400多年前，那些反對“哥白尼學(xué)說(shuō)”的人，也有一些基于科學(xué)的、相當合理的有利論據。雖然事實(shí)最終證明他們錯了，但這并沒(méi)有使他們成為糟糕的科學(xué)家。無(wú)論是過(guò)去還是現在，對他人的研究提出嚴謹的反駁意見(jiàn)，一直是科學(xué)研究中的挑戰和樂(lè )趣。本文來(lái)自微信公眾號：環(huán)球科學(xué)（ID：huanqiukexue），作者：丹尼斯·丹尼爾森（Dennis Danielson）、克里斯多夫·M·葛蘭尼（Christopher M. Graney） ，翻譯：張卜天

2011年，日內瓦附近的歐洲核子研究中心（CERN）的一個(gè)研究小組，向730千米外的意大利格蘭·薩索國家實(shí)驗室（Gran Sasso National Laboratory）發(fā)射了一束中微子。研究人員在測定中微子飛行時(shí)間時(shí)發(fā)現，不知為何中微子的速度似乎超過(guò)了真空中的光速。科學(xué)界對這一驚人結果有何反應呢？

幾乎所有人都沒(méi)有放棄確立已久的愛(ài)因斯坦學(xué)說(shuō)（即任何物體的速度都不可能超過(guò)光速），他們認為一定是研究人員的測量結果出了問(wèn)題（事實(shí)證明的確如此）。

現在，想象我們處于400年以后的未來(lái)，那時(shí)愛(ài)因斯坦的觀(guān)念已經(jīng)被取代；科學(xué)家早已用實(shí)驗證實(shí)，中微子的確能夠超光速運動(dòng)。如果我們在那時(shí)回顧今天的物理學(xué)家，會(huì )如何解釋他們不愿接受這一證據的行為呢？我們會(huì )因此斷言21世紀的物理學(xué)家頑固不化、不愿接受新思想嗎？或者說(shuō)他們這樣做是出于非科學(xué)動(dòng)機——一群保守的愛(ài)因斯坦主義者恪守著(zhù)傳統和權威的規定？

我們希望今天這些“頑固”的科學(xué)家能夠得到更公正的評價(jià)，他們不愿放棄合理的結論（即使這些結論最終可能被證明是錯誤的）是有科學(xué)根據的，而不僅僅是出于一種頑固的偏見(jiàn)。

這類(lèi)故事在科學(xué)史上并不少見(jiàn)。19世紀的天文學(xué)家認為，銀河系構成了整個(gè)宇宙，他們分析了仙女座星系的首批圖像，確信自己看到的是一顆恒星，其周?chē)且粋€(gè)初生的太陽(yáng)系，而我們現在知道，仙女座星系其實(shí)是一個(gè)包含上萬(wàn)億顆恒星的遙遠星系。同樣，愛(ài)因斯坦曾確信宇宙是靜態(tài)的，因此在他的方程中引入一個(gè)宇宙學(xué)常數以使宇宙保持靜止。這兩種看法都是合理的，但都是錯誤的。正如在《環(huán)球科學(xué)》雜志上，麻省理工學(xué)院的戴維·凱澤（David Kaiser）和普林斯頓大學(xué)的安吉拉·N·H·克里杰（Angela N. H. Creager）在《錯誤推動(dòng)科學(xué)革命 》一文中所說(shuō)，本身是錯誤的、但同時(shí)能夠有效推動(dòng)科學(xué)進(jìn)步的假說(shuō)，是可能存在的。任何事在事后來(lái)看總是更清楚。

當然，對于超光速中微子案例，我們幾乎沒(méi)有什么后見(jiàn)之明。但我們的確知道一個(gè)著(zhù)名的、已知結局的故事，即哥白尼和他的“日心說(shuō)”理論。哥白尼認為，地球每天自轉一周，每年繞太陽(yáng)公轉一周，今天所有人都接受這一理論。哥白尼體系直接挑戰了人們長(cháng)期持有的信念，即太陽(yáng)、月亮和恒星圍繞靜止于宇宙中心的地球旋轉，這一信念在公元2世紀由天文學(xué)家托勒密（Ptolemy）寫(xiě)入其著(zhù)作《天文學(xué)大成》（Almagest）中。

