普勒尝试为第谷的数据寻找恰当的模型。他尝试了本轮模型的各种组合，以及卵形曲线等，但和数据都不吻合。模型与数据之间最接近的其实只有8分误差（1度=60分），这个误差远远低于托勒密和哥白尼体系，在古代人的观测精度下堪称完美符合，但问题是第谷的观测精度更高，误差应该在4分以内，因此开普勒没有满足。最后终于打开思路，找到了最精准的模型。1609年开普勒在《新天文学》一书中给出了椭圆轨道和行星的运动定律，即行星围绕着椭圆旋转，太阳位于其中一个焦点上，行星与太阳的连线在相同的时间内扫过的面积是相同的。

开普勒一方面严格地尊重经验观测，但另一方面也从来没有放弃对理论和谐的追求，他在之后的一部著作《宇宙的和谐》（1619年）中回到了和谐宇宙的主题，在这部书中开普勒提出了他的第三定律，也就是行星公转的周期的平方与椭圆的半长轴的立方成正比。这个定律没有什么实际的观测意义，但揭示了宇宙的“和谐”。事实上这部《宇宙的和谐》使用的是大量的音乐语言和乐谱，他相信天体的运动其实是在演奏复调音乐，六大行星构成几个声部和谐共鸣。

伽利略（1564—1642）与开普勒是同代人，他们也常有通信交流，不过他们在天文学方面的贡献各自独立，伽利略并没有接受开普勒的椭圆轨道，终其一生都固守着古希腊传统的圆周运动思想。

伽利略生于1564年，米开朗基罗恰好在这一年去世，这一巧合颇有象征意味，文艺复兴时期的三大美术家都已作古，标志着文艺复兴时代逐渐落幕，而科学革命的时代正拉开帷幕。

伽利略和米开朗基罗都是佛罗伦萨人，伽利略的成长还和米开朗基罗有点关系。

伽利略出生于破落的贵族家庭，其祖上曾经有过德高望重的医生，所以伽利略的父亲着力培养小伽利略攻读医学，虽然伽利略本人对数学更感兴趣，但在他父亲看来，学习数学明显是不务正业的想法，始终拒不同意。

转折点发生在1582~1583年，伽利略聆听了里奇（Ostilio Ricci）的数学讲座被深深触动，坚定了学习数学的想法，里奇恰好也是伽利略父亲的私交好友，伽利略就把里奇请到家里，让他劝说父亲支持他学习数学。伽利略的父亲终于妥协，虽然仍要求伽利略坚持医学学业，但允许伽利略跟随里奇学习欧几里得和阿基米德。

里奇是何许人呢？他是著名数学家塔尔塔利亚的学生，在佛罗伦萨的艺术与设计学院任教。这个学院，恰好就是米开朗基罗的学生瓦萨里创立的，米开朗基罗也曾是这一学院的名誉院长。当时，顶尖的数学教授在艺术学院并不奇怪。当时传统的大学还是以讲授亚里士多德哲学为主，反而应用透视法的绘画技艺对数学能力要求更高。

伽利略在天文学方面的贡献是改进望远镜并借助望远镜取得了大量新发现。1609年他听说荷兰人发明了望远镜，并根据传闻自己着手做了一架，改进到20倍，并且用它观测天空。第二年，伽利略出版了《星际信使》，整理了他的观测发现，例如月亮上的凹凸不平的环形山，他还发现木星周围还有4颗肉眼难见的行星，伽利略为了讨好他的赞助人美第奇家族，把它们命名为美第奇行星，后来则明确这4颗星其实是木星的卫星。

这些发现给相信天界完美不朽的希腊宇宙论予以重击，支持了日心体系。环形山和太阳黑子打破了天界完美的观念。另外，在哥白尼体系中，六大行星中只有地球有一颗卫星这件事情是很奇怪的，但如果说每颗行星都有可能有自己的卫星的话，月球就不显得奇怪了。

