地心说和日心说只是参考系不同吗

黄辉

在古代，人们对于天体的运动存在着地心说和日心说两种看法.地心说认为地球是宇宙的中心，太阳、月亮以及其他行星都绕地球运动.它符合人们的直接经验.日心说认为太阳是静止不动的，地球和其他行星绕太阳运动.在万有引力定律的教学中，学生提出，地心说和日心说是不是只是参考系不同，它们本质上没什么差别？

确实，地心说和日心说参考系变化一下，好像对我们的生活也没什么影响.对于生活在地球上的人，太阳东升西落，地心说更符合我们的常识.但是，哥白尼打破的正是这种观念，有时候看到的不一定是真的，要透过表象，深入自然的最精深微妙的核心，人的认识必须在理性的引导下前行.

日心说的建立开辟了人类认识世界的一个新纪元.正是在这样的思想影响下，当托里拆利看到空气托起一段水银柱时，就会理性去思考.科学的影响，既在成果，更在精神.

1 数学模型的建构

日心说或者地心说的争论，关键在于，我们谈论的对象不再是我们的感官所直接把握的东西.我们没办法“去看看”，认识不再是对感官提供的感性资料的整理和解释，而表现为一种“理性-感觉”的高度综合的过程.

在描述天文现象上，人们很早就知道一年四季不是平均地各占全年长度的四分之一.这就发生了问题，如果星体是匀速运动，那轨迹就不可能是圆；如果其轨迹是圆，那它的运动就不可能是匀速的.要同时照顾到这两端，托勒密所做的，就是用匀速圆周运动的叠加.即本轮-均轮模型，地球处于被称作均轮的一个大圆的中心，另有一个小圆，托勒密称之为本轮，其圆心沿这个大圆的圆周运动，而星体则在这个小圆的圆周上运动.

如果只是太阳和地球两个天体，他们互为参考系，都是在做圆周运动.但是，地球实际上是在做椭圆运动，太阳处在椭圆的一个焦点上.而且考虑到太阳系的其他行星，用相对运动考虑，对地心说，必须将地球的绕日运动和自转分别加在所有的行星上.这样，其数学描述必然复杂.

随着观测工具的改进，观测的现象也更为精细.太阳在黄道上运动有快有慢，行星还有一种从西向东的运动，持续时间或长或短，天文学上称为“逆行”.偏心圆和本轮-均轮模型给出的结果都不能尽如人意.为了做出和现象相合的数据，托勒密任意的改动模型——由匀速圆周到偏心圆和本轮均轮模型，再到偏心匀速点和偏心等距点等复杂概念.

托勒密的模型太复杂，但哥白尼坚信宇宙和自然是美的，而美的东西一定是简单与和谐的.走出困境的办法是赋予地球运动.

2 物理现象的分析

根据第谷的观测数据，木星、木星和火星等行星的运动在远离太阳时是变慢了，而在移向太阳时确实是加快了.开普勒得出了一个结论，即太阳显然是这种推动力的来源.太阳是整个太阳系运动的源泉.因此太阳作为这个体系的中心更合适.

地球的运行周期是365天，恰好介于火星的687天 和金星的225天之间，和三个行星到太阳的距离远近也对应. 太阳处于这些行星的中心也更加合适.

月球确实是以地球为中心绕地球运动，望远镜的发明，让伽利略发现有四颗星星绕木星运行，同时又以十二年为周期，画出巨大的绕日运行的轨道.原来地球不是唯一的，被特别选中的、拥有卫星的星球.地球连同作为卫星的月球，一同作绕日运动，并不是不可想象的.地球和太阳系的别的行星一样，不是特别的一个，不是中心. 伽利略也发现金星的位相，也是对金星绕太阳运动的一个支持.

在数学推演中，物理意义始终是指引前进方向的标志.对天体运动的物理原因的追寻才是正确的方向.

3 力学机理的探究

为了解释观测到的现象，科学家引入了不同的理论.不能只追求数学模型，而放弃物理本质和物理机制.我们探询自然，就是要问他的根源.物体通过磁力和电场力的吸引而相互作用，除此以外还可能有更多种的吸引力.牛顿发现的万有引力定律使我们能从物理的本质上考虑这些现象.不过当时有些人认为力，看不到，摸不着，不是一件东西，当然不能成为实证科学研究的对象.牛顿看到的是，力的作用和结果，是可以感知和可以验证.

具体计算月球的向心力，证明正是这一个力，使得月球留在它的轨道上，即不飞离、也不落向地球.而且这个向心力和万有引力都遵循平方反比，且指向地球中心.这就证明了月球为地球所吸引，月球绕地球运动.

而太阳系的行星也在适当的轨道上运动.需要的向心力，反比于这些行星到太阳中心距离的平方.也说明正是由于太阳对这些行星的万有引力的作用，使得这些行星绕太阳运动.即太阳是这些行星的中心.

4 理论的检验-预测现象

要从严格的科学意义上确立这一学说，必须细致地阐明天体运动的机制，必须从物理上说明天体的运动并给出可以验证的证明.

牛顿建立了一个以力为核心概念的物理学体系，给出了运动机制，解释了从现象中归纳出来的经验定律.理论值和观测值的对比所表现出的一致，强有力地表明，最初对现象的归纳，以现象为基础的假说，对这一假说所作的物理分析，以及整个过程中时时运用的推理法则，全部为真. 如果理论能够提供一种预期，而不只是事后的验证，那就会显的更具有说服力.

最直接的证据，来自对彗星的预测.随着数学的长足发展，更精密地计算土星、木星之类质量巨大的行星对彗星回归的影响.使得对哈雷彗星的回归时间预测更加精确. 所以，1759年当哈雷彗星通过近日点.缓缓移动，俯瞰这个世界的时候，世界感受到的不是惊讶，而是一种欣喜.

5 日心说的确立和物理发展

如果不问论证和事实而盲目地接受日心说，恰是以一种信仰代替另一种信仰，以一种迷信代替另一种迷信，在本质上说，并没有把我们对于自然的认识从本质上推向前进.科学的本质不在于你接受日心学说还是接受地心学说，而是你为什么、凭什么接受某一种学说.日心学说最终取代地心学说，本质上不是一种图景替代了另一种图景，而是一种论证手段，分析和实证的方法，取代了以信仰为基础的论证；这一重大的改变，是真理标准的改变，是理性对于信仰的胜利.

这是科学第一次面对一个我们的感官所不能直接感知的对象，这在人类认识自然的历史上，没有先例.没有人可以看见地球是不是绕太阳转，我们只能想象，这就发生了真伪问题.由感官提供的直接的判断不再是自明的了，对与错不再是一般人依据常识就可以一目了然的了.什么叫“对的”，谁又是最后的评判呢？

先根据现象做出一种假设性的解释，这一解释必须能给出一种可以验证的预期，而如果这种预期在实验中能验证，那么先前的假设性解释即可确立为真，或者说“我们的理解是对的”.

这就构成了一种全新的认识方法，这种“观察-假说-推理-实验验证”的模式.

科学所留意的，不仅仅是科学活动的成果，而更加是人类认识的进程.科学探索未知领域，先是星空，再到原子，再到生命，建立理论的过程都很艰难，但也有相似.日心说的发展为人类认识的发展所提供的是一种多么深刻的借鉴.