1　从简单到复杂

尼古拉·哥白尼

波兰天文学家、弗龙堡大教堂僧正

Nicolaus Copernicus

1473—1543

1543年，英国王位继承人问题悬而未决，天主教派和路德教派还在相互攻击。5月24日，波兰弗龙堡大教堂的老年僧正哥白尼去世了，享年70岁。据说哥白尼在弥留之际，终于收到了出版商从纽伦堡寄来的《天球运行论》的样书。看着自己的著作终于出版了，哥白尼在满足和遗憾交织的心情中离开了这个世界。[1]

与那些有关王位和战争的世界级大事件相比，哥白尼的离世宁静而苍白，没有达官显贵的告别，没有众人的吊唁，也没有隆重的葬礼。但从更长的历史坐标系来看，与哥白尼相比，其他重大的战争和冲突都显得微不足道了。

我们可以想象，令哥白尼满足的是，这本凝聚了他几十年辛劳与智慧的作品终于印刷出来，即将在欧洲乃至全世界的知识阶层中传播开来。但同时，令他遗憾的是，他还有太多的工作没有做完，他的目标没能完全实现。

哥白尼幼年丧父，在舅舅的照顾下成长。他的舅舅是一名主教，不仅在生活上照顾了哥白尼一家，还送哥白尼上学，帮助他接受良好的教育。哥白尼接受的教育让他成为一位忠诚的古希腊主义者。他痴迷于古希腊的辉煌文明，相信古希腊学者建立起来的世界秩序和宇宙规则，相信天界完美，圆周运动是最简单和最美的运行方式，整个宇宙和谐而永恒。

古希腊人想象的天球完美地旋转，让天上的众星各安其位，容易被预测和测量，只有那么几颗特立独行的行星破坏了整体规则。如果我们把东升西落的群星看作整体的大背景，那么，总有几颗行星会在背景上游移不定。它们有时候和恒星的运动方向一致，有时候却突然停下来，然后逆行，几天或者几十天后再恢复原来的方向。水星、金星、火星、木星和土星，都会发生逆行的现象。水星最频繁，在一年之内会逆行3～4次。

面对统一的规则和个别害群之马，怎么办呢？

对古希腊人来说，选择无非有两种。要么放弃传统的信仰，承认天界也像人间一样混乱，别管什么星，乱跑才是常态，要么坚持信仰不动摇，给行星的逆行找到新的解释，给整个体系打补丁。几乎所有人都在努力打补丁。为了解释行星逆行而打补丁的这项工作，被后世的历史学家称为“拯救现象”。这一时期，天文学家最重要的课题之一就是拯救现象。

托勒密在总结前人工作的基础上，提出了一整套详尽的思路。

首先，火星不是直接围绕地球转的。火星在一个小圆圈上匀速转动，这个小圆圈叫火星的本轮，本轮的中心在一个大圆上绕地球匀速转动，这个大圆圈叫火星的均轮。也就是说，原本简单的火星的圆周运动，现在变成了两个圆周运动的组合。所以从地球上看，火星走过的轨迹是一条缠绕着的麻花线，这就解释了火星的折返现象。送来样书的马车缓缓驶过弗龙堡大教堂门前的时候，马匹和整个车厢一致向前。但就在车轮接触地面的一刹那，车轮与地面接触的那一点正在朝后运动。运动的组合可以实现逆行的效果。

两个圆周运动的组合，计算起来已经足够复杂了，但这还不算，更复杂的还在后面。

如果用两个圆周运动的组合依然难以符合火星的实际运动数据，可以继续增加更多的圆周运动。也就是说，火星在自己的小本轮上转，小本轮的中心在一个中号本轮上转，中号本轮的中心在一个大号本轮上转，大号本轮的中心再沿着均轮围绕地球转。本轮和均轮的组合可以无限增加，一直嵌套下去，直到可以模拟出火星的观测数据。

我们今天在数学上可以理解，其实任何一种运动轨迹，都可以被分解成大量圆周运动的组合。只是解决火星折返的问题，圆周运动组合的方式绝对可以胜任。从理论上说，只要有足够多的圆周运动参与进来，让火星画出一只米老鼠也完全可以做到。因此，随着后代天文学家的观测越来越精细，火星的数据可能一直在更新，托勒密的模型也可以跟着一起升级，每次升级都靠增加和调整新的本轮。

还没完。

托勒密还做出了一个大胆的设定。地球不严格位于宇宙中心，而是和宇宙中心拉开了一小段距离。托勒密假想了一个根本不存在的天体，位于和地球对称的宇宙中心的另一侧，也就是地球的“对点”。所有行星都相对于对点做匀速运动，所以从地球上看，行星的运动速度并不均匀。

你看，托勒密的这一系列操作，完全是有目的性的功能主义和实用主义工程。他为了解决行星逆行的问题，把原本简单的圆周运动变成了如此复杂的大大小小的圆周嵌套和对点系统。这一套系统可以完美解释观测数据，但它太复杂了，计算起来极其困难。

