哥白尼革命

「哥白尼革命」一詞是由伊曼努爾·康德在其1781年的著作《純粹理性批判》中提出的。它指的是天文學領域的一大變革，指的是人們從原先以靜止的地球為宇宙中心的認知（托勒密天體模型，即地心說）轉變到以太陽為太陽系中心的日心說的認知。這場革命分為兩個階段：第一階段極為數學化，始於1543年尼古拉·哥白尼發表《天體運行論》，第二階段則始於1610年伽利略的傳單出版。對這一「革命」的貢獻一直持續到艾薩克·牛頓於1687年出版《自然哲學的數學原理》為止。

## 日心說

### 在哥白尼之前

「哥白尼革命」得名於尼古拉·哥白尼，他在1514年之前的撰寫的《短論》是文藝復興時期首次明確闡述日心說的著作。日心說的概念則要古老得多，可以追溯到公元前3世紀的古希臘學者薩摩斯的阿里斯塔克，而他則可能又借鑑了更古老的畢達哥拉斯學派的概念。然而，古代的日心說後來被托勒密在《天文學大成》中提出的地心說所取代，並被亞里斯多德學派所接受。

公元5世紀的馬爾提亞努斯·卡佩拉認為金星和水星並不是繞地球運行，而是繞太陽運行。卡佩拉的模型在中世紀前期被一些匿名的9世紀評論家討論過，哥白尼也提到他受到了卡佩拉的影響。公元420年，馬克羅比烏斯描述了一個日心模型。約翰內斯·司各特·愛留根納（815-877年）提出了一個類似第谷·布拉厄模型的模型。

歐洲學者在13世紀就已意識到托勒密天文學的諸多問題，這一爭議因阿威羅伊對托勒密的阿威羅伊學派而被激發，又在15世紀中葉重新因托勒密文本的再現及翻譯至拉丁語而被重新點燃。1957年，奧托·諾伊格鮑爾認為，15世紀拉丁學術界的辯論也受到了阿威羅伊之後對托勒密的批評，以及伊爾汗國時代（13-14世紀）基於馬拉蓋天文台的波斯天文學學派（尤其是穆艾葉德·丁·烏爾迪、奈綏爾丁和伊本·沙提爾的作品）的影響。

哥白尼所接收到的問題在格奧爾格·馮·波伊巴赫的《關於行星的新理論》中有所總結，該書編纂自波伊巴赫的學生約翰內斯·米勒在1454年的講義，但直到1472年才印刷出版。波伊巴赫試圖呈現一個數學上更加優雅的托勒密系統，但他並未涉及日心說。約翰內斯·米勒本人是費拉拉的多梅尼科·馬里亞·諾瓦拉的老師，而諾瓦拉又是哥白尼的老師。

有可能在1476年去世前，約翰內斯·米勒就已經形成了日心說的理論，因為在後來的作品中，他特別關注阿里斯塔克的日心說，並在一封信中提到了「地球的運動」。

### 尼古拉·哥白尼

哥白尼於1496年至1501年在博洛尼亞大學學習，並成為費拉拉的多梅尼科·馬里亞·諾瓦拉的助手。他研究過波伊巴赫與米勒合著的《托勒密〈大成〉綱要》（該書於1946年在威尼斯印刷出版），並於1497年3月9日觀測了月球的運動。隨後，哥白尼提出了明確的以太陽為中心的行星運動模型，並在1514年之前撰寫了短篇著作《短論》，以少量手稿在親友間流傳。他持續完善這一體系，最終於1543年出版了其更為詳盡的著作《天體運行論》，書中包含了大量圖解與表格。

哥白尼模型宣傳能夠描述宇宙的物理真實，這是托勒密模型被認為已無法再能做到的。哥白尼將地球從宇宙中心移除，令天體繞太陽運行，並引入了地球自轉的概念。儘管哥白尼的工作引發了「哥白尼革命」，但這並不意味著革命已經完成。實際上，哥白尼體系本身存在多項缺陷，必須由後來的天文學家加以修正，這一過程最終促成了我們今天對天文學的理解。

