宇宙体系的颠覆
哥白尼、第谷和开普勒
“太阳荣居中央。”
——哥白尼（Nicolaus Copermcus，1473—1543）
对于一个学者来说，15、16世纪之交是激动人心的年代。探险家和冒险家正在涉足已知和未知世界，并带回各种传奇般的故事。艺术家、作家和哲学家活跃异常。这是一个巨人辈出的时代，他们中有达·芬奇（Leonardo da vinci，1452—1519）和米开朗其罗（Michelangelo，1475—1564）。学者们在街上和客店里议论着古典时代的辉煌，他们刚刚摆脱中世纪僵化的哲学，开始以激动的眼光迎接未来。
新世界就在地平线上，新的知识领域就在前方召唤。世界仿佛刚从沉睡中醒来，晨曦初露，正如某些科学哲学家所说，范式似乎正在转换。也就是说，人们所掌握的相关事实和理论体系，以前看来是如此的合理可靠，现在却显得像沙丘一样不稳定。
这就是哥白尼于1491年面对的一片忙乱的世界，其时正值他开始在波兰克拉科大学求学。就在哥伦布起航的前一年，哥白尼也开始自已的航程，驰向的是有待发现的新的知识领域，他全身心投入这样的航程，如同一位船长全身心勘探未知海域那样着迷。
哥白尼和一场革命的诞生
哥白尼（他的父母给他取名为Niklas Koppernigk）于1473年2月19日出生于托伦城，现在是波兰中北部的一个商业中心，他的父亲是来自克拉科的一位商人，专做铜的批发生意［他们家庭的姓也许就是取自铜（copper）］，他的母亲华森罗德（Barbara Waczenrode）来自当地有名望的德国家族。哥白尼是四个孩子中最小的一个，在他10岁的时候，父母双亡，哥白尼36岁的舅舅华森罗德（Lucas Waczenrode）成为这些孤儿的监护人。对于年幼的哥白尼来说，父母早逝确是一场沉重的悲剧。由于舅舅成为监护人，导致他的命运发生巨大转机。很难预料，如果他的双亲健在，哥白尼的生活会作怎样的选择。按当时的习俗，他也许会继承父业而进入商贸行业。但是在舅舅的监护下，他却面临完全不同的机会之门。
华森罗德是一位曾分别在克拉科、莱比锡和布拉格求过学的学者，以优等成绩从博洛尼亚大学获取了宗教法规专业的博士学位，1489年，就在他姐夫去世几年后，他得到一项任命，是到波罗的海一个小公国，叫爱姆兰（Ermland）的地方去当主教。华森罗德懂得学习的重要性，并有足够的经费和社会声望来支持姐姐的孩子们，他鼓励哥白尼和他的哥哥安德勒斯（Andreas）进入克拉科大学。在哥白尼22岁时，舅舅为他谋得了在弗劳恩堡（Frauenburg）大教堂当教士的终生职业。这个职位薪水丰厚。尽管他有义务去就职，不过该职位并不要求他连续在职，于是在超过12年的时间里，他多次离职，进行自己的学术研究。就在那段日子里，他把自己的姓名Niklas Koppernigk拉丁化为Nicolaus Copernicus，这是当时学者们常有的作法，借以表达他们对古典时代以及志同道合的同事间友情的敬意。
哥白尼是一个具有充沛创造力的年轻人，在文艺复兴的鼎盛时期，他完全有机会融入其中。他迅速适应了大学生活，贪婪地购买书籍（这是印刷术发明以来才具有的一种崭新机会），参加数学和天文学的讲座。他涉足来自意大利的人文主义思想，从中吸取力量以便与克拉科流行的更为僵化的经院哲学教义相抗衡。由于受到意大利那种生机勃勃的学术气氛的感召，哥白尼于1496年来到意大利的博洛尼亚大学，然后又到帕多瓦和费拉拉求学。在意大利，他更深地融入了人文主义者的世界，在这个世界里，学者们从一个大学转到另一个大学，针对哲学、艺术和生活写下精彩的长信。这些信件往往像小册子一样在学者之间争相阅读，年轻的哥白尼就是其中一位，他在智力领域里流连忘返，在活跃的人文主义氛围中贪婪地吸取知识。他学习教会法规，从事他最初的爱好——天文学和数学以及希腊文、医学、哲学和罗马法律。在博洛尼亚，他有机会和诺瓦腊（DomenicoMaria da Novara，1454—1504）一起研究，诺瓦腊是当时最伟大的天文学家之一。这段时光为他以后能在科学革命中扮演伟大的角色奠定了基础。
尽管哥白尼学习教会法规和医学，不过当初他在克拉科大学最初爱上的却是天文学。他阅读了该领域所能找到的全部书籍，利用每一个机会去学习当时所用到的观测方法。在博洛尼亚，在导师诺瓦腊的指导下，他首次进行天文学观测记录。
