通俗的天文学创世故事是错误的

我在17世纪早期，约翰内斯·开普勒(Johannes Kepler)提出，宇宙包含数千个强大的物体，这些物体如此巨大，它们本身就可以成为宇宙。开普勒说，这些巨大的天体证明了全能的造物主上帝的巨大力量和个人品味。这些巨大的天体就是恒星，它们围绕着太阳排列，太阳是宇宙中相对较小的中心天体，它的周围环绕着更小的行星。

这种奇怪的宇宙观是由开普勒提出的，他是一位有创新精神的天文学家，他把天文学从亚里士多德的完美圆中解放出来，并推导出轨道运动的椭圆性质，为艾萨克·牛顿和现代物理学的出现奠定了基础，哥白尼和他的日心说(“太阳中心”)的许多早期支持者都持有这个观点。开普勒的观点是，需要对恒星进行科学可重复的观测，并对从这些观测中收集到的数据进行严格的数学分析。这也是哥白尼理论的致命弱点。那些坚持认为地球是静止不动的，处于宇宙中心的天文学家，抨击这些巨型恒星是荒谬的，是哥白尼主义者捏造出来的，为的是让他们钟爱的理论与数据相符。这种“巨型恒星”的宇宙观几乎已经被遗忘了。

这是不幸的。开普勒和巨星的故事说明了从科学诞生之初就存在的强大的活力。这种活力与我们通常听到的关于科学诞生的故事形成了鲜明对比，那些故事把围绕哥白尼理论的辩论描绘成科学被强大的、根深蒂固的机构压制的场景。科学压制的故事，而不是科学动力的故事，并没有很好地为科学服务。巨星的故事就是这样。

约翰内斯·开普勒在他1606年写的一本书中阐述了他关于巨星的观点德斯特拉诺瓦或在新星上．这本书是关于一个新星这颗新星于1604年在天空中短暂出现。根据开普勒的说法，新星超越了所有其他恒星，甚至可以与天狼星相匹敌，后者是装点夜空的所有恒星中最亮的。在在新星上在美国，开普勒研究了新星的大小，得出结论说，新星的周长大大超过了土星(当时已知的距离最远的行星)的轨道。天狼星同样巨大，即使是最小的恒星也比地球的轨道还要大。

这些恒星实际上有宇宙那么大。开普勒的前老板第谷·布拉赫(Tycho Brahe)提出了一种宇宙理论，借鉴了哥白尼的理论，但将地球固定在宇宙的中心。在他1601年去世之前，布拉赫已经成为他那个时代的“大科学”，拥有一个大型天文台，最好的仪器，许多一流的助手(如开普勒)，他自己的出版公司和大量的资金。在布拉赫的地心说(“地球中心”)中，太阳、月亮和恒星围绕着静止的地球旋转，而行星围绕着太阳旋转。这些恒星位于土星之外，标志着可观测宇宙的边缘。开普勒对新星和天狼星的尺寸比布拉赫的整个宇宙都大，而他对许多其他恒星的尺寸与这样一个宇宙相当。

一个相信哥白尼和数学的天文学家，就必须相信所有的恒星都是巨大的。

为什么开普勒会说恒星是宇宙大小的?因为数据表明它们是正确的，至少日心说是正确的。在这个理论中，地球每年绕太阳一周。所以，如果在一年中的某个时候它朝着某一颗恒星移动，六个月后它就会远离同一颗恒星。由于地球的靠近，我们可能会看到一些恒星在整个春天变得更亮，然后在整个秋天变得更暗。这种效应有一个名字:视差．但没人能看到视差。哥白尼对此有一个解释:与恒星的距离相比，地球的轨道一定像一个小点。就恒星而言，地球轨道的大小可以忽略不计，而地球的运动实际上也可以忽略不计。正如哥白尼所说，“恒星之间不存在这种(视差)现象，这说明它们在一个巨大的高度之外，这使得(地球的)年度运动圈或它的图像消失了。”

