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科学革命之 天文学 哥白尼《天球运行论》提出日心模型
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2022.06.18 广东

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尼古拉·哥白尼是他那个时代最伟大的人之一。他是一位数学家、天文学家、法学家、内科医生、古典学者、州长、行政长官、外交官、经济学家和军人。在他广泛的成就中,他把天文学当作一种业余爱好。然而,正是由于他在天文学和宇宙学方面的工作,他被铭记并作为人类历史上最重要的科学人物之一。他的划时代的著作《天球运行论》(De revolutionibus orbium coelestium)中提出了日心模型,这通常被称为哥白尼革命不仅对科学和宇宙学,而且对神学、哲学文化,以及宗教和科学之间的关系,都有重要而深远的影响被誉为“科学革命”的开

 哥白尼(1473-1543)
  

哥白尼时间轴

人物生平
1473年哥白尼(Nicolaus Copernicus,1473年2月19日-1543年5月24日)出生于托伦(索恩)。由于地理和历史的不确定性,哥白尼是德国还是波兰仍然是一个有争议的问题。现代观点是他是一个德国波兰人。他的父亲一个富有铜制品的商人哥白尼十岁时去世了。人们对他的母亲芭芭拉·沃特佐罗德知之甚少,她似乎先于丈夫去世。哥白尼的舅舅卢卡斯·沃赞罗德是一名教会教士(低于主教的行政职位),后来成为瓦米亚的主教总督,在他父亲死后抚养了哥白尼和他的三个兄弟姐妹。他舅舅的职位帮助哥白尼在教会内部从事宗教事业,使他能够花时间进行天文学研究。哥白尼有一个兄弟和两个姐妹:
安德烈亚斯,他成为了弗劳恩堡的一名牧师
芭芭拉,她成为了一名本笃会修女
卡瑟琳娜,她嫁给了商人兼市议员巴塞尔·格特纳
 
1491年,哥白尼进入克拉科夫的雅吉隆大学学习,在那里他可能第一次遇到了天文学,由他的老师阿尔伯特·布鲁泽夫斯基教授。在克拉科夫待了四年之后,又在托伦短暂呆了一会儿,他去了意大利,在博洛尼亚大学和帕多瓦大学学习法律和医学。他的主教舅舅资助了他的教育,并希望他也能成为一名主教,但他的兴趣主要在天文学

1496年,哥白尼来到文艺复兴的策源地意大利,波伦亚大学(Bologna University学习“教会法”期间,哥白尼遇到了著名的天文学家多梅尼科·玛丽亚·诺瓦拉·达·费拉拉。哥白尼参加了他的讲座,并成为了他的弟子和助手,同他一起研究月球理论。他开始用实际观测来揭露托勒密学说和客观现象之间的矛盾他发现托勒密对月球运行的解释,正像雷吉蒙腾所指出的那样,一定会得出一个荒谬的结论:月亮的体积时而膨胀时而收缩,满月是膨胀的结果,新月是收缩的结果。

1497年,哥白尼的舅舅被任命为瓦尔米亚的主教,哥白尼被任命为弗劳恩堡大教堂的牧师,但他在意大利,直到1500年才就任。哥白尼去了罗马,1497年3月9日,哥白尼和玛利亚一起进行了一次著名的观测。那天晚上,夜色清朗,繁星闪烁,一弯新月浮游太空。他们站在圣约瑟夫教堂的塔楼上,观测“金牛座”的亮星“毕宿五”,看它怎样被逐渐移近的娥眉月所掩没。当“毕宿五”和月亮相接而还有一些缝隙的时候,“毕宿五”很快就隐没起来了。他们精确地测定了“毕宿五”隐没的时间,计算出确凿的数据,证明那一些缝隙都是月亮亏食的部分,“毕宿五”是被月亮本身的阴影所掩没的,月球的体积并没有缩小,哥白尼把托勒密的地心说打开了一个缺口。
 