托勒密系统的优点是，它自带升级接口。只要观测数据更新了，托勒密系统就可以根据最新的观测数据增加本轮的数量，重新贴合观测数据。这样一个系统，看起来似乎是永远不败的。它可以永远有效，永远升级，永远符合观测数据。

有效的方案活得久。从公元140年前后完成《天文学大成》，到公元15世纪末，托勒密的地心说成为天文学的主流思想，统治了欧洲上千年。

在这期间，曾有几位学者提出过不同的思想，但只有哥白尼的思想产生了重大影响。

哥白尼在舅舅的帮助下，先后在波兰和意大利的多所大学求学。作为古希腊文明的信徒，哥白尼面对一代一代传承下来的托勒密的均轮和本轮系统，感到很不舒服。这套系统太复杂了！这么多的圆嵌套在一起，早已背离了古希腊对简洁美的追求。宇宙会为我们呈现如此复杂和丑陋的规律吗？

托勒密的体系是一个完美而复杂的补丁，但哥白尼不满足于继承一个补丁，而是想创造出全新的宇宙体系，更简洁地解决拯救现象这一课题。

哥白尼的思想不难理解。火星看起来偶尔逆行，但有没有可能我们观测到的逆行只是视觉上的效果，真实的运动躲藏在表面之下？马车继续在大教堂外缓步前进，马车夫看到整个教堂和集市上的每一个人都在逆行，这只是因为……

哥白尼创造了完全不同于托勒密的体系。他让太阳和地球交换了位置，让太阳位于宇宙中心，固定不动，让地球像马车一样运动起来。我们坐在这辆虚空中的大球形马车上观测火星的顺行和逆行，这都是因为我们的地球自己也在动。

地球在动，或者说地球所在的这一层天球在围绕着太阳动。火星也在动，在更外层的天球上动。跑内圈的地球很容易超过跑外圈的火星。在地球看来，自己逐渐接近火星，然后再把火星甩到后面。火星顺行和逆行便交替出现，周而复始。利用五颗行星逆行出现的频繁程度，哥白尼计算出它们各自天球层的远近关系，画出一幅清晰而简单的宇宙规划图：在以太阳为中心的六个同心圆中，地球位列第三。

如果故事到此为止，哥白尼可以轻松地宣布自己的胜利。他让地球动了起来，解决了行星逆行的问题，简单的同心圆运动取代了繁复的托勒密均轮本轮模型。但是，同心圆图景远非故事的终点。提出一套模型，只是科学工作的起点。

53岁的哥白尼完成了大部分科学工作，但决定暂不发表。他的理由有两个。当时有人听到哥白尼新理论的传言，褒贬不一。有人表示感兴趣，比如当时的教皇利奥十世和几位枢机主教。也有人以《圣经》为依据表达了鲜明的反对，比如宗教改革家路德。读者舆论上的挫败还只是次要原因。更重要的原因是，哥白尼的工作还没有完成，他的作品只是一部半成品。

科学，从来都不是你说怎么样就要怎么样。科学需要证据。哥白尼所倡导的如此具有颠覆性的科学，需要的就是更加确凿的证据。天文学不能对群星做实验，只能被动观测。所以，天文学家眼中的证据就是观测数据。哥白尼利用当时恒星和行星的位置测量数据检验自己的理论。把太阳放在宇宙中心静止不动，让地球围绕太阳旋转，这样的宇宙模型能否符合实际观测到的群星运转情况呢？

答案是：不能。

我们今天的常识让我们觉得哥白尼的日心说更伟大、更正确，它一定比托勒密的地心说更符合真相。但仔细思考一下就会理解，事情没有这么简单。

首先，哥白尼采用的是标准的圆周运动轨迹。地球和其他行星都围绕太阳做完美的圆周运动。而托勒密体系的产生就是为了符合实际观测数据。经过岁月的累积，一层又一层的均轮和本轮增加嵌套，地球可以不位于宇宙中心，地球到宇宙中心的一小段距离也可以调节。也就是说，哥白尼的模型是没有调节余地的限制较多的模型，而托勒密的模型处处可以调节，参数众多，灵活多变。所以，托勒密的地心说模型可以与观测数据更完美地符合。

哥白尼经过几十年的工作，当然早就发现了这一点。太阳和地球交换位置，地球动了起来，可以解释行星逆行了。这个模型简单极了，却无法符合具体的实际观测数据。怎么办呢？

套圈。

哥白尼给行星的运动增加均轮进行嵌套。火星不是直接围绕太阳转，而是在一个小圆上转，小圆的圆心在一个中等大小的圆上，中圆的圆心围绕太阳转……对，这与托勒密的做法完全相同。