一个问题在于这个微不足道的尺寸和巨大的距离。视力好的人仰望天空时，看到的星星都是小圆点，大小虽小，但可以测量。追溯到公元二世纪的托勒密时期的天文学家们已经确定，那些比较突出的星点的直径大约是圆形月亮直径的十分之一到二十分之一。在在新星上开普勒说，明亮恒星的直径是月球的十分之一，天狼星的直径略大一些。问题是，当我们在天空中看到一颗看起来是月亮直径十分之一的星星时，只有当它与我们的距离与月亮相同时，它才会是月亮真实物理直径的十分之一。但是星星比月亮更遥远。如果那颗恒星比月球远10倍，那么它的真实大小将与月球相同——由于距离更大，它看起来只有月球的十分之一大小。如果这颗恒星的距离再远100倍，它的真实直径将是月球的100倍。如果它距离月球的距离是月球的1000倍，那么它的实际大小将是月球的1000倍。

如果这颗恒星，直径只有月球的十分之一，达到了哥白尼理论所要求的没有视差的距离呢?开普勒说，这颗恒星将和土星的轨道一样大。天空中最后一颗可见的恒星至少会和地球的轨道一样大。即使是最小的恒星也比太阳大几个数量级。这对今天的我们来说可能很奇怪，因为我们现在知道恒星有很多大小，虽然很少有比地球轨道大的(猎户座的参宿四是一个突出的例子)，但绝大多数是“红矮星”，远远超过了太阳。然而，在开普勒的时代，这只是一个简单的观察、测量和数学问题——这些都是科学中常见的东西。当时的天文学家相信哥白尼，相信测量数据，相信数学，就必须相信所有的恒星都是巨大的。(稍后我们将进一步讨论他们的错误所在)。

巨大恒星的存在是如此可靠，以至于测量它们的细节都无关紧要。Johann Georg Locher和他的导师Christoph Scheiner在他们1614年的天文学书中很好地总结了巨星问题探讨Mathematicae或数学事业．他们写道，在哥白尼的理论中，地球的轨道就像宇宙中的一个点;但是星星的大小是可以测量的，比点还大;因此，在哥白尼的宇宙中，每一颗恒星都一定比地球的轨道大，当然也比太阳本身大得多。

人们在科学的黑暗中看到阴谋机构的手，我们不应感到惊讶。

由于这些巨大的恒星，Locher和Scheiner拒绝了哥白尼的理论，而支持布拉赫的理论。这个理论与最新的望远镜发现相一致，比如金星的相位表明它是围绕太阳转的。在布拉赫的理论中，这些恒星并没有那么远——就在土星之后。一个开普勒时代的天文学家相信布拉赫，相信测量数据，相信数学，他做到了不必须相信恒星是巨大的。(布拉赫计算出它们的大小介于较大的行星和太阳之间。)对于许多天文学家来说，包括第一个提出这个问题的布拉赫本人，Locher和Scheiner并不孤单，这些巨星实在是太多了。

但开普勒对巨型恒星没有问题。对他来说，它们是整个宇宙结构的一部分;开普勒发现了行星轨道上的椭圆和行星布局上的柏拉图立体，他总是密切关注结构。他把这些巨大的恒星看作是上帝的力量和上帝将宇宙凝聚在一起的意图的例证。在讨论宇宙的各个部分——恒星、太阳系(开普勒称之为“可移动物”的系统)和地球——时，劳伦斯的言辞在新星上几乎可以达到诗歌的水平，甚至在翻译中。

有了规模，就有了完美，有了高贵，就有了体积。根据哥白尼的说法，恒星的球体肯定是最大的;但它是惰性的，没有运动。接下来是动产领域。现在，这个比它小得多，比它神圣得多的东西，已经接受了这个令人钦佩的、井然有序的运动。然而，那个地方既不具备活跃的能力，也不具备理性，也不到处活动。只要移动，它就会移动。它没有发展，但它保留了从一开始给它留下的印象。它不是什么，它永远不会是。它是什么，并不是由它制造的——它的耐久性和它被建造的一样。 Then comes this our little ball, the little cottage of us all, which we call the Earth: the womb of the growing, herself fashioned by a certain internal faculty. The architect of marvelous work, she kindles daily so many little living things from herself—plants, fishes, insects—as she easily may scorn the rest of the bulk in view of this her nobility. Lastly behold if you will the little bodies which we call the animals. What smaller than these is able to be imagined in comparison to the universe? But there now behold feeling, and voluntary motions—an infinite architecture of bodies. Behold if you will, among those, these fine bits of dust, which are called Men; to whom the Creator has granted such, that in a certain way they may beget themselves, clothe themselves, arm themselves, teach themselves an infinity of arts, and daily accomplish the good; in whom is the image of God; who are, in a certain way, lords of the whole bulk. And what is it to us, that the body of the universe has for itself a great breadth, while the soul lacks for one? We may learn well therefore the pleasure of the Creator, who is author both of the roughness of the large masses, and of the perfection of the smalls. Yet he glories not in bulk, but ennobles those which he has wished to be small.

