光明讲坛：望远镜发明前的天文学

　　演讲人：高爽 演讲地点：天津科技馆 演讲时间：2016年11月

　　前不久，世界最大的天文望远镜——500米口径球面射电望远镜（英文简称fast）在贵州省平塘县克度镇大窝凼村正式落成启用。这只“天眼”是具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜，将主要用于实现巡视宇宙中的中性氢、观测脉冲星等科学目标和空间飞行器测量与通信等应用目标。

　　望远镜的发明为我们掀开了洞察宇宙大舞台的幕布。但望远镜出现之前，祖先们凭借着肉眼和丰富的想象力进行的思索，总让我们心生敬畏。

　　高爽 自然科学博士，北京师范大学天文系讲师。北京市天文学会会员，科普作家，中国天文学名词审定委员会成员。

　　发源于古希腊

　　如果说今天的科学乃至天文学，区别于其他文化，这些差别就发源于古希腊。天文学提供给我们的不仅是数据、方法、技术，更是一种思维路径，一种讲人与世界相互连接的总习惯。这个地中海边的古老民族，最伟大之处在于，他们异想天开地发明了一个概念，这个概念在其后的几千年的人类历史上，从未在别的民族的文化中出现过。这个概念就是“自然”。

　　中国古代也提出了自然的概念，道家说“人法地，地法天，天法道，道法自然”，这里的自然与古希腊的自然概念很不一样。我们今天说自然，指的是包括动物、植物、大气、水、土地在内的一个生态系统，俗称大自然。古希腊人提出的自然概念，其深层次的内涵，指的是抽象的事物本质。古希腊人认为什么才是自然呢？事物内部隐含着的内在的本质原因才是自然，抽象的，脱离事物本来面容的特质才是自然。

　　抛开哲学和科学史不谈，通俗地说，古希腊人心中的自然，就是本质。古希腊语言中这个词与后来的“物理学”是一回事。在古希腊人心中，这样的东西是规律，是原因，是自然。

　　后来，古希腊人谈论的知识内容逐渐地固定下来，系统化地发展成七门基本学科：文法、修辞、逻辑、算术、几何、天文、音乐。前三门是为了让人在辩论和演讲的时候有更好的口才，后面四门更多的是在养成人的道德。音乐的本质是数量的和谐，天文的本质是天地观测，几何的本质是空间关系，算术的本质不是计算数字，而是领悟万事万物都有客观的规律表达。

　　古希腊先后诞生了多个著名的学派。毕达哥拉斯学派，最早认识到地球是圆的。柏拉图学派，提倡讨论要从实际问题出发，坚持用数理逻辑指导精神世界。柏拉图学派集大成地提出了天文学的统一观念：我们生活在地球上，地球之外，笼罩着一个天球，地球位于中心。更多的细节和修饰都围绕着地球和天球展开，这就是著名的“两球模型”。

　　古希腊人相信，距离地球最近的月亮是区分天上和人间的界限。月亮以下的空间是人间，有四种基本元素构成，沉重，不稳定，混乱，多变。月亮以上的空间，是天界。所有的天体，不会横冲直撞。它们各自安放在所属的水晶天球上做着机械运动：旋转。

　　没过多久，细心的人们发现了这个体系的害群之马。第一，有几颗行星（举例来说是行星）总不按照规律运动，时不时地会停着不动甚至逆行几天。第二，四季的分布并不均匀。要解释这些问题，无非两种选择。要么，放弃天界完美的信仰，接受上述的不完美；要么，坚持天界完美永恒不变，但必须给出充分的解释。古希腊人选择了后者，这项工作并不容易，从古希腊人开始，延绵一千多年的这项天文学史上最重大的工作，史称“拯救现象”。

