400多年前，那些反對“哥白尼學(xué)說”的人，也有一些基于科學(xué)的、相當(dāng)合理的有利論據(jù)。雖然事實(shí)最終證明他們錯了，但這并沒有使他們成為糟糕的科學(xué)家。無論是過去還是現(xiàn)在，對他人的研究提出嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆瘩g意見，一直是科學(xué)研究中的挑戰(zhàn)和樂趣。本文來自微信公眾號：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(nèi)瓦附近的歐洲核子研究中心（CERN）的一個研究小組，向730千米外的意大利格蘭·薩索國家實(shí)驗(yàn)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間時發(fā)現(xiàn)，不知為何中微子的速度似乎超過了真空中的光速。科學(xué)界對這一驚人結(jié)果有何反應(yīng)呢？

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

現(xiàn)在，想象我們處于400年以后的未來，那時愛因斯坦的觀念已經(jīng)被取代；科學(xué)家早已用實(shí)驗(yàn)證實(shí)，中微子的確能夠超光速運(yùn)動。如果我們在那時回顧今天的物理學(xué)家，會如何解釋他們不愿接受這一證據(jù)的行為呢？我們會因此斷言21世紀(jì)的物理學(xué)家頑固不化、不愿接受新思想嗎？或者說他們這樣做是出于非科學(xué)動機(jī)——一群保守的愛因斯坦主義者恪守著傳統(tǒng)和權(quán)威的規(guī)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(jié)論（即使這些結(jié)論最終可能被證明是錯誤的）是有科學(xué)根據(jù)的，而不僅僅是出于一種頑固的偏見。

這類故事在科學(xué)史上并不少見。19世紀(jì)的天文學(xué)家認(rèn)為，銀河系構(gòu)成了整個宇宙，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，其周圍是一個初生的太陽系，而我們現(xiàn)在知道，仙女座星系其實(shí)是一個包含上萬億顆恒星的遙遠(yuǎn)星系。同樣，愛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宇宙學(xué)常數(shù)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《錯誤推動科學(xué)革命 》一文中所說，本身是錯誤的、但同時能夠有效推動科學(xué)進(jìn)步的假說，是可能存在的。任何事在事后來看總是更清楚。

當(dāng)然，對于超光速中微子案例，我們幾乎沒有什么后見之明。但我們的確知道一個著名的、已知結(jié)局的故事，即哥白尼和他的“日心說”理論。哥白尼認(rèn)為，地球每天自轉(zhuǎn)一周，每年繞太陽公轉(zhuǎn)一周，今天所有人都接受這一理論。哥白尼體系直接挑戰(zhàn)了人們長期持有的信念，即太陽、月亮和恒星圍繞靜止于宇宙中心的地球旋轉(zhuǎn)，這一信念在公元2世紀(jì)由天文學(xué)家托勒密（Ptolemy）寫入其著作《天文學(xué)大成》（Almagest）中。

1543年，哥白尼在《天球運(yùn)行論》（De Revolutionibus Orbium Coelestium）中提出了他的革命性思想，當(dāng)時有許多科學(xué)家閱讀了這部著作并欽佩不已，科學(xué)家為之作注，并用它改進(jìn)自己的天文學(xué)預(yù)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(shù)完。大多數(shù)科學(xué)家仍然傾向于似乎已是常識的“地心說”。我們在談?wù)撊粘鋈章鋾r，似乎也在贊同這一學(xué)說。

“日心說”宇宙論遭遇的僵局，有時會被認(rèn)為是科學(xué)家固守偏見。這一僵局最終被伽利略打破。1609年，伽利略組裝了一架望遠(yuǎn)鏡，開始觀測恒星、月亮和行星。在1609年之后的很長時間里，天文學(xué)家仍然有令人信服的科學(xué)理由來懷疑哥白尼。他們的故事生動地表明，研究者可以有很好的理由來抵制革命性觀念，甚至是那些最終被證明非常正確的觀念。

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”（geoheliocentric），這個理論有兩大優(yōu)點(diǎn)：它符合我們對世界如何運(yùn)作的深刻直覺，與已有數(shù)據(jù)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偷囊庖娭校罹邭缧缘恼摀?jù)是恒星的尺寸問題。我們觀看天上的某顆恒星時，它似乎有很小的、固定的寬度。只要知道這個寬度及恒星的距離，借助簡單的幾何學(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，這意味著恒星可以與太陽大小相比。但哥白尼的地心說則要求恒星極其遙遠(yuǎn)，這意味著恒星會大得難以置信——是太陽尺寸的數(shù)百倍。哥白尼只能用“諸神的干預(yù)”來解釋這一異常數(shù)據(jù)。事實(shí)上，恒星的確非常遙遠(yuǎn)，但它們的視覺寬度是一種錯覺，緣于光進(jìn)入瞳孔或望遠(yuǎn)鏡時所產(chǎn)生的結(jié)果——科學(xué)家還需要到200年后才能理解這一現(xiàn)象。