哥白尼不僅提出了關於太陽和地球關係的理論，還致力於駁斥地心說中一些較為細微的內容。在一篇關於日心說的文章中，作者歐文·京格里奇寫道，為了說服人們相信自己模型的準確性，哥白尼設計了一套機制，使對天體運動的描述能夠「回歸為圓形運動的純粹組合」。哥白尼的理論讓許多人感到不安甚至不滿。他的理論因未能完全符合天主教會的教義而受到批評，這也為後來的伽利略事件埋下了伏筆。儘管他關於宇宙並非以地球為中心的推測遭遇質疑，哥白尼仍逐漸贏得支持——一些科學家和占星家甚至認為，他的體系比地心說更有助於理解天文學的概念。

## 接受

### 第谷·布拉厄

第谷·布拉厄（1546-1601）是一位丹麥貴族，當時以天文學家的身份而聞名。對宇宙的理解的進一步發展需要比哥白尼的觀測更為精準的新數據。第谷在此方面取得了巨大的進步。他提出了地日皆心說，即太陽圍繞地球運動，而行星則圍繞太陽運動，這一系統被稱為第谷系統。儘管第谷欣賞哥白尼系統的優點，但他和其他許多人一樣，無法接受地球的運動。

1572年，第谷觀測到了仙后座的一顆新星。這顆新星在天空中閃耀了十八個月，且沒有明顯的視差，表明其位於亞里斯多德模型中的天界區域。然而，根據亞里斯多德模型，天界區域不應發生任何變化，因此第谷的這一觀測對亞里斯多德的理論造成了重大打擊。1577年，第谷又觀測到了一顆大彗星。他通過視差測量判斷，這顆彗星穿越了行星運行的區域。而根據亞里斯多德的理論，這一區域只能存在于堅固天球上的勻速圓周運動，彗星不可能進入該區域。第谷據此得出結論：根本不存在這樣的天球，這也引出了一個問題——究竟是什麼力量維持行星在軌道上的運行？

在丹麥國王的支持下，第谷在文島上建立了烏拉尼堡天文台。在接下來的20年中，第谷和他的天文團隊進行了比以往更為精準的天文觀測。這些觀測為未來的天文學突破奠定了基礎。

### 約翰內斯·克卜勒

約翰內斯·克卜勒克卜勒曾擔任第谷·布拉厄的助手，並在第谷意外去世後，接替他成為魯道夫二世的御用數學家。藉助第谷留下的大量觀測數據，克卜勒在天文學領域取得了劃時代的突破，提出了著名的克卜勒三定律。若沒有第谷的觀測資料，克卜勒便無法得出這些定律，因為正是這些數據使他得以證明：行星軌道是橢圓，而太陽並非位於軌道的正中心，而是在一個焦點上。伽利略·伽利雷在克卜勒之後登場，他自行研製了放大倍數足夠高的望遠鏡，得以觀測金星，並發現其具有類似月亮的相位變化。這一發現成為從地心說向日心說轉變的關鍵證據之一，影響深遠。艾薩克·牛頓的《自然哲學的數學原理》標誌著哥白尼革命的最終完成。他提出的行星運動定律與萬有引力定律，揭示了天體運動的成因——即物體之間存在引力作用，從而以力學方式解釋了天體之間的運行規律。

1596年，克卜勒出版了他的第一本著作《宇宙的秘密》，這是自1540年以來第二位（第一位是托馬斯·迪格斯，1576年）公開支持哥白尼宇宙體系的著作。在書中，克卜勒提出了一種模型，運用畢達哥拉斯式的數學與五種柏拉圖立體來解釋行星的數量、比例與排列順序。這本書贏得了第谷·布拉厄的認可，他因此邀請克卜勒前往布拉格擔任助手。

1600年，克卜勒開始研究火星的軌道——在當時已知的六顆行星中，火星的離心率是第二大的。這項研究成為其下一部著作《新天文學》的基礎，該書於1609年出版。在書中，克卜勒主張日心說，並提出行星沿橢圓軌道運行，取代了傳統上以本輪和均輪修正圓周軌道的地心模型。這本書首次提出他後來自名的三大行星運動定律中的前兩條。1619年，克卜勒發表了他的第三條也是最後一條定律，該定律揭示了兩顆行星之間軌道周期與軌道半長軸之間的關係，而非僅描述單顆行星的運動。