1543年，哥白尼在《天球運行論》（De Revolutionibus Orbium Coelestium）中提出了他的革命性思想，當時(shí)有許多科學(xué)家閱讀了這部著(zhù)作并欽佩不已，科學(xué)家為之作注，并用它改進(jìn)自己的天文學(xué)預測。然而，即使到了57年后的1600年，放棄地球靜止這一信念的、真正意義上的天文學(xué)家也非常少，兩只手就能數完。大多數科學(xué)家仍然傾向于似乎已是常識的“地心說(shuō)”。我們在談?wù)撊粘鋈章鋾r(shí)，似乎也在贊同這一學(xué)說(shuō)。

“日心說(shuō)”宇宙論遭遇的僵局，有時(shí)會(huì )被認為是科學(xué)家固守偏見(jiàn)。這一僵局最終被伽利略打破。1609年，伽利略組裝了一架望遠鏡，開(kāi)始觀(guān)測恒星、月亮和行星。在1609年之后的很長(cháng)時(shí)間里，天文學(xué)家仍然有令人信服的科學(xué)理由來(lái)懷疑哥白尼。他們的故事生動(dòng)地表明，研究者可以有很好的理由來(lái)抵制革命性觀(guān)念，甚至是那些最終被證明非常正確的觀(guān)念。

第谷的新宇宙論

丹麥天文學(xué)家第谷·布拉赫（Tycho Brahe）提出了一種能巧妙化解各種疑惑的新思路。他于1588年提出了一種不同的地心理論，即“地緣日心說(shuō)”（geoheliocentric），這個(gè)理論有兩大優(yōu)點(diǎn)：它符合我們對世界如何運作的深刻直覺(jué)，與已有數據的吻合程度也比哥白尼體系更好。

恒星的大?。悍磳Ω绨啄嵊钪婺Ｐ偷囊庖?jiàn)中，最具毀滅性的論據是恒星的尺寸問(wèn)題。我們觀(guān)看天上的某顆恒星時(shí)，它似乎有很小的、固定的寬度。只要知道這個(gè)寬度及恒星的距離，借助簡(jiǎn)單的幾何學(xué)知識就能確定恒星的大小。在地心宇宙模型中，恒星位于行星之外，這意味著(zhù)恒星可以與太陽(yáng)大小相比。但哥白尼的地心說(shuō)則要求恒星極其遙遠，這意味著(zhù)恒星會(huì )大得難以置信——是太陽(yáng)尺寸的數百倍。哥白尼只能用“諸神的干預”來(lái)解釋這一異常數據。事實(shí)上，恒星的確非常遙遠，但它們的視覺(jué)寬度是一種錯覺(jué)，緣于光進(jìn)入瞳孔或望遠鏡時(shí)所產(chǎn)生的結果——科學(xué)家還需要到200年后才能理解這一現象。

第谷是一位杰出人物。他建造了一座城堡式的天文臺，開(kāi)展了龐大的研究計劃，其預算堪比美國航空航天局的經(jīng)費預算，配備了最好的儀器和最優(yōu)秀的助手。正是由于最終采用了第谷的火星數據，約翰內斯·開(kāi)普勒（Johannes Kepler，第谷的助手之一）才算出了行星的運行軌道是橢圓形。在證明第谷對于天文學(xué)的重要性時(shí)，哈佛大學(xué)的歷史學(xué)家歐文·金格里奇（Owen Gingerich）常會(huì )提到阿爾伯特·庫爾修斯（Albert Curtius）于17世紀中葉編纂的資料，其中集合了自古以來(lái)所有的天文學(xué)數據。從這些資料可以發(fā)現，兩千年來(lái)有價(jià)值的數據大多數都來(lái)自第谷。