　　古希腊晚期的天文学集大成者托勒密，在拯救现象的工作上成果显著。托勒密自己的工作加上他对前人工作的总结，写成了巨著《天文学大成》。他的成就千年来都没人能突破。托勒密创造性提出本轮+均轮的办法解决了拯救现象的大课题。火星并不是直接围绕地球转的。火星围绕一个中心转，这个中心再围绕着地球转。火星自己围绕中心旋转的小球就是本轮，整个本轮带着火星一起围绕地球运动的天球就是均轮。其他行星类似，通过增加本轮，可以获得与实际观测完全一致的水晶球模型。这一切都依赖托勒密高深的数学技巧和惊人的想象力。一整套宇宙体系就此诞生，而且经得起观测的检验。

　　古希腊天文学，与其他学科一道，成为今天科学的奠基石。它们或许有着不成熟的思维模式，却造就了今日科学的内在性格。将科学，视作对本质规律的探寻，视作个人之外的存在，视作高尚的情怀。

　　阿拉伯的翻译家

　　可惜的是，古希腊灭亡后，其灿烂文化没有得到应有的保护和继承。继承了那片土地的罗马人对这些形而上的内容兴趣不大，罗马人更喜欢钻研筑城、灌溉、行军、武器这样实用的知识，对天球怎么运转缺乏热情。在基督教兴起的初期，残存的古希腊文明的火种更是遭受了沉重打击。逐渐地，古希腊的知识和精神，在欧洲渐渐消亡。这片土地的继承者，没有成为它文明的继承者。

　　真正的继承者，恰恰是和后世的欧洲敌对着的阿拉伯民族。阿拉伯民族对天文学知识的兴趣远远超过了中世纪早期的欧洲。阿拉伯在统治者哈里发的授意和资助下，建立起了可以跟古希腊的亚历山大图书馆媲美的智慧宫。智慧宫早期位于叙利亚，后来移师巴格达，成为阿拉伯世界的知识中心，在很长一段时间里，也是世界的知识中心。智慧宫下设翻译局、科学院、图书馆，科学院下设天文台。翻译局，是专门用来翻译各国书籍资料的国际学术机构。希腊语、拉丁语、波斯语、叙利亚语、梵语、汉语……都被集中在此的各国学者研究、翻译，转变为阿拉伯语。所涉猎的主题相当广泛，天文学、地理学、医学、数学、化学、历史、宗教、政治、军事等等门类。世界各地汇聚的学者就在这里翻译整理书籍文献，丰富阿拉伯语的知识体系。科学院聚集最知名的学者进行科学研究，邀请其他宗派的学者前来演讲，并鼓励交流和辩论。大图书馆，就像亚历山大图书馆一样，收集整理文献资料，在哈里发的资助下修复、分类、保管。并鼓励阿拉伯本土学者著书立说。

　　哈里发马蒙曾经发布圣谕鼓励人们将其他地方的书籍带回阿拉伯来，凡是哈里发过去不曾有过的书，都可以换取同等重量的黄金作为奖励。简单的举措，包容的学术空气，让阿拉伯帝国很快就成了世界文明的中心。巴格达聚集了各种古籍、学者、财富。

　　智慧宫里堆满了世界各地收集来的书籍，大量的古希腊珍本保管于此，大量古希腊的智慧被翻译成阿拉伯语流传下来。

　　阿拉伯的年轻人被鼓励不分门第、出身投身于智慧宫的大师门下。起初，学徒的身份需要做很多杂务。之后可以根据个人的修为跟随大师学习本学派的知识。出徒之日会收获到一张特质的证书作为证明。学有余力的年轻人还可以博览众家之长。因此，阿拉伯的智慧宫不仅是大翻译运动的主场，也是严肃的高等教育机构。

　　位于今天乌兹别克斯坦的撒马尔罕天文台建成了40米的六分仪，成为世界之最。比鲁尼对月球运动的研究，伊本·沙提尔对水星轨道的推论，都使阿拉伯成为当时天文学的研究中心，不停地发布着最佳的成果。其中图西发现的多个圆运动的叠加可以成为直线运动，极大地刺激了后世的“拯救现象”课题的推进。