并不是所有人都立刻承认了伽利略的发现，甚至有些人表示拒绝使用望远镜。需要注意的是，这些反对者并不一定是出于愚蠢，因为像望远镜这样的神奇器物似乎很像魔法师的神秘道具，让人敬而远之。而且，由于制作和使用望远镜需要一定的技巧，很多愿意使用望远镜的人也会遭遇挫折。伽利略自己甚至也失手过，据说有一次给一群学生演示怎么看到木星的卫星，结果忙活了半天并没有看到。

事实上，伽利略在许多时候表现得也很顽固，比如他与开普勒通信早已了解椭圆轨道理论，但他始终坚持正统的圆形模型。伽利略还曾和一位耶稣会士争论彗星是否在“月上天”，那位耶稣会士相信第谷的观测，认为彗星比月球远，而伽利略则无视第谷的证据，坚持彗星是“月下天”的现象。在一部宣扬哥白尼体系的书中，他坚持把潮汐现象视作地球运动的证据（就好比一桶水晃动的时候水面会起伏）。但事实上古代学者的认识才是正确的，即潮汐与月球有关。

伽利略固执的性格也是导致他后来遭受教会审判的原因之一。伽利略本来和教皇乌尔班八世关系很好，当时哥白尼体系确实是异端，但教皇其实允许伽利略出版那本宣扬哥白尼体系的著作，只是希望他在序言中声明相关主张只是假说，只有找到确凿的证据才能认其为真。教皇还希望把他自己的观点加入书中，即认为潮汐现象的原因未必是地球运动，可能有其它未知原因（前面提过，在这个问题上伽利略才是错误的一方）。伽利略确实加入了教皇的话，但是在这部对话体著作中，却安排了一个经常被嘲弄的丑角说出了教皇的话。最后教皇大怒，认为自己被戏弄和羞辱了。当然，还有种种政治原因，最终导致教皇与伽利略关系破裂，伽利略遭受了异端审判。

最后伽利略公开放弃日心说，并且被软禁在自己家中。不过他还是能继续写作和教学，之后又完成了一部力学方面的重要著作。

小结 复杂

在讲述哥白尼、开普勒、伽利略等人的故事时，我没有回避他们的缺漏和错误，科学的发展并不总是由坚持正确观点的人战胜坚持错误观点的人，科学家不是永远正确的化身，科学也总是包含分歧和争议。开普勒与伽利略各执己见，持有互相矛盾的观点，并不意味着两人中有一个是好人，另一个是坏人。

没有完美无缺的人，所谓“成年”并不是达到完美的状态，恰恰相反，认识到自己与世界的不完美，乃是成年的标志之一。

但是这些现代科学家又往往坚持己见，有时甚至显得顽固偏执，即便证据并不充实也坚信自己的观点。当遇到负面的证据时，科学家有时依然固守观点，因为那些证据往往也同样是不完美的、可能出错或遗漏的。随着科学的进一步发展，新的证据被补足，错误的证据被纠正，坚持己见的人终将得到承认。但另一方面，也许科学家坚持的观点最终将被证明是错误的，及时认错、改变研究方向才是更好的选择。

那么，究竟什么时候应该坚持己见，什么时候应该及时认错呢？事后诸葛亮很容易，但身在其中时，往往并没有什么绝对可靠的办法来判定。特别是在“科学革命”的时期，许多旧的信念刚刚被打破，但新的知识仍在探索和建立之中，当时的科学家就更难以找到确定的标准了。

成年人的世界并没有“标准答案”，当我面临抉择时，如果我开了天眼，能够掌握一切信息并预知未来的一生，我很容易每次都做出最好的选择，但问题是人类的能力是有限的，我们总是在掌握极其有限的信息时，就必须做出判断。

从历史回顾来看，那些坚持了正确道路的科学家成就了伟大的名声，被当做科学革命的英雄来铭记。另一些坚持了错误的观念的人也许就默默无闻，甚至成为一些历史叙事中试图扼杀真理的反派。这种叙事更像是童话故事，里头不是好人就是坏人，但真实的世界总是暧昧而复杂的。