因观测而被重读的星空

  原标题：因观测而被重读的星空

  ◎[美]马塞洛·格莱泽

  伽利略在1608年秋天接触到了产自荷兰的望远镜，而在此之前，第谷在16世纪最后三十年已细心测量了天体的运动。第谷制造了整套测量仪器，这在当时是前所未有的。

  在朗空无云之夜踱步外出，众星璀璨，绽于眼前，诸星间距似永恒，恰如镶嵌于黑暗之中。夜色渐深，整个天穹自东向西，缓缓移动。古人夜观天象，看到星辰的位置似乎固定不变，受此启发，便将这天空中的图画赋予意义，称之为星座。尽管同一星座在不同民族的神话中意义不同，人们想要从夜空中获取信息的强烈愿望却在人类文化中无处不在。事实上，有关星辰的误解可以清楚地表明我们的感觉是怎样欺骗我们的，星星既非静态——有些星星的移动速度高达每小时几千公里——也远非人类所理解的平面天穹，群星与地球的距离远近不一，散布于星际空间那无穷无尽的三维立体体积里。天穹和柏拉图的洞穴寓言一样，是出于我们对现实的有限感知而产生的错觉。这一错觉与我们和群星之间相距甚远密不可分。正如一架高飞于空中的飞机，地面之人望之如蚁行，而有些星体距离我们有成百上千光年之远，这些可见的星星因而看起来是静止不动的。

  地球绕自身的轴旋转，这一反人类直觉的理念困扰了人类观察者几千年。亚里士多德学派的学者对此提出了反驳，称如果地球自转，那么云和鸟就会被甩在后面，抛向天空的石头也会被留在天空。除厄克方图和赫拉克利德斯等少数希腊思想家外，地球自转这一在当时“荒诞不经”的想法直到两千年后才被哥白尼重新提起。

  第谷·布拉赫那巨大的特制仪器使得他测量的行星运行精确度达到了前所未有的地步。第谷也知道，还需要结合规律来解决行星轨道形状的精度问题：他拥有的数据点越多，就越能精确探测到行星穿越天空的运动。只有拥有足够理性的勇敢之人，才敢宣称某个现有规则是错的，改变正在酝酿之中。第谷追求高精度的测量，因为在他看来在没有数据支持的情况下去理解一些理论，就像空壳一样，观之觉美，却缺乏内容支持。第谷变革性的现代思想由此可见一斑。

  科学史上很少有人像开普勒一样既令人着迷而又才华横溢——他有些神经过敏，而同时又是个勇敢的德国天文学家，在他最黑暗的时刻，他将自己与矮小的哈巴狗等同视之，而事实上他是一位知识上的巨人，为宗教自由而抗争的英雄。不正常的成长经历和个人生活所带来的悲剧在他身上留下了伤痕累累的情感烙印，作为17世纪头十年间天主教和路德派之间剧烈宗教冲突的受害者，开普勒把心思投向了天空，探索着在他的生活中一直缺乏的秩序。

  早在1600年，开普勒便作为助手加入到第谷的研究中。从一开始，第谷与开普勒的初衷便大不相同。第谷想要一个理论家来证明他所相信的片面地心说，他相信这与他的观察结果是一致的。开普勒作为一个坚定的哥白尼学派学者，他想用第谷的数据来建立一个真实的日心说宇宙模型。他们并肩作战了十八个月，而他们之间的理论冲突则是史诗级别的。第谷并不想将其耗费数十年精力的研究成果送给德国人开普勒，而开普勒则迫不及待地想要得到这些数据。在各种给予与索取之后，第谷最终将他关于火星运动轨迹的数据赠予了开普勒。对第谷来说，这一慷慨之举可谓用心巧妙，他知道火星拥有一个大的偏心轨道，这意味着火星轨道明显偏离了一个简单的圆形。开普勒的工作便是去解答火星不完美轨道上所存在的圆周运动，从而与第谷的数据相匹配。

  开普勒以为只需短短数周便可得出结论，而实际上这一工作花费了他将近九年的时间。1609年，他骄傲地发表了《新天文学》，他在文中宣称火星的轨道不是一个圆而是一个椭圆。开普勒严格遵照了第谷的数据，得到了这一令人难以想象的、与数千年天文学理论相悖的结论。在尝试将第谷的数据应用于各种圆和本轮数年后，开普勒将托勒密的偏心匀速点理论应用于太阳，将之稍稍偏离了行星轨道的中心。

  椭圆理论令人十分震惊。经开普勒之手，第谷通过裸眼观察所得的精准数据，将在人类知识史上引发一场革命。科学史上没有什么比这个更能够显示出精确数据在我们整个世界观改变过程中所起到的革命性催化作用。在第谷与开普勒的故事中，我们看到观察家和理论家相结合的威力是多么巨大，就如爱因斯坦关于科学与宗教的著名论断：“科学没有宗教就像瘸子，宗教没有科学就像瞎子。”

  开普勒并未止步于此。其著作（《新天文学》）的副标题充分说明了这一切：《基于因果关系的新天文学和基于第谷先生的观察从火星运动观测中得出的天体物理学》。这是基于天体的物理观测的新天文学。开普勒不仅像他的先行者那样追寻着描述性的天文学，他还想用物理学来解释天文现象，他坚信星体的运动具有某种因果机制。这的确是革命性的，是天文学史上将因果法则囊括进来，以解释作为力的作用结果的行星轨道的首次尝试。开普勒认为太阳和行星本身具有磁性，它们之间的相互作用正是通过磁性。

  开普勒是一个过渡性人物，是即将到来的科学变革的先驱。但在当时，他并非孤军奋战，在遥远的意大利，另一个哥白尼学派的学者即将走入历史舞台。1610年，在开普勒发表《新天文学》一年后，伽利略出版了他的作品《星际信使》，在这本小书中，伽利略开始改变我们看待宇宙的方式。他能这样做，是因为他拥有观测天空的有力新工具：望远镜。他所看到的是一个极为美丽而又复杂的宇宙，这种美与亚里士多德理想化的不变宇宙中的空灵天体之完美截然不同。正如在科学史上经常发生的那样，新的观察工具揭示出物理现实全新且常常不可预料的方面。知识岛断断续续地扩大，新的岛屿重新界定了其海岸线，并将过去的海岸线或推入内陆之一隅，或推向遗忘的角落。

  在《星际信使》一书中，伽利略描述了他通过望远镜所得到的三个主要发现，这些发现都与亚里士多德的宇宙观相悖：月球表面并不完美，和地球相似，充满了高低起伏；将望远镜对准昴宿星团和猎户座，看到了至少十倍于肉眼可见的星辰，这意味着银河系和其他星云并非云状物，而是由不计其数的星辰组合而成；木星有四个卫星。对伽利略和开普勒来说，宇宙仍是封闭的，包含在固定的恒星天体之内。事实上，开普勒认为无限的宇宙是一可憎之物：“这一思考背后伴随的是潜藏在我内心的隐秘恐惧；其实每个研究宇宙的人都会在想，既然这浩瀚无边的宇宙没有边界和中心，因此其内在之物也就没有确切的位置。”

  在伽利略和开普勒的基础上，牛顿引爆了人类关于现实构想的下一个重大转变。牛顿不仅通过复杂的计算得出了万有引力定律的精确公式，而且打开了天堂的穹顶，指出了宇宙的无限性。像牛顿这样大大拓展了知识岛面积的伟人，可谓是前无古人，后无来者。

  摘自《求知简史：从超越时空到认识自己》，[美]马塞洛·格莱泽/著，曾大为、刘勇军/译，重庆出版社2017年版