哥白尼體系的精妙打動(dòng)了這位成就極高的天文學(xué)家，但在某些方面也使第谷感到困惑。困惑之一是，無(wú)法解釋地球為什么會(huì )運動(dòng)（牛頓提出的萬(wàn)有引力理論可以給出很好的解釋?zhuān)诠壬畹哪甏嚯x牛頓物理學(xué)的誕生還有一個(gè)多世紀）。地球的尺寸已為人們所知，這樣一個(gè)直徑數千千米、布滿(mǎn)巖石和泥土的球體的重量顯然十分巨大。在街上推動(dòng)一輛負載貨車(chē)尚且困難，什么力量能夠推動(dòng)這樣一個(gè)物體繞太陽(yáng)運轉呢？

相比之下，恒星和其他行星的運動(dòng)則很容易解釋——自亞里士多德時(shí)代以來(lái)，天文學(xué)家一直認為，天體是由一種地球上找不到的、特殊的以太物質(zhì)構成的。這種物質(zhì)會(huì )自然地快速旋轉，如同你不用力拉貨車(chē)它就自然會(huì )趨向停止。第谷說(shuō)，哥白尼體系“巧妙而徹底地避免了托勒密體系中一切多余或不和諧的內容……但它為地球這個(gè)笨重、怠惰、不適合運動(dòng)的東西賦予了與以太天體一樣快的運動(dòng)速度”。在這方面，古代天文學(xué)家和現代天文學(xué)家有共同之處，后者為了解釋他們觀(guān)察到的現象，假定宇宙在很大程度上由“暗物質(zhì)”或“暗能量”所構成，這與我們已知的任何東西都不相同。

哥白尼體系中的恒星同樣令第谷感到困惑。托勒密說(shuō)，恒星天體“大得無(wú)法度量”，因為我們觀(guān)察不到恒星的周日視差（diurnal parallax）——當恒星從地平線(xiàn)升起，越過(guò)頭頂又從地平線(xiàn)落下，地球觀(guān)察者與恒星之間的角度和距離發(fā)生變化時(shí)，恒星的位置和外觀(guān)沒(méi)有出現明顯變化。由此可以推出，地球的直徑與恒星距離相比可以忽略不計。托勒密寫(xiě)道，地球“就像一個(gè)點(diǎn)”。

哥白尼知道，我們甚至連周年視差（annual parallax），即地球沿軌道公轉引起的恒星相對位置的變化也檢測不到。假設地球果真繞太陽(yáng)旋轉，卻不存在周年視差，這將意味著(zhù)，恒星間的距離非常大，與之相比，地球公轉軌道——哥白尼稱(chēng)之為“大圓”（orbis magnus） 的直徑可以忽略不計，“就像一個(gè)點(diǎn)”。于是，宇宙的尺寸將被重新定義，變成了幾乎令人無(wú)法置信的——“無(wú)法估量的廣大”。

不僅如此，第谷很清楚，哥白尼的假說(shuō)不僅對宇宙尺寸的認識有深遠影響，對單個(gè)恒星的尺寸也是如此。我們仰望夜空時(shí)，單個(gè)恒星看起來(lái)有固定的寬度，托勒密和第谷都曾測量過(guò)。我們現在知道，這些遙遠的恒星實(shí)際上是點(diǎn)光源，我們看到的寬度是光波通過(guò)圓孔（比如望遠鏡或虹膜）所產(chǎn)生的結果。

但在當時(shí)，天文學(xué)家們對光的波動(dòng)性一無(wú)所知。第谷用簡(jiǎn)單的幾何學(xué)計算出，如果恒星間的距離像哥白尼所說(shuō)的那樣遙遠，那它們的尺寸則必須有“大圓”那么大。即使是最小的恒星也會(huì )使太陽(yáng)相形見(jiàn)絀，前者之于后者就如同一個(gè)葡萄柚之于一個(gè)點(diǎn)。這同樣很難讓人相信——第谷說(shuō)，如此巨大的恒星是荒謬的。正如歷史學(xué)家阿爾伯特·范·海爾登（Albert Van Helden）所說(shuō)，第谷的“邏輯無(wú)可挑剔，其測量也無(wú)可指摘。哥白尼主義者能做的無(wú)非是不得不接受這一論證的結果”。