克卜勒在天文學方面的工作具有一定的開創性。與之前的學者不同，他摒棄了行星作勻速圓周運動的傳統假設，轉而提出行星沿橢圓軌道運行的理論。此外，和哥白尼一樣，克卜勒也主張日心模型具有物理現實性，而非僅是數學上的簡化手段，用以取代地心說。然而，儘管他取得了諸多突破，克卜勒仍無法解釋到底是什麼物理機制使行星能夠維持在橢圓軌道上運行。

#### 克卜勒行星運動定律

- 軌道定律：每一個行星都沿著各自的橢圓軌道環繞著太陽，而太陽則處在橢圓的一個焦點上。
- 等面積定律：在相等時間內，太陽和運動著的行星的連線所掃過的面積都是相等的。
- 和諧定律：各個行星繞太陽公轉周期的平方及其橢圓軌道的半長軸的立方成正比。比例係數對所有行星都相同。

### 伽利略·伽利雷

1610年，伽利略·伽利雷通過望遠鏡觀測到，儘管金星在地球天空中始終位於太陽附近，它卻會呈現出類似月亮的相位變化（見第一圖）。這一發現證明金星繞太陽運行，而不是繞地球運行，正如哥白尼日心模型所預測的那樣，同時也否定了當時仍占主流的地心說模型（見第二圖）。

伽利略·伽利雷伽利略·伽利雷是一位義大利科學家，有時被稱為「現代觀測天文學之父」。他對望遠鏡的改進、天文觀測及對日心說的支持，都是哥白尼革命的重要組成部分。

在漢斯·利伯希的設計基礎上，伽利略製作了自己的望遠鏡，並在次年將其改進至30倍放大倍率。藉助這件新儀器，伽利略進行了多項天文觀測，並在1610年發表在《星際信使》一書中。在書中，他描述月球表面崎嶇不平，並非完美無暇。他還指出：「明暗交界線並非如一個完美球體所呈現的那樣形成均勻的橢圓形，而是如圖所示呈現出凹凸不平、曲折不規則的線條。」這些觀測結果對亞里斯多德認為月亮是完美球體的主張構成了挑戰，也動搖了「天界完美不變」的更宏大理念。

伽利略接下來的天文發現令時人震驚。在連續幾天觀測木星時，他注意到木星附近有四顆「恆星」，它們的位置不斷變化，這種運動方式若是固定恆星則根本不可能發生。經過反覆觀測，他最終斷定這四顆天體實際上是在繞木星運行的衛星，而非恆星。這一發現具有顛覆性，因為按照亞里斯多德的宇宙觀，所有天體都應圍繞地球運行，而一個擁有衛星的行星顯然違背了這一流行信念。儘管這一發現與亞里斯多德的宇宙體系相矛盾，卻有力支持了哥白尼的宇宙體系——該體系認為地球只是眾多行星中的一員，並非宇宙的中心。

1610年，伽利略觀測到金星具有完整的相位變化，類似於我們從地球上看到的月相。這一現象可以通過哥白尼或第谷的體系加以解釋，這兩個體系認為，由於金星繞太陽運行的軌道特性，其所有相位都應可見；而托勒密的地心體系則認為金星只能呈現部分相位。正因為伽利略對金星相位的觀測，使托勒密體系受到了嚴重質疑，許多主要天文學家因此轉向不同形式的日心模型。這一發現成為地心說向日心說轉變過程中最具影響力的成果之一。

### 固定星星的天球

固定的星星在16世紀，受到哥白尼啟發的一些作家，如托馬斯·迪格斯、焦爾達諾·布魯諾和威廉·吉爾伯特，主張宇宙是無限延伸的，甚至是無窮的，其他恆星則是遙遠的太陽。這一觀點與亞里斯多德所認為的「恆星固定在天球之上」的宇宙模型形成鮮明對比。雖然哥白尼本人（以及最初的克卜勒）並不支持這種無限宇宙的設想，但在1610年，伽利略通過望遠鏡觀測到銀河那條微光帶實際上由無數白色星點組成，這些星點很可能就是遙遠的恆星。這一發現為無限宇宙的概念提供了觀測上的依據。到了17世紀中葉，這一新觀點已被廣泛接受，部分原因是勒內·笛卡爾的支持與傳播。