他似乎在1501年访问了弗劳恩堡,刚到任,就请求并获得许可返回意大利完成他在帕多瓦(瓜里科和弗拉卡斯托罗)和费拉拉(乔瓦尼·比安奇尼)的学业,1503年他在那里获得了教会法博士学位。人们认为,他在帕多瓦遇到了西塞罗和柏拉图关于古人对地球运动的观点,并形成了他自己的未来理论的第一个直觉。他开始收集与他的理论相关的与他的理论有关的观察和思想。
 
位于华沙波兰科学院的哥白尼塑像,伯特尔·索瓦尔森
他在结束学业后离开意大利,来到弗罗恩堡生活和工作。在他回到瓦尔米亚之前的一段时间,在西里西亚的布雷斯劳的圣十字学院教堂得到了一个职位,并在他去世前几年辞职。他在余生业余时间中进行天文观测和计算,天文从来没有作为一种职业。
 
哥白尼多年来与普鲁士饮食协会合作研究货币改革,并发表了一些关于货币价值的研究。作为瓦尔米亚的州长,他负责管理税收和处理司法事务。正是在这个时候(从1519年开始,托马斯·格雷沙出生),哥白尼提出了现在被称为格雷沙定律的理论的最早迭代之一。在这些年里,他还代表瓦米亚王子主教广泛从事政府事务和作为外交活动
 
约在1514年,哥白尼为阐述自己关于天体运动学说的基本思想撰写了篇题为《尼古拉·哥白尼关于他自己建立的天体运动假说的短论》的论文,他认为天体运动必须满足以下七点:
1、不存在一个所有天体轨道或天体的共同的中心。
2、地球只是引力(?当时有引力概念?)中心和月球轨道的中心,并不是宇宙的中心。
3、所有天体都绕太阳运转,宇宙的中心在太阳附近。
4、日地距离同天穹高度之比,就如同地球半径同日地距离之比一样渺小。地球到太阳的距离同天穹高度之比是微不足道的。
5、在天空中看到的任何运动,都是地球运动引起的。
6、在空中看到的太阳运动的一切现象,都不是它本身运动产生的,而是地球运动引起的。地球带着大气层,象其他行星一样围绕太阳旋转。由此可见,地球同时进行几种运动。
7、人们看到的行星向前和向后运动,是由于地球运动引起的。地球的运动足以解释人们在空中见到的各种现象了。
此外,哥白尼还描述了太阳、月球、三颗外行星(土星、木星和火星)和两颗内行星(金星、水星)的视运动。
此后,他继续为进行更详细的工作收集证据。在日耳曼骑士团和波兰王国之间的战争期间(1519-1524年),哥白尼率领的皇家军队,成功地保卫了阿伦斯坦(奥尔斯廷)。
 
1533年,艾伯特·威德曼施塔特在罗马发表了一系列讲座,概述了哥白尼的理论。包括教皇克莱门特七世在内的几位天主教红衣主教饶有兴趣地观看了这些讲座。到1536年,哥白尼的作品已经达到了明确的形式,一些关于他的理论的谣言已经传到了整个欧洲的受过教育的人们身上。哥白尼欧洲大陆的许多地方都收到了出版的邀请。在一封日期为1536年11月1日罗马红衣主教尼古拉·尚伯格写的信件中求哥白尼更广泛地交流他的想法,并为自己索取一份副本因此,博学的人,但愿没有不当,我热情地请交流你的发现,并尽快送我你关于宇宙的理论,连同星表和其他与这个主题有关的东西。”一些人认为,这封信可能使哥白尼对其发表文章持怀疑态度,而另一些人则认为,这封信表明,教会希望确保他的思想被发表。
 
尽管有许多人的坚持,哥白尼一直推迟他的书的出版,可能是由于害怕当局对他的革命性工作的批评。1539年,来自威滕贝格的伟大数学家格奥尔格·约阿希姆·来提克斯弗劳恩堡时,他还在写作他的著作。菲利普·梅兰克森安排莱提克斯拜访几位天文学家,和他们一起研究。莱提克斯成为哥白尼的追随者,并与他一起呆了两年,在此期间,他写了一本书,Narratio prima》,概述了该理论的本质。
 