第谷是一位杰出人物。他建造了一座城堡式的天文臺，開展了龐大的研究計(jì)劃，其預(yù)算堪比美國航空航天局的經(jīng)費(fèi)預(yù)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(shù)據(jù)，約翰內(nèi)斯·開普勒（Johannes Kepler，第谷的助手之一）才算出了行星的運(yùn)行軌道是橢圓形。在證明第谷對于天文學(xué)的重要性時，哈佛大學(xué)的歷史學(xué)家歐文·金格里奇（Owen Gingerich）常會提到阿爾伯特·庫爾修斯（Albert Curtius）于17世紀(jì)中葉編纂的資料，其中集合了自古以來所有的天文學(xué)數(shù)據(jù)。從這些資料可以發(fā)現(xiàn)，兩千年來有價(jià)值的數(shù)據(jù)大多數(shù)都來自第谷。

哥白尼體系的精妙打動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，無法解釋地球?yàn)槭裁磿\(yùn)動（牛頓提出的萬有引力理論可以給出很好的解釋，但第谷生活的年代距離牛頓物理學(xué)的誕生還有一個多世紀(jì)）。地球的尺寸已為人們所知，這樣一個直徑數(shù)千千米、布滿巖石和泥土的球體的重量顯然十分巨大。在街上推動一輛負(fù)載貨車尚且困難，什么力量能夠推動這樣一個物體繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)呢？

相比之下，恒星和其他行星的運(yùn)動則很容易解釋——自亞里士多德時代以來，天文學(xué)家一直認(rèn)為，天體是由一種地球上找不到的、特殊的以太物質(zhì)構(gòu)成的。這種物質(zhì)會自然地快速旋轉(zhuǎn)，如同你不用力拉貨車它就自然會趨向停止。第谷說，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(nèi)容……但它為地球這個笨重、怠惰、不適合運(yùn)動的東西賦予了與以太天體一樣快的運(yùn)動速度”。在這方面，古代天文學(xué)家和現(xiàn)代天文學(xué)家有共同之處，后者為了解釋他們觀察到的現(xiàn)象，假定宇宙在很大程度上由“暗物質(zhì)”或“暗能量”所構(gòu)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，恒星天體“大得無法度量”，因?yàn)槲覀冇^察不到恒星的周日視差（diurnal parallax）——當(dāng)恒星從地平線升起，越過頭頂又從地平線落下，地球觀察者與恒星之間的角度和距離發(fā)生變化時，恒星的位置和外觀沒有出現(xiàn)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(jì)。托勒密寫道，地球“就像一個點(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(zhuǎn)引起的恒星相對位置的變化也檢測不到。假設(shè)地球果真繞太陽旋轉(zhuǎn)，卻不存在周年視差，這將意味著，恒星間的距離非常大，與之相比，地球公轉(zhuǎn)軌道——哥白尼稱之為“大圓”（orbis magnus） 的直徑可以忽略不計(jì)，“就像一個點(diǎn)”。于是，宇宙的尺寸將被重新定義，變成了幾乎令人無法置信的——“無法估量的廣大”。

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

但在當(dāng)時，天文學(xué)家們對光的波動性一無所知。第谷用簡單的幾何學(xué)計(jì)算出，如果恒星間的距離像哥白尼所說的那樣遙遠(yuǎn)，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使太陽相形見絀，前者之于后者就如同一個葡萄柚之于一個點(diǎn)。這同樣很難讓人相信——第谷說，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，第谷的“邏輯無可挑剔，其測量也無可指摘。哥白尼主義者能做的無非是不得不接受這一論證的結(jié)果”。

面對著似乎無可辯駁的物理證據(jù)，哥白尼主義者并未放棄其理論，而是被迫訴諸神的全能?！八妆姵蹩雌饋砘闹嚥涣b的這些觀點(diǎn)，不應(yīng)被輕易地指責(zé)為荒謬，因?yàn)樯竦闹腔酆屯?yán)其實(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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道，“你可以將宇宙想象為浩瀚無垠，將恒星想象得廣大無邊，但這仍然無法與無限的造物主相比。人們認(rèn)為，國王地位越尊貴，其宮殿就應(yīng)越加宏偉，才能配得上他的威嚴(yán)。那么，你認(rèn)為神的宮殿應(yīng)有多宏偉？”

第谷并不為這類論證所動，而是提出了自己的宇宙體系：太陽、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(zhuǎn)，而行星就像哥白尼體系描述的那樣圍繞太陽旋轉(zhuǎn)。這種“第谷體系”（Tychonic）保留了“地心說”的優(yōu)點(diǎn)，因此不需要解釋笨重而怠惰的地球是如何運(yùn)動的，也不必因?yàn)橹苣暌暡畹娜笔Ф鴮⒑阈羌僭O(shè)為非常遙遠(yuǎn)、巨大——在第谷體系中，恒星就處在行星外面，尺寸也相當(dāng)合理。但就行星而言，第谷體系和哥白尼體系在數(shù)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(shù)學(xué)上的優(yōu)雅，第谷認(rèn)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(nèi)容。

