作者/黃家俊

哥白尼出生於一個富裕的商人家庭,父親是銅器的販售商,而母親來自波蘭—托倫當地頗具聲望的家族。只是在哥白尼10歲時,他的父親過世,哥白尼的舅父(Lucas Watzenrode the Younger)接受培養哥白尼的責任。哥白尼的舅父希望哥白尼好好學習法學與神學,期望未來能成為神職人員,在往後繼續讓家族保有在托倫一帶的勢力。

只是神學與法學一直都不是哥白尼的最愛,在大學期間,他醉心於天文學與數學的研究之中。他的舅父實在看不下去,對哥白尼說道:「我栽培你進大學可不是讓你成天著迷於星星的!」當然,哥白尼如同大多數的青年一樣,總能對親人的嘮叨當作耳邊風。

因緣際會下,哥白尼的舅父有了管道,讓哥白尼得以到義大利去學習法律與醫學,他的舅父相信義大利活躍的學術氣氛,應能鼓舞哥白尼認真進修。

「你這次一定要好好把法律修完,考到神職人員資格!」他的舅父再三囑咐哥白尼。

在義大利提升對天文學的認知

事與願違,義大利當時的風氣,反而讓哥白尼有更多的管道去接觸他最愛的天文學與數學。他買了諸多經典的天文學著作珍藏,其中包含了托勒密的《天文學大成》,以及一些評論《天文學大成》的書籍。

在仔細的研讀過程中,哥白尼認識了托勒密的地心說體系,但也發現有人抨擊托勒密的地心說。其中有段敘述質疑托勒密的模型太過複雜,但是預測月球運動行為的能力卻很不準確。

事情是這樣的,托勒密當時為了要解釋行星逆行的現象,引用了前人的「本輪與均輪」模型,但當時還有一個現象不容易解釋:古人量測月球與地球的距離時,發現這個距離其實有些微忽遠忽近的變化,對於一個沒有逆行現象、僅單純在本輪上繞著地球轉的星體來說,它與地球的距離應該不會變,也因此不會出現忽遠忽近的情形才對。

為了要解決這個問題,托勒密又在模型中加入「偏心點」的概念,也就是讓星體稍微移出理想的中心,也因為有這個偏移,使得星體繞地球公轉時,會有些許距離上的變動。本輪與均輪、加上偏心點的使用(圖一),讓托勒密得以解釋更多天文現象,但這個模型也變得非常複雜(圖二)。

圖一、托勒密模型的兩個設置。圖左為偏心點(eccentric)的設置,右圖則是設置本輪(黃色虛線)。白色實心圓是星體、白點為本輪中心、白色虛線則為星體公轉軌道(均輪)。

圖二、地心說體系下的星體複雜的運行軌跡。紅框分別標出地球(中心)、太陽(下方)與金星(上方)的位置。

「所以...真的是這樣嗎?」哥白尼不是傻傻接受人家的想法,而是開始思考到底誰的論述才是正確的。同樣熱愛數學的他,也開始規劃量測月—地距離的方法。直到1500年,有個絕佳機會出現了,因為那天出現了月食。

哥白尼與友人一同觀測月食,並藉由日—地—月相對位置的幾何關係進行計算,發現月亮的確沒有如托勒密所說的有變化。哥白尼心想:「連最容易觀測的月亮都預測不準,那托勒密的模型肯定有問題!」

亞里斯塔克給哥白尼的啟發

當哥白尼思索著托勒密的地心說哪裡出問題的時候,他偶然找到了一本書,是古希臘時期亞里斯塔克的著作。「宇宙的中心應該是太陽」,書中這樣描述,這個內容給了哥白尼新的靈感。

「如果托勒密連月亮的運行都解釋不清楚,或許他的理論根本連核心都有問題。那麼...」哥白尼思考,「如果把太陽變成宇宙的中心,那宇宙會變成什麼樣貌呢?」

善於計算的哥白尼開始將他所有蒐集到的觀測資料做詳細的計算,以太陽為宇宙中心的基本假設下,過去所說的五大行星(水星、金星、火星、木星、土星)應由西向東繞著太陽旋轉,地球也是行星之一,位於金星與火星之間,最外層則是那些更遙遠、永續發光的星星。太陽稱為恆星,永恆的在宇宙中心發光發熱。至於月亮比較特別,它是唯一繞著地球轉的星體,稱為衛星。(圖三)