1542年,莱提克斯以哥白尼的名义发表了一篇关于三角学的论文(后来收录在《运行论》的第二本书中)。在莱提克斯的强烈压力下,哥白尼第一次收到他的作品,最终同意把这本书交给他的亲密朋友库尔姆主教蒂德曼·吉斯,交莱提克斯在纽伦堡印刷出版商奥西安德。
 
传说,1543年,第一份印刷《天球运行论》在哥白尼去世的那天放在他手中他从中风的昏迷中醒来,看着自己的书,然后死去了
 
哥白尼被埋葬在弗劳恩堡大教堂。2005年8月,杰西·加索夫斯基领导的一个考古学团队,在大教堂的地板发现了一架遗骸。法医专家利用这个头骨重建了一张与这些特征非常相似的脸——包括鼻子和左眼上方的伤疤。专家们还确定,这个头骨属于一名大约70岁时死亡的男子,这与哥白尼的年龄相仿。坟墓的状况很差,并不是所有的遗都被发现。加索夫斯基说,“几乎百分之百确定这是哥白尼”。
 

弗劳恩堡大教堂

哥白尼的日心说
哥白尼在他的书的早期手稿中引用了阿里斯塔库斯和菲罗劳斯的话,他说:“菲罗劳斯相信地球是运动的,有些人甚至说萨摩斯的阿里斯塔库斯也有这种观点。”。哥白尼的灵感不是来自对行星的观察,而是来自对两位作者的阅读。

哥白尼的主要理论发表于1543年,这本书标志着从托勒密以来的宇宙地心视角转变的开始。哥白尼认为,太阳固定不动,地球是一颗行星,每年围绕着太阳旋转一次,每天绕轴旋转一次。他得出了已知行星的正确顺序,并通过地球旋转轴位置的缓慢变化,正确地解释了二分二至点的进动。他还清楚地解释了季节形成的原因

哥白尼系统并没有任何比托勒密的模型得到更大的实验支持。哥白尼意识到了这一点,并不能在他的手稿中提出任何观察性的“证据”,而是依靠关于什么将是一个更完整和优雅的系统思辨。哥白尼把太阳放在天的中心,但他把它放在宇宙中心的附近而不是宇宙的中心。哥白尼用同心圆取代了托勒密的体系,因为这样看起来更简洁,哥白尼的系统只显示出均匀的圆周运动,纠正了他所认为的托勒密系统中主要的不优雅
 
当出版时,哥白尼的朋友路德教会神学家奥西安德的写了一篇序言。奥西安德说,哥白尼关于他的太阳中心、而地球运动的学说仅仅是一个数学假设,而不是一个包含真理甚至可能性的解释。

哥白尼这本书献给教皇保罗三世,解释他写这本书动机是因为早期天文学家的模型无法适应不同的行星观察数据,并指出他的模型增加了天文预测的准确性,能够使教会开发一个更准确的日历。当时,对儒略历的改革被认为是必要的,这也是教会资助天文学的主要原因之一。
 