　　阿拉伯人出于信仰的需要，专门研制了方便旅行者携带和使用的速查星表，可以让外出的人很容易地知道自己所处的位置和需要朝拜的方向、时间。对代数学、平面三角学、球面几何学的掌握，对定时和定位技术的精益求精，发展了这一时期的天文学，这些对细节的追求和不厌其烦地实验的精神，成为后来的实验天体物理学的古代奠基。

　　欧洲的曙光

　　阿拉伯世界与中世纪的欧洲，有两处陆地上的衔接。东边是持续围困后终于在1453年易主的拜占庭。西边是对西班牙的拉锯一样的争夺。大部分珍贵的古希腊文献，通过拜占庭进入阿拉伯腹地。经过大翻译运动的整理和发扬，这些知识在阿拉伯占据的地区传播，一直传达到伊比利亚半岛。就在基督教双王（西班牙的阿拉贡国王和卡斯蒂利亚女王）和北非摩尔人（阿拉伯的一支）交战正酣的时候，越来越多的西班牙人注意到阿拉伯人携带的书本中的智慧。

　　西班牙中部的古城托莱多光复之后，西班牙人迅速组织了对一大批阿拉伯语文献的翻译工作，这一次，是从阿拉伯语翻译为拉丁语，其中包括著名的《阿方索星表》。托莱多古城才刚刚光复没多久，翻译工作就急忙开展了。托莱多翻译学院就设在托莱多大教堂里。被残酷镇压了的阿拉伯人必须放弃就有的伊斯兰信仰，转而臣服于天主教的权威之下。而阿拉伯人书写的传奇，被很好地珍视了。

　　得到了来自阿拉伯的新近翻译为拉丁语的学术著作，欧洲人很兴奋。其中有大量亚里士多德和柏拉图等人的古希腊学说，也有阿拉伯学者的独创性研究。阿拉伯人早早地就引进了印度和中国人发明的数字表达法，命名为阿拉伯数字。而这个时候的欧洲还在使用罗马数字用来计数和运算。罗马数字用于复杂的科学计算是灾难性的，其复杂程度会让熟练的学者望而生畏，而且极容易出错。暂时没有引入阿拉伯数字的欧洲，对着新翻译来的著作，犹如童子见真经，似乎认识，又似乎不认识，似乎看得懂，又似乎看不懂。更有甚者，翻译者学艺不精，无法深刻理解阿拉伯语的精髓，将大量的科学术语直接音译，让读者无从读起。

　　不懂要怎么办呢？面对浩瀚的新世界，充满智慧的大案牍啊，欧洲的新一代年轻人看不懂了，他们选择了怎样的方式来面对未来呢？

　　他们以自己所在的城市为基础，组织起了集体学习和讨论的俱乐部。他们找来新近流行的书籍，通常是大家感兴趣的主题，或雅典法律，或天文学基础，或人类历史，再聘请懂得阿拉伯语师傅来协助。各地都开展了大大小小的学习俱乐部，它们以小组的形式分散在欧洲各地，没有固定的房产，也可能没有固定的活动时间，却有着固定的讨论主题，和探寻未知智慧的勇气。

　　这些由年轻人集结起来研读阿拉伯著作，聘请师傅协助，利用业余时间的集体学习小组，就是现代大学的雏形。托勒密的《天文学大成》是这些小组广泛选择研习的书目。12世纪中叶到13世纪初的短短几十年间，欧洲各地相继创建了多所大学。1150年的博洛尼亚专攻《查士丁尼法典》，1160年成立的巴黎大学擅长亚里士多德哲学，1200年前后的牛津和剑桥各自发展自己的学问，1222年成立的帕多瓦大学在几百年后继续扮演科学史上的重要角色……虽然大学们会渐渐地与基督教会发生关系，不可避免地涉及越来越多的神学内容，但创立之初的学习小组和大学，成为欧洲大地上燎原的星星之火。它们分散、渺小，却赤诚、勇敢，慢慢点燃了周围的世界，最终照亮了人类的未来。这是年轻人读书俱乐部的遗泽，这是珍贵的火种，这就是人类文明史上最伟大的发明。

