23、实验天才

然是包括地球在内的行星的运行轨道不是正圆而是椭圆。但这种重要的见解（我们将有所探讨）如果没有哥白尼对地球和太阳相对运动的观察，是不可能产生的。

哥白尼的新观点被系统地写进了《天体运行论》（人们通常使用拉丁文书名De revolutionibus）一书，但这些观点存在漏洞。例如，他仍然沿用中世纪的观点，认为行星被固定在一系列大型空心同心水晶球的表面。不过除此以外，哥白尼还是成功地摒弃了混乱的解释，取代了托勒密复杂的本轮观点。[2162]

尽管《天体运行论》是革命性的，但并没有立刻引起轩然大波。当哥白尼最终落笔撰写论著并将它寄给教皇时，教皇让它在同行学者之间传阅，学者建议将其出版。虽然书被一个新教徒出版商出版，哥白尼的新思想在整个16世纪还是“十分受到尊敬”。1615年之前，没有人抱怨它违反传统神学。[2163]

但到那时，丹麦贵族第谷·布拉赫已经开始了在哥白尼著作基础上的研究。布拉赫家族的财产来自税收的分红，这些税是丹麦人向经过丹麦和瑞典之间的厄勒海峡进出波罗的海的船只征收的。第谷是个爱争吵的人，他在一次决斗中被人削掉了鼻尖，从此在众人面前不得不佩戴一个光滑闪亮的假鼻尖。但是丹麦王室意识到他是一个有才华的科学家，因此在厄勒海峡赐给他一座岛屿，在这里他可以避开争吵，并获准建立了“现代第一个科学机构”，[2164]取名“天堡”，即“天空的大门”。这个实验室还包括一座天文台。

布拉赫或许没有哥白尼那样的天才思想，但他是一个出色的天文学家。在厄勒实验室里，他做了许多准确的天文测量。1599年，布拉赫离开丹麦前往布拉格，这些观测成果留在了丹麦。在布拉格，布拉赫被任命为神圣罗马皇帝鲁道夫二世的首席数学家。鲁道夫二世极其怪僻，沉迷于炼金术和占星术。在丹麦，布拉赫的观测成果被同样天资卓越的助手约翰·开普勒所用。他开始试图将布拉赫的观测结果和哥白尼的理论相结合。

开普勒是一个执着、勤奋和敏锐的观察者。像哥白尼一样，他一开始也持传统观点，认为天体排列在一系列同心水晶球上。然而，渐渐地，当他发现布拉赫的观测结果无法与水晶球理论一致时，不得不摆脱这个理论。他没有试图将所有行星都安放在同一个系统中，而是将精力放在了火星上，并在此获得突破。[2165]对天文学家来说，火星的作用尤其大，因为它几乎随时都可以观察到。结合布拉赫的观测，开普勒发现火星绕太阳运行的轨道不是正圆，而是椭圆。有了这个突破，开普勒随即证明所有绕日运行的行星轨道都是椭圆形，甚至月球绕地球运转的轨道也不例外。这产生了两个直接的意义，一个是物理和数学的，另一个是神学的。从科学的角度看，椭圆虽然是个相对简单的形状，但完全不像正圆那样简单，而需要更多的解释：行星是怎样以及为什么在某些点上比在其他地方离太阳更远？因此，椭圆轨道的发现激发了对重力及动力学的研究。同时，椭圆轨道理论对宇宙由一系列中空同心水晶球构成这一观点造成了什么影响呢？它使这一观点失去了立足之地。

不过，椭圆轨道确实解释了四季为什么长短不同。椭圆轨道意味着地球不是匀速绕日转动的，而是在靠近太阳时较快，远离时较慢。但正如开普勒所发现的，系统中有一个始终如一的量，即速率与向径（粗略地说，即行星到太阳的距离）的乘积是不变的。[2166]在研究过火星和地球之后，开普勒仍然用布拉赫的数据，计算出了其他绕日运转的行星的轨道、速度和距离。他发现了另一个不变的量：行星绕太阳公转周期的平方与行星到太阳距离的立方的比率不变。宇宙自此建立起明确的新秩序，正如托马斯·库恩所言，不管它有没有指向上帝，“它一定指向了重力”。