伽利略用望遠(yuǎn)鏡觀看天空時，發(fā)現(xiàn)了大量與托勒密的古代宇宙論直接相抵觸的現(xiàn)象。他看到木星有衛(wèi)星，證明宇宙可能有不止一個運(yùn)動中心。他還觀察到金星有位相（金星與月球一樣本身并不發(fā)光，光輝來自反射的太陽光，因此金星也像月球一樣會出現(xiàn)周期性的圓缺變化），表明它圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)。然而，這些發(fā)現(xiàn)并沒有被當(dāng)作地球繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的證據(jù)，因?yàn)樗鼈兣c第谷體系完全相容。

200年的論據(jù)

17世紀(jì)中葉，哥白尼、第谷、伽利略等先驅(qū)均已逝世，意大利天文學(xué)家喬萬尼·巴蒂斯塔·里喬利（Giovanni Battista Riccioli）出版了一部著作，對各種宇宙論進(jìn)行了百科全書式的評價(jià)，名為《新天文學(xué)大成》（Almagestum Novum，追隨托勒密那部偉大著作）。里喬利考察了支持和反對哥白尼體系的眾多論據(jù)，以及涉及天文學(xué)、物理學(xué)和宗教的論據(jù)。但里喬利指出，有兩個主要論據(jù)構(gòu)成了反對哥白尼體系的決定性證據(jù)。這兩條論據(jù)都源自第谷的觀點(diǎn)，都要到幾百年后才能得到明確的答案。

第一個論據(jù)是，里喬利認(rèn)為旋轉(zhuǎn)的行星應(yīng)該會使拋射物和下落的物體發(fā)生某些改變，而在現(xiàn)實(shí)中卻無法檢測到這些改變。第谷曾經(jīng)認(rèn)為，旋轉(zhuǎn)的地球會使拋射物的軌跡偏離直線。然而直到19世紀(jì)，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(yīng)做出完整的數(shù)學(xué)描述，這些偏離才被觀測到。

另一條是第谷提出的關(guān)于恒星尺寸的論據(jù)，里喬利用望遠(yuǎn)鏡觀測了恒星尺寸，并對第谷的結(jié)果做了更新（第谷從未使用過望遠(yuǎn)鏡）。里喬利設(shè)計(jì)了一種可重復(fù)測量恒星直徑的流程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)恒星看起來比第谷設(shè)想的還要小。但望遠(yuǎn)鏡也增加了對周年視差的靈敏度，卻仍未檢測到周年視差，這意味著恒星必定比第谷認(rèn)為的還要遠(yuǎn)。最終的效果是，恒星必定像第谷所說的那樣巨大無比。

三種宇宙模型：17世紀(jì)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、月亮、行星和恒星圍繞地球旋轉(zhuǎn)。天文學(xué)家用“本輪”（epicycle）這個詞來解釋行星的逆行，“本輪”是在主軌道的基礎(chǔ)上添加的較小的環(huán)行軌道。哥白尼的日心模型看起來要簡單些，但它引出了新的概念問題，比如恒星的距離必須遠(yuǎn)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、月亮和恒星圍繞地球旋轉(zhuǎn)，行星圍繞太陽旋轉(zhuǎn)，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回避這個科學(xué)問題。作為一名耶穌會教士，里喬利幾乎不可能否認(rèn)神的能力。但他仍然拒絕接受這種解釋，他說：“即使這種錯誤陳述無可辯駁，但它無法讓更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娜藵M意。”

由于缺乏確鑿的科學(xué)證據(jù)，哥白尼學(xué)說中，關(guān)于宇宙和恒星尺寸的幾乎令人難以置信的說法，無法被證明是正確的，因此，哥白尼學(xué)說遲遲不被接受。1674年，英國皇家學(xué)會實(shí)驗(yàn)館館長羅伯特·胡克（Robert Hooke）承認(rèn)：“地球是運(yùn)動還是靜止仍然是一個問題，自從哥白尼提出這一問題之后，現(xiàn)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(yùn)動還是靜止的?！?/strong>

到胡克的時代，已經(jīng)有越來越多的科學(xué)家接受了哥白尼的學(xué)說，盡管在一定程度上他們?nèi)匀幻媾R著科學(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。大約在同一時間，喬治·艾里（George Airy）就恒星為何看起來比實(shí)際更大這一問題，第一次給出了一種完整的理論解釋，斐迪南·萊希（Ferdinand Reich）則首次成功檢測到因地球自轉(zhuǎn)引起的落體偏離。當(dāng)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(yùn)動這一問題。

然而，回到伽利略和里喬利的時代，那些反對哥白尼學(xué)說的人，也有一些基于科學(xué)的相當(dāng)合理、清晰且有觀察依據(jù)的有利論據(jù)。雖然事實(shí)最終證明他們錯了，但這并沒有使他們成為糟糕的科學(xué)家。事實(shí)上，無論是過去還是現(xiàn)在，對他人的激烈爭論提出嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆瘩g意見，一直是科學(xué)研究中的挑戰(zhàn)和樂趣。

本文來自微信公眾號：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