面對著(zhù)似乎無(wú)可辯駁的物理證據，哥白尼主義者并未放棄其理論，而是被迫訴諸神的全能?！八妆姵蹩雌饋?lái)荒謬不羈的這些觀(guān)點(diǎn)，不應被輕易地指責為荒謬，因為神的智慧和威嚴其實(shí)遠遠超出了他們所能理解的范圍，”哥白尼主義者克里斯托弗·羅特曼（Christoph Rothmann）在一封給第谷的信中寫(xiě)道，“你可以將宇宙想象為浩瀚無(wú)垠，將恒星想象得廣大無(wú)邊，但這仍然無(wú)法與無(wú)限的造物主相比。人們認為，國王地位越尊貴，其宮殿就應越加宏偉，才能配得上他的威嚴。那么，你認為神的宮殿應有多宏偉？”

第谷并不為這類(lèi)論證所動(dòng)，而是提出了自己的宇宙體系：太陽(yáng)、月亮和恒星就像托勒密體系描述的那樣圍繞靜止的地球旋轉，而行星就像哥白尼體系描述的那樣圍繞太陽(yáng)旋轉。這種“第谷體系”（Tychonic）保留了“地心說(shuō)”的優(yōu)點(diǎn)，因此不需要解釋笨重而怠惰的地球是如何運動(dòng)的，也不必因為周年視差的缺失而將恒星假設為非常遙遠、巨大——在第谷體系中，恒星就處在行星外面，尺寸也相當合理。但就行星而言，第谷體系和哥白尼體系在數學(xué)上是等價(jià)的。于是，第谷體系也保留了哥白尼體系在數學(xué)上的優(yōu)雅，第谷認為這種優(yōu)雅避免了托勒密體系中一切多余和不和諧的內容。

伽利略用望遠鏡觀(guān)看天空時(shí)，發(fā)現了大量與托勒密的古代宇宙論直接相抵觸的現象。他看到木星有衛星，證明宇宙可能有不止一個(gè)運動(dòng)中心。他還觀(guān)察到金星有位相（金星與月球一樣本身并不發(fā)光，光輝來(lái)自反射的太陽(yáng)光，因此金星也像月球一樣會(huì )出現周期性的圓缺變化），表明它圍繞太陽(yáng)運轉。然而，這些發(fā)現并沒(méi)有被當作地球繞太陽(yáng)運轉的證據，因為它們與第谷體系完全相容。

200年的論據

17世紀中葉，哥白尼、第谷、伽利略等先驅均已逝世，意大利天文學(xué)家喬萬(wàn)尼·巴蒂斯塔·里喬利（Giovanni Battista Riccioli）出版了一部著(zhù)作，對各種宇宙論進(jìn)行了百科全書(shū)式的評價(jià)，名為《新天文學(xué)大成》（Almagestum Novum，追隨托勒密那部偉大著(zhù)作）。里喬利考察了支持和反對哥白尼體系的眾多論據，以及涉及天文學(xué)、物理學(xué)和宗教的論據。但里喬利指出，有兩個(gè)主要論據構成了反對哥白尼體系的決定性證據。這兩條論據都源自第谷的觀(guān)點(diǎn)，都要到幾百年后才能得到明確的答案。

第一個(gè)論據是，里喬利認為旋轉的行星應該會(huì )使拋射物和下落的物體發(fā)生某些改變，而在現實(shí)中卻無(wú)法檢測到這些改變。第谷曾經(jīng)認為，旋轉的地球會(huì )使拋射物的軌跡偏離直線(xiàn)。然而直到19世紀，法國科學(xué)家伽斯帕－古斯塔夫·德·科里奧利（Gaspard-Gustave de Coriolis）對這種效應做出完整的數學(xué)描述，這些偏離才被觀(guān)測到。