圖三、哥白尼的日心說模型。

哥白尼接著要確認的是,這套模型是否能拿來解釋所有的天文現象呢?唯有將地心說所解釋的天文現象都成功用日心說來解釋,這個模型才是成功的。哥白尼於是很小心地去檢視。

「我們以前看到日、月、星辰東升西落,都以為是天體繞著我們轉」,哥白尼繼續說,「但如果太陽不會動,那麼地球就得自己由西向東轉動。」

接著哥白尼將太陽與月亮這兩個最常見的星體考量進來。「根據托勒密的說法,月亮的盈虧以及日月食,都是太陽與月亮繞地球旋轉時,日—地—月相對位置的改變造成」,哥白尼拿起手邊的物品,假想是太陽、月亮與地球,邊思考邊移動物品。

「但如果用我的模型來看,太陽不動,而是地球與月亮在動...誒看來一樣都能藉由日—地—月的相對位置變化來解釋呢!(圖四)」哥白尼越想越興奮,畢竟日心說能成功解釋的天文現象越來越多。

圖四、用日心說觀點解釋月相盈虧。

那麼,過往的世紀難題「行星逆行」呢?畢竟托勒密把本輪的概念帶入地心說、使模型會變成如此複雜,就是為了要解決行星逆行的問題。哥白尼抱持忐忑的心去確認日心說到底能不能解釋行星逆行,他繼續挪動桌上的物品充當太陽、地球、與火星。

「如果地球與火星同時繞著太陽轉動,那麼地球上的人看著火星原本是順行的,」哥白尼一邊喃喃自語、一邊移動著手上的物品,「但是繼續移動下去,因為地球移動的速度比火星快,所以當地球超過火星時,火星反而看起來向後移動!(圖五)」

哥白尼想到,這不就跟坐在加速前進的馬車上向外看,其他速度慢的馬車看起來往後退是一樣的道理!

圖五、用日心說解釋行星逆行。圖左側藍點為地球,紅點為火星。圖右側為火星投影在無限遠處的視運動軌跡。

哥白尼開心的合不攏嘴,因為他成功證明了日心說是合理的,而且它比地心說更加簡潔、美觀。只是他心知肚明,就算他證明了日心說合理,這個理論也不能隨便對外公開,因為當時地心說還是教會最深信不已的。如果他現在貿然發表,他想,教會肯定會出現嚴厲的反對聲浪。

「在我完全確定日心說沒有弱點之前,我不能隨便公開這個想法」,哥白尼對自己發誓。

坎坷的日心說發表之路

1514年,哥白尼為自己的日心說寫下初稿,畢竟如此興奮的發現,哥白尼還是想要找人分享。他將初稿偷偷轉給身邊友人閱讀,但總是會慎重提醒:「我這...就只是基於數學計算之下得到的初步結果,還不代表是正確的。」

接下來大概20年的時光,哥白尼都非常小心翼翼的修改著自己的初稿,並偶爾分享他的著作片段給外人看、試試水溫。或許是因為哥白尼的理論運用了大量的數學計算、文章艱澀難懂,他發現這些內容並沒有招來預期的可怕責難。一直到1543年,將近哥白尼快逝世之前,哥白尼才終於下定決心發表了影響後世甚大的《天體運行論》。

雖然哥白尼的日心說將宇宙的模型變得更加簡潔,但是他的理論並沒有說服大多數人,首先是信仰上,人們無法相信地球不是宇宙中心;再來,哥白尼的模型其實也無法精準的預測天文現象。

儘管如此,哥白尼的日心說仍然給了世人新的想像空間。而哥白尼日心說的不完善,在往後將有人進行修改,變得更加完整,並且使天文學的研究走向新的巔峰,那位重要的人物就是克卜勒。

參考文獻:

wikipedia-Nicolaus 

 Nicolaus Copernicus-Famous Scientists

Georg Joachim Rheticus

Wlodarczyk. J. (2007) solar eclipse overvations in the time of Copernicus: tradition or novelty?, JHA.