作为一位有眼光的读者和思想家，当哥白尼意识到托勒密体系（地心说）中存在诸多不相协调之处时，他迅速占据了天文学研究的制高点。当时已有一些天文学家指出，托勒密体系中有太多的预言与实际观测不相符。误差常常达到数小时甚至数天。许多人开始怀疑，是不是这一复杂而笨拙的天球与本轮体系在什么地方出了错。
再有，当时正在南欧复兴的柏拉图主义强调数学、简单性和完美性，诺瓦腊就是这一运动的弄潮儿。一个崇尚柏拉图的简单性和数学美的学者在托勒密那笨拙而复杂的体系中绝不可能找到和谐或优美。哥白尼显然很早就在开始考虑另一个更简单的宇宙结构：日心体系，太阳处于地球和行星的中心。
当然，他并不是第一个有此想法的人。有好几位古希腊人都提出过类似思想，其中包括毕达哥拉斯和阿里斯塔克斯。但是，托勒密复杂的地心体系事实上已经被采纳和灌输了几乎1 400年。托勒密体系也与基督教神学吻合得很好，在后者看来，人类就是创造过程的中心，是按照上帝形象而得到的产物。地球作为人类的家园，当之无愧享有这样的优越地位。当我们仰望夜空并且注视天体在头顶的运行路径时，直觉似乎在提示我们，没错，就是这么回事。
1503年，哥白尼完成了他的教会法规博士论文，回到弗劳恩堡，继续履行那里的行政职务。但是刚刚安顿好，舅舅在海尔斯堡生病，召他前往当其私人医生。三年后哥白尼重新定居于海尔斯堡，从1506年至1512年与他的舅舅生活在一起，直到这位主教去世。也许就在这段时间里，他完成了关于日心说的最初草稿。
1514年，在返回弗劳恩堡之后，他写下了新体系的粗略大纲，并把这份大纲谨慎地拿给朋友们传阅。他把这项工作结集成书，即《要释》（Commentarious），后来更为详尽的工作就是在此基础上展开，那就是《天体运行论》（亦译为《天球运行论》）（De revolutionibus orbium coelesti—um），他余生的大部分时间都在做这一工作。
哥白尼的房间在弗劳恩堡大教堂的塔楼里，从这里，可以看到波罗的海上空。他在房顶安装了一个小型观测台，配以少数几件当时的标准天文学仪器（那时望远镜还没有发明），偶尔会爬到塔上去进行观测。
尽管哥白尼被认为是当时一位重要的天文学家，不过他主要还是依赖别人的观察事实，其中包括托勒密的观测结果。他把时间更多的用于精确计算，钻研书本。他仔细地比较了托勒密《天文学大成》几个不同的版本，找出誊抄或翻译中可能出现的错误，并在许多个夜晚冥思苦想。就像他所羡慕的希腊人一样，比起观测来，他更信任的是推理的力量。
他从托勒密那里继承来的问题就是如何解释行星的奇怪行为。太阳、月亮和众恒星看来是每24小时在头顶循环一圈，似乎很容易预测，行星则不然。有时，正如希腊人观察到的那样，这些“漫游者”似乎在返回做逆行运动。托勒密对这个问题的解释是：每个行星都在围绕一个看不见的中心运转（小圆），这个中心又围绕地球运转（大圆）。想象一下，你正沿着一个大圆跑步，不时又改变轨道绕着一个小圆跑上几步，随后再回到大圆。这一基本概念，托勒密称之为本轮，可以大体上调和观测结果与亚里士多德早期理论之间的不相协调。亚里士多德认为，所有天体都在同心球壳里围绕地球旋转，球壳一个套着一个。但是，更多更细致的观测表明，托勒密体系似乎越来越经不起观测事实的检验。有些天文学家不得不为已经够复杂的托勒密体系添上更多的球壳和本轮。也许是渴望找到一个更为简单、在数学上更为优美的解释体系，哥白尼在后来写道，“这样一种体系似乎既不足够纯粹，又不能在心智上带给人足够的愉悦”。
伟大的中世纪学者，奥卡姆的威廉，尽管不是柏拉图主义者，不过针对复杂理论，他曾发出这样的警告：“若无必要，勿增实体。”今天许多科学家赞同这一思想，称之为“奥卡姆剃刀”，这就是说，当两个理论同时符合观测事实时，最少假设的理论也许最接近真理。当时，科学家相信自然定律是简单的（即使自然本身可能是复杂的），他们倾向于选择简洁而不是复杂凌乱的理论。
哥白尼面临的就是一个凌乱的理论，他需要的是更简洁的理论。
哥白尼问道，如果重新拟订托勒密的方案，使众行星围绕太阳而不是地球旋转，这样对所有的观测和计算会带来什么影响呢？他决定试试。这一决定要求以完全不同和革命性的方式来看待宇宙。
正如后来他在《天体运行论》中所写：“我开始考虑地球的运动……尽管这一想法似乎很荒谬。”不过他认为，作为一个理性的人，他应该有这样的自由，就像希腊人那样，尝试以各种可能的解释来解决这个问题，包括地球在动，而不是太阳在动的思想。尽管有少数希腊哲学家有过同样的思想，但他们并没有详细展开或者试图与实际观测或计算进行对照。正是哥白尼不仅首次考虑这一思想，而且试图计算，如果行星体系取围绕太阳而不是地球的圆形轨道，结果会是怎样。这是一项漫长而困难的工作。但是他终于相信，这一新体系是正确的。行星轨道的中心是太阳而不是地球。