### 艾薩克·牛頓

艾薩克·牛頓艾薩克·牛頓是一位著名的英國物理學家和數學家，以其著作《自然哲學的數學原理》聞名於世。他因提出運動定律和萬有引力定律，成為科學革命中的核心人物之一。人們普遍認為，牛頓的這些定律標誌著哥白尼革命的終結點。

牛頓利用克卜勒的行星運動定律推導出了他的萬有引力定律。萬有引力定律是他在《原理》一書中首先提出的重要定律。該定律指出，任何兩個物體之間都會相互施加引力，這種引力的大小與兩個物體的引力質量的乘積成正比，與它們之間距離的平方成反比。除了萬有引力定律，《原理》一書還提出了牛頓的三大運動定律。這三條定律解釋了物體在受到合外力作用時的慣性、加速度，以及作用力與反作用力的關係。

## 比喻用法

### 伊曼努爾·康德

伊曼努爾·康德在其《純粹理性批判》（1787年版）中，將「哥白尼革命」與他所提出的新超驗哲學的認識論進行了類比。康德在該書第二版的前言中（此版為1781年第一版的重大修訂）提出了這一比較。他認為，正如哥白尼拋棄了天體圍繞靜止觀察者旋轉的假設，轉而設想觀察者自身在運動一樣，形上學也應當「完全依照哥白尼的基本假設」進行轉變：不再假定「知識必須符合對象」，而應設想「對象必須符合我們（先驗的）知識」。

關於康德將自己的哲學稱為「完全依照哥白尼的基本假設」所要表達的含義，學界已有諸多討論。長期以來，關於康德這一類比是否恰當，始終存在爭議，因為多數評論者認為，康德實際上顛倒了哥白尼的根本轉變。湯姆·羅克莫爾指出，康德本人其實從未用「哥白尼革命」這一說法來形容自己，儘管這一說法後來「經常」被他人用於描述他的哲學。

### 康德之後

在康德之後，「哥白尼革命」這一說法在20世紀被廣泛用於指代任何（被認為的）範式轉變，例如用於描述弗洛伊德的精神分析學派，或大陸哲學與分析語言哲學中的理論變革。

在物理宇宙學中，哥白尼原理指出，人類並非宇宙的特權觀察者。該原理由20世紀數學家和宇宙學家赫爾曼·邦迪（Hermann Bondi）以哥白尼的名字命名，它假定從地球上進行的觀測結果可以代表從宇宙中任何平均位置進行的觀測結果。

大多數現代宇宙學都基於這樣的假設：宇宙學原理在大尺度上幾乎成立，但並非完全成立。哥白尼原理代表了與觀測結果相結合來證明這一假設所必需的不可簡化的哲學假設。如果假設哥白尼原理成立，並且從地球的視角觀察到宇宙在各個方向上都呈現出各向同性或相同，那麼就可以推斷宇宙在任何地方（在任何給定時間）都是普遍均勻或相同的，並且對於任何給定點也是各向同性的。這兩個條件便足以證明宇宙論原則的合理性。

哥白尼原理從未被證明，從最廣義的角度來看也無法被證明，但它隱含在許多現代物理學理論中。宇宙學模型通常是參考比哥白尼原理略微更一般的宇宙學原理推導出來的，許多對這些模型的檢驗可以被視為對哥白尼原理的檢驗。

## 參考文獻

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## 外部連結

- Copernican Revolution
- UJ9SuchDuJc - The development of the Heliocentric model with the contributions of Nicolaus Copernicus, Giordano Bruno, Tycho Brahe, Galileo Galilei and Johannes Kepler
- Comparison between the systems of Ptolemy, Copernicus, Descartes and Tycho-Bahé, `[archives]` on the Digital Library of the Paris Observatory