　　就这样，经过阿拉伯的转手，欧洲文明间接地接续上了自己的遥远祖先——古希腊。遗忘了亚里士多德的欧洲人，找回了自己的远古智慧。这给欧洲带来了新的空气和自信。

　　新天文学大幕拉开

　　“拯救现象”的宏大课题，从阿拉伯手中再次交到欧洲。这一次接过重任披挂上阵的，是和其他年轻人一样在大学里研习科学与神学的哥白尼。

　　哥白尼的著作在国内有多种版本，《天体运行论》是它们共同的名字。很可惜的是，这个名字以讹传讹地一直错着。2014年商务印书馆出版了张卜天翻译的最新版本，终于将书名纠正过来，《天球运行论》才是哥白尼原著的真名。从“天体”到“天球”，一字之差，这么严重吗？是的，非常严重。这个错误导致了我们长期以来没能客观理性地认识哥白尼其人和他的天文学贡献，导致我们一直在神化哥白尼和他的著作。

　　古希腊人提出了水晶天球的概念，后世没有打破。在哥白尼的年代，没有人能理解太阳和月亮是怎么凭空悬浮在空中的。所有的星球，都需要一个水晶的天球支撑。天文学家研究的是水晶天球的运动，而不是独立的天体，天体只能镶嵌在水晶天球上被动跟随天球的运转。简而言之，哥白尼和他同时代的天文学家，根本没有人知道“天体”是什么东西。

　　1543年的欧洲是一个乱世，各国之间、基督教的各个派别之间正处在剑拔弩张的气氛里，大战一触即发。70岁的尼古拉·哥白尼在生命的最后一天，还有快递送来一个包裹。从德国纽伦堡，到波兰弗龙堡，直线距离800公里，快递送来的重要包裹是哥白尼的著作《天球运行论》的扉页。哥白尼并没有意识到，他手里握着的这一页纸，可能会成为天文学历史上最重要的一页纸。但在当时，无论纽伦堡还是弗龙堡，上至教皇下到普通民众，1543年的世界上的每一个人都没有觉得这一天有什么了不起。

　　那么，哥白尼究竟是什么人呢？

　　小哥白尼10岁的时候，父亲就去世了。哥白尼母亲家里是当地的贵族，他从小就被舅舅抚养长大。舅舅把哥白尼送进最好的大学读书，舅舅负担哥白尼的全部开销，舅舅让哥白尼学习宗教法学和医学，舅舅还给大学毕业后的哥白尼安排了工作，接替自己的职位，做了一名基督教的教士。

　　哥白尼先后在波兰、意大利等多个地方上学，最终获得了宗教法学博士学位。回到家乡的哥白尼，听从舅舅的安排，从基层教会做起，一步一步成长为地区教堂的教士。中国古代也有类似的情况，每个村子里都有土地庙，每个社区里都有一些小的祠堂、寺庙的之类的设施。宗教的神职人员，除了传播宗教以外，也要兼职很多地区的世俗事务。比如小镇上谁家生病了，都来找哥白尼，因为哥白尼学过医学。谁家要做生意，都来咨询哥白尼，因为哥白尼研究过经济学。谁要出远门，也来找哥白尼，因为哥白尼出过远门。生了孩子要找哥白尼洗礼，人死了要找哥白尼安葬，结婚要找哥白尼主持，小镇里的事，就是哥白尼的事。哥白尼用我们今天的话来说，基本上是居委会大妈的身份在研究天文学。这可能是历史上最著名的居委会大妈。当然，居委会大妈也是基层行政人员。在中世纪的欧洲大陆，底层的民众的生活处在温饱和饥饿的边缘，识文断字者少之又少。教士掌握着文化，也就掌握着管理民众生活的权威。

