<日心說究竟比地心說強在哪裡?兼談孔恩的《哥白尼革命》> & <征服火星的占星大師:克卜勒的新天文學>

<日心說究竟比地心說強在哪裡?兼談孔恩的《哥白尼革命》>

從地心說到日心說的轉折,並非只是單純一個更優秀更真實的理論,推翻了舊有落伍的學說;有一些很值得談論的要點,在大多數談論這段歷史的書籍中並未述及。本講次將介紹對於所謂的「典範轉移」,關鍵的認知差異之處。

講師:高涌泉|臺灣大學物理學系教授

地心說是一種相當符合人類直覺的假說,但是純粹的地心說卻無法解釋水星逆行與熒惑守心等現象,因此古代的天文學家發展出均輪和本輪的概念,假設行星在一個稱為本輪的小圓圈上移動,而本輪又沿著一個稱為均輪的較大圓圈上移動,以此解釋行星的視逆行運動,「修正」地心說的不足之處。這套托勒密地心說主導了近兩千年的天文學理論,確實也能夠相當精準地進行天文預測,只不過其疊床架屋的架構十分複雜。哥白尼所提出最純粹的日心說,相較之下可說是簡潔有力:太陽是宇宙的中心,地球等行星皆以圓形軌道環繞太陽運轉。

孔恩在《科學革命的結構》一書中,以此作為「典範轉移」的經典範例。他認為古代天文學家碰上托勒密天文學的理論與觀測不符時,都是在原本的體系內稍作調整,使兩者相符;然而這樣做不但其複雜度增加得比準確性來得快得多,而且為了消除某處誤差所做的調整,又往往在別處引起誤差。哥白尼的日心說便是因應地心說陷入的複雜化危機,所提出來的新典範,雖然日心說不見得能夠產生比地心說更為精確的預測,但它確實更為俐落、合宜、簡約,換言之就是「更美」——也就是說,除了精確度以外,美學上的考量也是另一個決定新典範能否脫穎而出的決定性因素。

地心說與日心說的差異,起初可說是一種「美學品味」上的差異,而這向來很難加以定義。然而孔恩認為這種難以定義的品味差異不容小覷,因為倘若人們沒有認知到日心說的簡潔有力,就不會產生典範轉移,自然也就不會有科學革命。史蒂芬·溫伯格 (Steven Weinberg) 在其著作《大發現》 (To Explain the World) 也持類似觀點,他認為日心說的優勢並不在於更精準的預測,而是以一項極為簡潔的假設,就可解釋各行星五花八門的視運動,從而取代地心說必須對各個行星軌道進行「微調」的麻煩;地心說所產生的各種怪現象,只要以地球的自轉及公轉,便可一舉解釋清楚。也就是說,地心說展現出一個理論如何在沒有實證顯示它優於其他理論的情況下,只根據其美學優勢,就能夠得到科學家的青睞。

對於哥白尼來說,日心說最重要的意義,在於一切都恰到好處地兜在一起,沒有不必要的巧合。他在《天體運行論》中有段話,清楚表達了他的想法:「這些東西(地心說的本輪與均輪)就好比是把手、腳、頭等等部分湊在一起,個別看來都很完美,卻跟整個身體沒有關係,無法搭配在一起,最終產生的只是個怪物,而不是人。」他認為只有日心說才能推導出最重要的東西:宇宙的結構與各個組成成分真實的對稱。接受這樣一個新典範的科學家,是以不同的方式看待世界,而未來也許還會有更新的典範,繼續更新科學家看待世界的認知。

 

<征服火星的占星大師:克卜勒的新天文學>

克卜勒是十七世紀科學革命的關鍵人物之一,他提出的行星三大運動定律,是現代精確天文學的開端。本講次介紹克卜勒在 1609 年發表的著作《新天文學》,說明他如何掙脫古代的學說,得出著名的行星運動定律。

講師:高崇文|中原大學物理學系教授

克卜勒的科學研究生涯,始於他結識了當時做天文觀測的第一把交椅第谷,並且成為他的助手。第谷雖然藉由對於彗星的觀測,否定了托勒密認為所有行星都圍繞著地球運轉的傳統地心說觀念,但他也並未全然擁抱哥白尼提出所有行星都圍繞著太陽運轉的日心說,而是認為行星與彗星繞著太陽運轉,太陽、月亮以及星星則是繞著地球運轉。

第谷在 1601 年意外去世後,克卜勒成為他的繼任者。他以克卜勒研究火星運行十年的觀測資料為素材,在 1609 年出版《新天文學》 (Astronomia nova) 一書,在裡頭提出今日被稱為克卜勒三大定律中的前兩條:(一)每個行星都沿著各自的橢圓軌道環繞太陽,而太陽則處在橢圓的一個焦點中。(二)在相等時間內,太陽和運動的行星連線所掃過的面積,均為相等。《新天文學》的特點在於,它是第一本將天文現象當作物理學,而不是幾何學來處理的天文書籍;另外有個奇葩之處,則是它並非拿數據來佐證自己提出的理論,而是拿數據不斷來「打槍」自己提出的各種理論,用消去法推導出真正的結論。

《新天文學》開宗明義就提出關鍵性的問題:托勒密、哥白尼以及第谷,誰提出的宇宙體系是正確的?克卜勒證明光靠觀測行星的黃經黃緯,以定出星體方位是不夠的,還必須測量出星體之間的距離才行;他認為太陽是行星運動的物理原因,行星與太陽的距離是決定行星下一刻運動的關鍵,這是《新天文學》最關鍵的主張。第谷的觀測資料雖然包含了許多火星的資料,可以用來檢驗克卜勒的替代假設是否合用,但是缺了最關鍵的火星黃經資料;克卜勒以他所做觀測的夾角資料套入,始終兜不出符合圓形軌道假設的結果,最終不得不考慮推翻圓形軌道的假設。

為了建構新的假設軌道,克卜勒甚至回頭採用本輪與均輪的概念,試圖拼裝出接近觀測結果的軌道。他起初設想的是卵形線,然而卵形線在數學上非常難以處理,因此他用相應的橢圓當作近似軌道,沒想到誤打誤撞,這正是行星運行真正的軌道形狀。即便如此,由於他採用的橢圓軌道並非火星的橢圓軌道,他在力求精確的過程中,仍然吃了不少苦頭;然而由於克卜勒堅定地相信,太陽與火星之間必定存在著某種決定軌道的物理定律,他繼續以各種角度推敲,最終總算掌握到真正影響行星軌道的克卜勒第二定律。

克卜勒在傳統上經常被視為哥白尼以及牛頓之間的中繼者,但他本人其實是科學史上少見的獨特人物。他對於天文物理學不但有著強烈的信念,認為必有主宰行星運動的物理定律,而且在觀測資料與理論不符時,不但毫不留情地淘汰不符合數據的理論,也不拘泥於任何既定的想法,甚至不惜從垃圾桶裡翻出曾被自己否定過的理論來應用。「不可為典要,唯變所適」的務實精神,用來評價克卜勒的研究精神,當之無愧。

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