经过计算，在哥白尼最终完成的作品里，为了符合观测数据，整个日心说模型需要套上多少个圈呢？

哥白尼在自己最初的计算版本中需要34个圈，在最终的著作中用到了48个圈。

作为比较，托勒密的地心说模型里用到多少个圈的嵌套呢？历史上的学者对这个问题有不同的答案，不同版本的百科全书上也有不同的数字。数量最多的一种是240个圈，出自美国当代天文学家劳埃德·莫茨的《天文学的本质》（Essentials of Astronomy）一书。[2]天文史专家和哥白尼研究专家欧文·金格里奇在《无人读过的书》中证明，哥白尼用到的圈数可能多于托勒密，至少和托勒密用到的圈数差不太多。美国维拉诺瓦大学的爱德华·菲茨帕特里克教授证明，托勒密的体系不需要用到太多的均轮和本轮，就可以很好地符合观测数据。这也很容易理解。真实的太阳系行星轨道根本就不是圆形，而是椭圆形。非要用圆形来计算的模型不可能符合观测数据，更加灵活的托勒密体系反而容易符合。[3]

也就是说，根据今天天文史的倾向，哥白尼没有完成预定的任务，他的日心说一点也不好用，甚至比地心说更复杂，要用到更多的圆周嵌套。

真正帮助日心说解决了这个问题的天文学家，是哥白尼之后的开普勒。他放弃了哥白尼一直坚持的圆周运动，把行星围绕太阳运动的轨迹改为椭圆形，最终可以完美地符合观测数据。但在哥白尼心目中，圆周运动不能废弃，可新的模型比自己之前反对的模型更加复杂，这如何是好呢？

哥白尼迟迟不愿意公布自己的全部书稿。了解到哥白尼部分工作的天文学家雷蒂库斯专门跑到哥白尼的住处，长时间和他生活在一起，写了一本名为《初论》的小册子，介绍了哥白尼日心说的核心概要，帮哥白尼宣传了日心说。在和哥白尼的长期交往中，雷蒂库斯取得了哥白尼的信任，成了他终生唯一的门徒。直到去世前两年，哥白尼才终于同意雷蒂库斯出版自己的著作。

雷蒂库斯把哥白尼的手稿交到纽伦堡著名出版商佩特里乌斯手中，佩特里乌斯承担全部费用和风险。印刷商给全书添加了书名，叫《论天球运行的六卷本集》，也就是今天我们所说的《天球运行论》。雷蒂库斯此时正好接到新的任命，赶往莱比锡大学任教。临走前，他委托纽伦堡当地的牧师朋友奥西安德尔监督哥白尼书稿的印刷发行工作。奥西安德尔成了哥白尼作品的责任编辑。这本书中用到大量的公式和图表，需要认真校对。奥西安德尔的工作干得不错，只是利用职务之便在书的最前面以哥白尼的名义插入了一段声明。声明大意是说，请读者不要相信宇宙真的如此，这本书只是数学上的假设。奥西安德尔的胆大妄为是否另有动机？多年之后，人们如何发现这段声明并非哥白尼本人的意愿？这就是另外的故事了。

70岁的哥白尼看到《天球运行论》的样书后，离开了这个世界。没有了作者的庇护，《天球运行论》一书独自在世界上传播，经受读者的检验、批判、信奉、查禁或宣传。

哥白尼失败了，但这是天文史上最伟大的失败。

今天，无论在天文学领域，还是在大众传播领域，哥白尼都是一个家喻户晓的名字。全世界可能有上千万所中小学校的教室里挂着哥白尼的肖像画，每一座天文馆和科技馆里都会用大字标题凸显哥白尼的贡献，出版社会把引导孩子热爱科学的丛书叫“哥白尼系列”，科技馆会把少儿科技节叫“小小哥白尼”……哥白尼早已不是哥白尼本身，而是科学革命的同义词。

哥白尼的伟大显而易见。但是，无论是某个专业领域的学者，还是普通大众，面对历史的起承转合，都会经常不由自主地产生一种心理偏见。我们回看某个历史变迁的时间转折点时，会过分地贬低变迁发生之前的时代，同时又会过分地抬高变迁发生之后的时代。比如，面对哥白尼开启的一场天文学的变革，我们会过分贬低哥白尼之前的地心说模型，也会过分赞扬哥白尼的日心说模型。几百年来，从地心说到日心说的这场变革，早已不是当年的变革本身，而是糅进了后人的太多偏见。

哥白尼在简洁化的任务上失败了，但整个时代在巨大的张力中前进。让我们重新回望一下那个充满张力的时代吧。

在哥白尼所处的文艺复兴时期，一边是贵族打仗前都要征询占卜师的意见；人们普遍相信被国王触摸身体可以避免恶病上身；世界把一切罪恶都怪罪到不检点的女性身上，在奥地利一个小镇，仅两年时间就有80人因行巫术的罪名而被处死；基督教的神父每年夏天都忙着在田间地头给庄稼驱邪。

而另一边……

培根呼唤理性，大喊知识就是力量；莎士比亚在戏谑的荒唐剧中暗藏人性的玄机；新成立的耶稣会修道院选派最优秀的青年去远东地区传教，将科学和数学带往东方；塞万提斯在山间游吟，反思骑士的精神；蒙田将礼仪和德行结合起来，为人类做出心灵自由的示范；还有哥白尼，他彻夜工作，用精巧的数学论证宇宙的秩序，绘制出太阳在宇宙中心的新版天图。

你看，这是人类最低沉、最迷信、最慌张的时代，也是理性开始的时代。这是哥白尼失败的时代，也是新的宇宙图景开始建立的时代。