　　哥白尼中年之后开始写作的《天球运行论》，吸取了大量来自阿拉伯的智慧。哥白尼站在古希腊文明的基石上，沉醉于水晶天球的和谐美。他不能容忍水晶天球以外的过于复杂的设计，那有悖于月亮之上的简单天界。托勒密为了让理论符合观测数据，硬生生地使用了对点的设计，并且让多层天球相互嵌套，每颗行星要用多个本轮和均轮协调描述。这在哥白尼看来，太复杂了！当然，对别的天文学家来说，同样意味着复杂，所以多少年来都没人挑战托勒密的理论。直到哥白尼，这位可能是当时数学水平最高的人，坚持认为不该用这么复杂的方式解释世界。

　　因此，出于审美的要求，哥白尼首先对“对点”痛下杀手。必须摒弃对点！世界的中心必须是一个实实在在的存在，偏心的设计太不古希腊了。收到阿拉伯一些学者和可能来自古代印度的思想的启发，哥白尼大胆地尝试将太阳放置在世界的中心位置上，其他行星依次排列在太阳周围，组成一圈又一圈完美的同心圆，每一层天球都进行以太阳为中心的圆周运动。

　　这样的方案，哥白尼在六卷本的《天球运行论》的开篇就明确地提出了。但诚实如哥白尼，作为天文学家，异想天开不符合他的身份。哥白尼必须解决的问题是，他的新方案，能否满足实际的天文观测现象呢？他需要用其他几卷书解决这样的问题。

　　我们不妨做一些智力上的想象。托勒密假设了极其复杂的方案，才让行星的运动符合观测结果。而哥白尼放弃了对点，用异常简单的方案来表明宇宙秩序，这一方案能符合观测吗？很遗憾，与观测数据（即来自托莱多的《阿方索星表》）的比较表明，哥白尼的简洁版方案非常糟糕。

　　要如何拯救自己的方案？或是如何放弃自己的方案呢？哥白尼做了一个妥协。他愿意继续尝试太阳位于宇宙中央的情形，甘愿在其他行星的运动上增加本轮和均轮的扩充。哥白尼本人没有进行过天文观测，他以《阿方索星表》为目标，一个一个本轮、均轮增加上去，最终出版的《天球运行论》一共采用了48个本轮。这个数字不仅超过了哥白尼自己的预期，也超过了托勒密的版本（40个左右）。这真是非常尴尬的结果。为了简洁而进行改变的尝试，结果却得到了更复杂的体系。出于这个原因，再加上哥白尼本人性格上过于保守，所以他本人始终不愿意把书稿公开发表。先后有过几拨人来劝说哥白尼抓紧整理、出版书稿，哥白尼始终无动于衷。

　　我们如果要对比哥白尼和托勒密的两个宇宙体系，不难发现，哥白尼体系略输一筹。两者都可以符合观测数据，复杂程度差不多，但哥白尼体系失之直观。没有人见过大地带着人们飞奔的场景，却有太多人知道太阳和群星一起东升西落。

　　当然，我们必须赞颂哥白尼的伟大贡献，至少因为以下四个原因：哥白尼杰出的数学功力；哥白尼对科学事实孜孜不倦并诚实表达自己成果的不足之处；哥白尼勇敢地开辟了全新的讨论角度；哥白尼追求古人崇尚的简单和谐的自然体系。

　　哥白尼体系和《天球运行论》没有作者本人的支持，只能靠内容本身在世界上孤军奋战。它显而易见地迎来了铺天盖地的反驳。但所有的论战都只限于大学校园的学术讨论范围内，很长一段时间里，哥白尼的理论都算不上需要敏感对待的歪理。形成这样的局面，不得不提到此书的责任编辑，奥西安德尔神父。

　　第一个仔细审阅《天球运行论》全文每一个字和每一张图表的专家，就是奥西安德尔。为了出版的严谨，哥白尼和他的门徒雷蒂库斯聘请了奥西安德尔作为此书的校对专家，在纽伦堡跟踪出版进度，负责审核排版的问题。