最后，通过这些从地球到太阳，从太阳到土星，从土星到恒星的间隔，我们可以逐渐学会提升，认识到神的力量的无限。

其他哥白尼主义者也赞同开普勒的观点。哥白尼主义者，如托马斯·迪格斯，克里斯托夫·罗斯曼和菲利普·兰斯伯根，用上帝的力量，上帝的宫殿，天使的宫殿，甚至上帝自己的战士来谈论巨星。哥白尼本人在讨论恒星的巨大距离时曾援引上帝的力量，指出“最优秀、最伟大的艺术家的神来之笔是多么美妙。”

反对哥白尼的人没有被说服。Locher和Scheiner指出哥白尼的“小黄人”并没有否认在哥白尼的宇宙中恒星必须是巨大的。“相反，”两位天文学家写道，“他们继续说，从这一点上，每个人都可以更好地感知造物主的威严。”他们称这种想法“可笑”。一位反哥白尼的天文学家，乔瓦尼·巴蒂斯塔·里奇奥里(Giovanni Battista Riccioli)写道，召唤神的力量来支持一个理论，“不能让更谨慎的人满意”。另一个人，Peter Crüger，在谈到恒星的大小时评论道:“我不明白毕达哥拉斯或哥白尼的宇宙体系是如何存在的。”

科学压制的故事，而不是科学动力的故事，并没有很好地为科学服务。

反哥白尼主义者不仅仅是说“不”的政党。Locher和Scheiner报告了望远镜的发现。他们敦促天文学家进行系统的望远镜观测，以便利用木星卫星的日食来测量到木星的距离，并利用土星的“随从”(目前还不知道是光环)来探测土星的运动。他们找到了地球如何围绕太阳运行的解释:不断地向太阳坠落，就像铁球不断地向地球坠落一样。(这一见解出现在牛顿诞生的几十年前，牛顿给了我们关于轨道是一种坠落的现代解释，他通过从山顶发射一颗炮弹来解释轨道。)他们还研究了地球自转如何影响下落物体和抛射物的轨迹。事实上,其他17世纪anti-Copernicans像Riccioli进一步发展这一观点,理论对今天我们称之为“科里奥利效应”(熊的名字科学家描述了它在19世纪),并认为没有任何这样的效果是另一个证据表明地球事实上不动。

当我们在学校学习哥白尼革命的时候，我们没有听到关于恒星大小和科里奥利效应的争论。我们听到的是一个不那么科学动态的故事，在这个故事中，像开普勒这样的科学家努力看到科学正确的观点战胜强大的、根深蒂固的、顽固的机构。今天，尽管科技和知识取得了进步，科学仍面临着一些人的拒绝，他们声称科学受到了恶作剧、阴谋或强大机构压制数据的困扰。

但哥白尼革命的故事表明，科学从诞生之日起就是一个动态的过程，辩论双方都有好的方面和坏的方面。直到开普勒之后的几十年在新星上还有Locher和Scheiner的数学事业天文学家开始发现证据，表明他们测量的恒星大小，无论是用眼睛还是早期的望远镜，都是虚假的光学效应，恒星在哥白尼的宇宙中不需要那么大。

当通常的哥白尼革命以清晰的发现为特色，受到强大机构的反对时，我们不应该惊讶于有些人期望科学能产生快速、清晰的答案和发现，并在科学的黑暗中看到阴谋机构的手。我们可能都有一个更为现实的期望科学的工作如果我们知道哥白尼革命特色科学给予和获得动态,与聪明的演员在当时共发现和进步时断时续,有时导致盲点,如开普勒的巨星。当我们明白是否地球移动的简单的问题提出科学挑战性的问题很长一段时间,即使面对新想法和新仪器,然后我们将更好地理解今天的科学问题可能会产生复杂的答案,而这些只有在适当的时候。

克里斯托弗·m·格兰尼是本书的作者数学专题论文:伽利略不朽的论文集，Locher和Scheiner拉丁语原著的翻译他鼓励对人文学科的支持，因为科学需要拉丁学者和历史学家，他们在翻译和分析早期科学著作方面比物理学家做得更好。