这部作品共分六卷
第一卷 鸟瞰式地介绍了宇宙的结构。在论证的开始,哥白尼列举了许多观测资料来证明地球是圆形的环球航行的消息?。接着他指出了地球呈圆状的理由。他说:“所有的物体都倾向于将自己凝聚成为这种球状,正如同一滴水或一滴其他的流体一样,总是极力将自己形成一个独立的整体。”“物体呈球状的原因在于它的重量,即在于物体的微粒或者说原子的一种自然倾向,要把自己凝聚成一个整体,并收缩成球状。”他对这个问题的解答,给一百多年以后牛顿发现万有引力开辟了道路。
第二卷 介绍了有关的数学原理,其中平面三角和球面三角的演算方法都是哥白尼首创的。这里陈述了三角形的规则,即从三角形的已知某些边和角去推算其他边和角的规则。这包括了三边是直线的平面三角形和三边是球面上圆弧作成的球面三角形。
第三卷 用数学描述地球的运动,是恒星表。
第四卷 介绍地球的绕轴运行和周年运行。
第五卷 论述了地球的卫星——月球。哥白尼非常重视研究月球,特别是月食。他认为在月食的时候,人们可以从月球、地球和太阳的相对位置,得到关于宇宙的真实结构的暗示。“当宇宙别的部份都是澄明的和充满日光的时候,所谓黑夜就不是什么别的东西,而只是地球本身的阴影。这个阴影形成一个圆椎形,尾端尖削。月亮一接触到这个阴影,就会失去光泽,而当它出现在阴影正中央时,它的位置正好和太阳相对。”
第六卷 他的最后一卷准备写关于行星运行的理论。
 

哥白尼的假设,手稿第34页,奥地利国家图书馆
  

 哥白尼的宇宙模型,公元1520-41
 
哥白尼革命的影响
哥白尼的时代,宗教还是至上的,科学家们努力发现的自然法则和原则,源自造物主,他通过这些原则来工作。哥白尼自己也相信上帝的存在。从1543年出版到1700年左右,很少有天文学家完全相信哥白尼系统,尽管这本书相对广泛地流传(已知大约500本仍然存在,以当时的科学标准来看,这是一个很大的数字)。然而,许多天文学家以牺牲其他理论的利益为代价,接受了这个理论的某些方面,他的模型确实对后来的科学家产生了很大的影响,如伽利略和约翰内斯·开普勒,他们接受、支持并(尤其是在开普勒的情况下)寻求改进它。伽利略对金星相位的观察为哥白尼的理论提供了第一个观测证据。
 
哥白尼的日心宇宙论,与托勒密的地心宇宙学形成对比。日心说几乎被普遍认为是历史上最重要的科学假设之一,并且在人类知识史上具有非凡的重要性。它标志着现代天文学和现代科学的起点,它通常被称为哥白尼革命;它被认为是“科学革命”的开端。除了对科学、天文学和宇宙学的重要性外,哥白尼革命还对宗教、神学和哲学有着深远的影响。
 
Goethe:"Of all discoveries and opinions, none may have exerted a greater effect on the human spirit than the doctrine of Copernicus. The world had scarcely become known as round and complete in itself when it was asked to waive the tremendous privilege of being the center of the universe. Never, perhaps, was a greater demand made on mankind—for, by this admission, so many things vanished in mist and smoke! What became of our Eden, our world of innocence, piety and poetry; the testimony of the senses; the conviction of a poetic—religious faith? No wonder his contemporaries did not wish to let all this go and offered every possible resistance to a doctrine which in its converts authorized and demanded a freedom of view and greatness of thought so far unknown, indeed not even dreamed of."
歌德的评论在所有的发现和观点中,没有一个比哥白尼学说对人类精神产生更大的影响。地球证明是完整的圆,哥白尼就要求放弃作为宇宙中心的巨大特权。也许从来没有比人类更大的奢求——因为,如果承认,那么多的东西就将在烟雾中消失!我们的伊甸园,我们的天真、虔诚和诗歌的世界;感官的见证;对诗意和宗教信仰的信念?难怪他的同时代人不希望放弃这一切,对这种观念提出一切可能的反对,因为它改变了既往观念、它要求天马行空的自由和前所未空的伟大,事实上甚至没有梦见过
 

尼古拉·哥白尼
摘自克里斯托夫·哈特诺奇的著作《新普鲁森》(1684年),将尼古拉·哥白尼描绘成一个圣洁而谦逊的人物。哥白尼在十字架和天体之间,这是他的职业和工作的象征。这位天文学家下面的拉丁文是教皇皮乌斯二世对基督受难的颂歌:“我不请求保罗,也不请求彼得寻求宽恕,而是在十字架木头上,我诚挚地祈祷。
 