继哥白尼、布拉赫和开普勒之后的第四位科学革命巨匠是伽利略。作为比萨大学的数学和军事工程教授，伽利略偶然得到了一件荷兰发明，这项发明由于荷兰和西班牙的战争而被当作军事秘密。这就是望远镜。尽管他十分清楚望远镜的军事用途（在被敌人清点人数之前先清点对方的人数），他却只对探索天空感兴趣。当他将望远镜对准夜空时，受到了史上最大的一次震撼。他顿时清楚，天空中星星的数量远比之前任何人看到的都多。粗略地说，夜空中肉眼可以看到的星星有两千颗，伽利略通过望远镜发现还有无数颗。这再一次深刻地暗示了宇宙的广袤，因此对神学构成挑战。这还不是全部。利用望远镜，伽利略还观察到三颗，后来是四颗绕木星运转的“星星”或“月亮”，就像行星围绕太阳运转那样。这证实了哥白尼的天体理论，同时伽利略也得到了一个实际上是天体钟的例子。这些天体的运动距离地球太远，因此不受地球运动的影响，所以可以提供一种绝对时间的观念。它为航海者提供了在海上寻找经度的方法。[2167]

作为一个军事工程教授，自然而然，伽利略的另外一个兴趣是武器，尤其是我们所说的弹道学。在这一点以及其他很多方面，人们对动力学（弹道学是其中一部分）的基本理解本质上是亚里士多德式的。例如，亚里士多德的掷矛理论认为，将矛掷出时，矛穿过空气，矛尖的空气被排挤到矛杆尾端，将矛推向前方。但矛不可能永远穿行在空气中，因为它会“疲劳”而坠落到地上。对运动的这个解释显然不能让人满意，但两千年来，没有人能给出更合理的解释。在观察了另外一种较新式的武器——加农炮弹之后，情况开始改变了。[2168]加农炮的特点之一是其攻击的角度可以改变。当炮筒被抬高，不再与地面平行时，射程就会不断增加，直到炮筒角度达到45°，之后射程又开始减小。正是加农炮弹的这种运动方式引起了伽利略对物体运动规律的兴趣，而另一个因素是定期袭击比萨和佛罗伦萨的暴风雨，伽利略发现在此时枝形吊灯和挂灯都会摆动。他用自己的脉搏作为测量工具，为灯的摆动计时，发现灯摆的长度和摆幅之间存在关联。这发展成为他的平方根定律。[2169]

伽利略撰写了两篇著名的论文《两大体系》（1632）和《两种新科学》（1638）。两篇论文都使用意大利语（而不是拉丁语）的对话形式，几乎是戏剧的形式，意在将他的思想介绍给更广泛的读者。在第一篇论文中，三个人，萨尔维亚蒂（一个科学家兼学者）、沙格列陀（一个聪明的普通人）和辛普利西奥（一个愚钝的亚里士多德主义者）讨论了托勒密和哥白尼体系的相对优点。在对话中，伽利略明确表明自己赞同哪种观点，但他也（间接地）讽刺了教皇。这导致了在宗教法庭上那场著名的审判，并使他受到监禁。然而，在囚禁期间，他为《两种新科学》（原来的三个人之间一场关于动力学的对话）做准备。正是在这本书中，他陈述了有关抛射体的观点，并表明在不计空气阻力的条件下，抛射体的运动轨迹是一条抛物线。[2170]抛物线由于呈椭圆形，所以是圆锥的函数。两千年来，关于圆锥曲线的研究都是抽象的；现在，突然间，现实世界几乎同时出现了两处应用实例。而更多的宇宙和谐秩序也已经被发现。

具有讽刺意义的是，《两种新科学》是在监狱里完成的。囚禁伽利略是为了熄灭哥白尼的革命之火。事实上，这却为伽利略提供了反思和创作的机会，而他的著作导致了牛顿的发现，并给了宗教最沉重的打击。

根据1993年公布的历史上最有影响力的人物名单，艾萨克·牛顿位居第二，在穆罕默德之后，耶稣