另一條是第谷提出的關(guān)于恒星尺寸的論據，里喬利用望遠鏡觀(guān)測了恒星尺寸，并對第谷的結果做了更新（第谷從未使用過(guò)望遠鏡）。里喬利設計了一種可重復測量恒星直徑的流程，結果發(fā)現恒星看起來(lái)比第谷設想的還要小。但望遠鏡也增加了對周年視差的靈敏度，卻仍未檢測到周年視差，這意味著(zhù)恒星必定比第谷認為的還要遠。最終的效果是，恒星必定像第谷所說(shuō)的那樣巨大無(wú)比。

三種宇宙模型：17世紀的天文學(xué)家對宇宙的描述有三種模型。地心模型的特征是，地球是靜止的，太陽(yáng)、月亮、行星和恒星圍繞地球旋轉。天文學(xué)家用“本輪”（epicycle）這個(gè)詞來(lái)解釋行星的逆行，“本輪”是在主軌道的基礎上添加的較小的環(huán)行軌道。哥白尼的日心模型看起來(lái)要簡(jiǎn)單些，但它引出了新的概念問(wèn)題，比如恒星的距離必須遠得難以想象。第谷的地緣日心模型在兩者之間折中了一下：太陽(yáng)、月亮和恒星圍繞地球旋轉，行星圍繞太陽(yáng)旋轉，恒星的距離又被拉近了。

里喬利抱怨哥白尼主義者訴諸神的全能來(lái)回避這個(gè)科學(xué)問(wèn)題。作為一名耶穌會(huì )教士，里喬利幾乎不可能否認神的能力。但他仍然拒絕接受這種解釋?zhuān)f(shuō)：“即使這種錯誤陳述無(wú)可辯駁，但它無(wú)法讓更嚴謹的人滿(mǎn)意?！?/p>

由于缺乏確鑿的科學(xué)證據，哥白尼學(xué)說(shuō)中，關(guān)于宇宙和恒星尺寸的幾乎令人難以置信的說(shuō)法，無(wú)法被證明是正確的，因此，哥白尼學(xué)說(shuō)遲遲不被接受。1674年，英國皇家學(xué)會(huì )實(shí)驗館館長(cháng)羅伯特·胡克（Robert Hooke）承認：“地球是運動(dòng)還是靜止仍然是一個(gè)問(wèn)題，自從哥白尼提出這一問(wèn)題之后，現代最優(yōu)秀的天文學(xué)家和哲學(xué)家為之殫精竭慮，但迄今為止尚未有人能夠確切證明地球到底是運動(dòng)還是靜止的?！?/strong>

到胡克的時(shí)代，已經(jīng)有越來(lái)越多的科學(xué)家接受了哥白尼的學(xué)說(shuō)，盡管在一定程度上他們仍然面臨著(zhù)科學(xué)難題。直到1838年，弗里德里?！ぐ兹麪枺‵riedrich Bessel）才記錄下了令人信服的恒星的周年視差。大約在同一時(shí)間，喬治·艾里（George Airy）就恒星為何看起來(lái)比實(shí)際更大這一問(wèn)題，第一次給出了一種完整的理論解釋?zhuān)车夏稀とR希（Ferdinand Reich）則首次成功檢測到因地球自轉引起的落體偏離。當然，牛頓的理論——不適用于第谷體系——早已回答了第谷提出的“笨重、怠惰”的地球如何運動(dòng)這一問(wèn)題。

然而，回到伽利略和里喬利的時(shí)代，那些反對哥白尼學(xué)說(shuō)的人，也有一些基于科學(xué)的相當合理、清晰且有觀(guān)察依據的有利論據。雖然事實(shí)最終證明他們錯了，但這并沒(méi)有使他們成為糟糕的科學(xué)家。事實(shí)上，無(wú)論是過(guò)去還是現在，對他人的激烈爭論提出嚴謹的反駁意見(jiàn)，一直是科學(xué)研究中的挑戰和樂(lè )趣。

本文來(lái)自微信公眾號：環(huán)球科學(xué)（ID：huanqiukexue），作者：丹尼斯·丹尼爾森（Dennis Danielson）、克里斯多夫·M·葛蘭尼（Christopher M. Graney） ，翻譯：張卜天