　　作为路德教的神学家和教士，作为雷蒂库斯的朋友，他受命监督新书的印刷，必须一丝不苟。所以他仔细阅读了几乎全部的章节。他发现，这样的思想，虽然算不上有多么可怕，但毕竟与传统相反，很可能被别有用心的分子利用而打击。哥白尼远在弗龙堡，地位不高；支持哥白尼的雷蒂库斯此刻自身难保，还没找到饭碗。自己的大老板路德，恐怕也靠不住。虽然路德并没有点名批评哥白尼，但谁都知道，路德新教的宗旨就是回归《圣经》的原文本身。而如果过分执着于《圣经》原文，恐怕对哥白尼来说不是一个特别好的消息。罗马教会倒是没啥意见，不过他们的影响力也越来越有限了。

　　于是，奥西安德尔做出了一个过于大胆的行动。他竟然擅自撰写了一篇序言，放到全书的最前面，并且没有署上自己的名字。读者自然地认为这是出自全书作者哥白尼之口的教导。

　　奥西安德尔在序言里说：“各位读者注意，天文学的目的是什么呢？是观察现象，然后用数学技巧给出假设，而真相是不可能被充分地了解清楚的。这本书给出了很好的假设。所以请读者注意，这个理论本身，只是一个数学上的假设，并不是宇宙的真实。”

　　得知情况的雷蒂库斯，和后来发掘了真相的开普勒，都不能忍受这样的胆大妄为。愤怒中的开普勒，在自己的新书《新天文学》里激烈批评奥西安德尔的大胆行径。好事不出门，坏事传千里。这一下子，事情败露了。开普勒身后，越来越多的人知道了《天球运行论》的伪作序言的事，都知道了奥西安德尔的行为。

　　从此，奥西安德尔似乎被科学界钉到了耻辱柱上，每次说到这段往事的时候，奥西安德尔都成为阻碍天文学发展和进步的反面案例。从此，开普勒成了正义的代言人。从此，哥白尼以一个被欺负了和玷污了的作者的形象存在于世。从此，教会必须重新反思是不是对日心说太包容了。

　　今天，这段往事值得我们反思。究竟是谁在保护和推广哥白尼的学说？又是谁把哥白尼的理论推到了危险的地步？如果奥西安德尔要阻挠新书出版，只需要破坏出版进程即可。哥白尼已亡，奥西安德尔可以操作的余地太大了，或焚毁手稿，或篡改章句，或延误工期，或在纷繁的数据中揉沙子，让巨著的力量大打折扣。可是奥西安德尔没有这样，他反倒是精益求精地完成了编辑工作。这是为什么？如果没有他的那篇大胆的序言，《天球运行论》能轻易问世吗？即使问世，能轻易出售并流传在学术界吗？《天球运行论》有可能一出生就遭到反对和查禁，开普勒都没有机会能读到。

　　如果不是开普勒的吐槽和挖掘“真相”，也就不会引发舆论哗然，也就不会催生教会谨慎对待这一理论。如果不是开普勒的聪明，《天球运行论》也许可以继续地、静静地在世界上流传，影响更多人的视野。

　　其实，奥西安德尔、雷蒂库斯、开普勒都是最具智慧的精英。大学里那些钻研数学和天文学的教授们很快就能弄懂事实。他们心知肚明，假设也罢，真理也罢，我们相信它可以更好地运用，我们追求它所提倡的简洁的自然之美……而教会呢，并不关心大学里的天文学家的细枝末节的旁征博引，只要没人试图推翻教皇的统治。这其实是一种心照不宣的默契。中世纪的大学，和中世纪的教会，在很多方面都有这种默契。

　　那么，是谁在保护哥白尼，又是谁在制造障碍呢？也许，对历史，对人的解读，不是那么简单的线性的事。

　　（光明日报记者陈鹏编辑整理）