那么，为什么它们看起来像是围绕地球在旋转呢？他说，地球绕自己的轴每24小时旋转一圈，这就造成了天空似乎在头顶转动的景象。他相信，比起固定的恒星天与地球的距离，太阳距地球的距离几乎可以忽略不计（他认为，恒星天位于空间的外沿，正好在最远那颗看得见的行星之外）。太阳的周年视运动是由于地球绕太阳旋转的结果（而不是相反）。他说，只有月亮是围绕地球旋转。火星、木星和土星（当时已知的三颗地外行星）那奇特而神秘的逆行运动是由于这样的事实，它们也像地球一样环绕太阳运动，不过离得更远一些。以更小的轨道环绕太阳运行的地球，有时会超过这些轨道更大的地外行星，于是它们看起来就像是在天空中做退行运动。
在哥白尼看来，只要你敢于打破这一概念——地球必须是宇宙的中心，于是，一切都是那么的显而易见，美丽又精致。但是，传统概念已在上百年的时间里至高无上，它不仅在宗教和世俗思想里根深蒂固，而且在每个人的“常识”里牢不可破：抬头望天，就会看到太阳在“运动”，而地球在我们的足下显然静止不动。正如他后来所写，他害怕：“有些人……会马上对我怒吼，把我和我的意见轰下讲台”，他还进一步解释说：
“我犹豫了很长时间，究竟要不要发表我为说明地球运动所写的文章，或者宁可仿效毕达哥拉斯学派的先例，把哲学奥秘只口授给亲戚朋友……由于新奇和我的理论的推理明显违反常理，我可以预料会遭到嘲笑，我几乎被迫把整个已完成的工作放在一边。”
1539年，一位年轻的德国路德派的数学教授来到弗劳恩堡，求访著名的天文学家。他的拉丁化名字叫雷梯库斯［Rheticus，1514—1574，出生时名为乔治·约阿希姆·冯·拉赫（Georg Joaehim von Lauchen）］，他早就非常佩服哥白尼，很有兴趣听到有关日心说的正式表达，因为这一思想早在《要释》完成之前，已在私下流传多年。尽管哥白尼不怎么愿意，但这位年轻人最后还是说服他公开出版。因此，哥白尼体系的最初著作是一份提纲，由雷梯库斯在1540年撰写。许多人认为，哥白尼曾在“九年内几乎四次”克扣隐瞒自己的思想，正如他自己所说，因为他害怕天主教会的惩罚。不过他预料到，即便雷梯库斯的冒险举动会招来官方的大声抗议，但他本人必定会得到赦免，因为教皇和红衣主教都鼓励他出版完整的手稿。（后来的人就没有那么幸运，因为哥白尼正好生活在天主教会相对宽容的末期，此时教会似乎很少意识到在科学和基督教义之间会有冲突。）
雷梯库斯是一位大胆、热心和勤奋的人，他负责监督出版工作。但是印刷的最后阶段是由纽伦堡的一位路德教会的神学家奥西安德尔（Andreas Osiander，1498—1552）负责，出于不明原因，在没有征得哥白尼同意的情况下，他擅自加上一篇没有署名的序。此举也许是希望讨好路德教会的创始人路德（Martin Luther，1483—1546）。路德已经公开宣布反对哥白尼，宣称“这个白痴要颠倒整个天文学，但是圣经告诉我们，约书亚（Joshua）命令站住不动的是太阳，而不是地球”。奥西安德尔的序言指出，哥白尼体系纯粹是一种假设，一种假想的方法，是为了帮助天文学家预言行星的位置，并不是想用它来表示实在的宇宙。尽管迟迟才付诸出版，但谨慎的哥白尼也许决不会同意这种避开真理的做法。但是据说，第～批样本从出版商那里运到的当天，正值哥白尼去世，我们也许永远不会确切知道，他是否看到了这篇有争议的序。
第谷：恒星的观测者
1543年，哥白尼体系以其简单性、规律性和协调性受到欢迎，它作出了更好的天文学预言，至少在当时。但是实际上在当时那也就是它的全部了。除了在这些方面稍稍见长，托勒密地心说或哥白尼的日心说同样有效。两种理论都能解释为什么行星有时看上去逆行，正如希腊人爱说的，都足以“拯救现象”。没有证据也没有观测事实能够支持其中的一方更有说服力，它们都只不过是假说而已。
哥白尼体系使人产生满足感，但是仅仅凭借这种满足感还不能判断它就是真的。在科学上，优美性和合理性不同于实验证据。证据只能来自观测或实验证明了的东西；然后还要观测、再观测，如此重复，最后，看结果如何。在16世纪，如果你希望找到有关宇宙运作的真相，你就必须抬头望天，看月亮，看行星，看众恒星——必须长期而仔细地观看。