哥白尼的雕像,位于克拉科夫的雅吉隆大学的新学院旁边
  

一幅公元19世纪尼白尼的画作
 

进一步阅读

哥白尼的作品
· The complete works of Copernicus are collected in On the Revolutions, ed. and trans. by Edward Rosen (1978, reissued 1992), and Minor Works, ed. and trans. by Edward Rosen and Erna Hilfstein (1985, reissued 1992). Three Copernican Treatises, trans. by Edward Rosen (1971) contains, in addition, a biography and a bibliography of works on Copernicus from 1939-70.
哥白尼传记
· Adamczewski, Jan, and Edward J. Piszek. Nicolaus Copernicus and His Epoch. Scribner, 1974. ISBN 978-0684138398
· Rosen, Edward. Copernicus and the Scientific Revolution. Malabar, FL: Krieger, 1884. ISBN 978-0898745733
关于哥白尼及其作品的研究文献
· Armitage, Angus. The World of Copernicus. New York, NY: Mentor Books, 1951. ISBN 0846409798
· Blumenberg, Hans. The Genesis of the Copernican World. The MIT Press, 1989. ISBN 978-0262521444
· Dreyer, J. L. E. A History of Astronomy from Thales to Kepler. Dover Publications, 2011. ISBN 978-0486600796
· Gingrich, Owen. The Eye of Heaven: Ptolemy, Copernicus, Kepler. Springer, 1997. ISBN 978-0883188637
· Gingrich, Owen. The Book Nobody Read. Penguin Books, 2004. ISBN 0143034766
· Goodman, David C., and Colin A. Russell (eds.). The Rise of Scientific Europe, 1500-1800. Dunton Green, Sevenoaks, Kent: Hodder & Stoughton: The Open University, 1991. ISBN 034055861X
· Hoyle, Fred. Nicolaus Copernicus: An Essay on His Life and Work. Harper & Row, 1973. ISBN 978-0060119713
· Koyre, Alexander. The Astronomical Revolution. Dover Publications, 1992. ISBN 0486270955
· Kuhn, Thomas. The Copernican Revolution: Planetary Astronomy in the Development of Western Thought. Cambridge, MA: Harvard University Press, 1985. ISBN 0674171004
· Kuhn, Thomas. The Structure of Scientific Revolutions. Chicago, IL: The University of Chicago Press, 1996. ISBN 978-0226458083
· Lindberg, David C. (ed.). Science in the Middle Ages. Chicago, IL: University of Chicago Press, 1978. ISBN 978-0226482330
· Nebelsick, Harold P. Circles of God: Theology and Science from the Greeks to Copernicus. Scottish Academic Press, 1985. ISBN 978-0707304489
· Westman, Robert S. (ed.). The Copernican Achievement. Univ of California Press, 1976. ISBN 978-0520028777
网络资料参考
· Armitage, Angus. The World of Copernicus. New York, NY: Mentor Books, 1951. ISBN 0846409798
· https://www.britannica.com/biography/Nicolaus-Copernicus
· https://www.mentalfloss.com/article/533458/facts-about-nicolaus-copernicus
· https://www.discoverwalks.com/blog/germany/top-10-facts-about-nicolaus-copernicus/
· https://totallyhistory.com/nicolaus-copernicus/
· https://www.space.com/15684-nicolaus-copernicus.html
· https://www.newworldencyclopedia.org/entry/Nicolaus_Copernicus
· https://www.khanacademy.org/humanities/big-history-project/big-bang/how-did-big-bang-change/a/nicolaus-copernicus-bh
· http://scihi.org/nicolaus-copernicus-heliocentric/
· https://www.worldhistory.org/Nicolaus_Copernicus/
· https://plato.stanford.edu/entries/copernicus/
· https://www.history.com/topics/inventions/nicolaus-copernicus
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