第四章 为什么哥白尼的研究纲领取代了托勒密的研究纲领？

5 扎哈尔的新科学研究纲领方法论对哥白尼革命的论述

    我本来是这样解释的：如果一个预测与先前的预料、未受挑战的背景知识相冲突，尤其是，如果这个被预测的事实是竞争纲领所禁止的，我便将其定义为“新颖的”、“惊人的”或“戏剧性的”。最为出色的新颖事实是那些若没有预测到它们的理论，可能就永远不会观察到的事实。我所喜欢的这类预测的例子是哈雷慧星的回归、海王星的发现、爱因斯坦的光线弯曲和戴维森- 革末实验。这些预测都得到了证认（并因而戏剧性地支持了这些预测所根据的理论）。但根据这种看法，哥白尼纲领只是到了1616年才在经验上成为进步的！假如是这样，就很容易理解为什么哥白尼纲领的早期倡导者们，因为缺少业经证认的超余内容，便一味地强调其优越的“简单性”。

    有趣的是，伊利·扎哈尔改进了科学研究纲领方法论，它展示了一幅很不相同的画面。扎哈尔的改进主要在于他关于“新颖，事实”的新概念。他认为，尽管对水星近日点的说明作为一个低层经验命题是近百年来众所周知的，但却给了爱因斯坦的理论以判决性的经验支持、“戏剧性的证认”。按我原先的意义，这不是什么新颖事实，然而却是“戏剧性的”。但在什么意义上是“戏剧性的”呢？水星反常的近日点在爱因斯坦最初的设想中无关紧要，在这一意义上是戏剧性的。水星近日点的确切解决可以说是施瓦兹希尔德馈赠的一件出乎意料的礼物，这一结果是爱因斯坦纲领无意中产生的一个副产品。巴耳末公式在玻尔纲领中所起的作用跟这是一样的。玻尔最初的问题不是要揭示氢光谱的秘密，而是要解决核型原子的稳定性问题。因此，让我们暂且这样说，尽管巴耳末公式不是什么新颖事实，却给了玻尔的理论以“戏剧性的”证据支持。

    现在让我们看一下1543年时的情形，看看哥白尼纲领是否立即获得了扎哈尔意义上的新颖事实的支持。

    哥白尼的原始假说是，行星围绕太阳作匀速同心圆运动，月亮以地球为中心作本轮运动。扎哈尔声称有关行星运动的好几个重要事实是独到的哥白尼假设的直接推断。尽管这些事实先前就知道，但它们对哥白尼的支持多于对托勒密的支持。在托勒密体系中，只是以特设的方式通过修正参数，才应付了这些事实。

    哥白尼的基本模型和假设是，内行星的周期比地球的周期短，外行星的周期比地球周期长，据此可以先于任何观察地预测下列事实：

    （i）行星有停顿和逆行现象。

    让我们牢记，为了说明仔细观察到的停顿和逆行，欧多克斯的二十六个同轴天体都已被篡改了。而在哥白尼的纲领中，停顿和逆行完全是他的粗略模型的逻辑推断。而且，在哥白尼的纲领中，这还说明了从前令人迷惑而未被解决的行星亮度的变化。

    （ii）正如从地球上所见，外行星的周期是变化的。

    对托勒密来说，这一观察前提是很难说明的；而对哥白尼来说，这不过是一个理论上的小问题。

    （iii）如果天文学家以地球作为他的固定参考系的原点，他就要赋予每个行星以一种复合运动，而太阳的运动就是行星复合运动中的一部分。

    这是哥白尼模型的一个直接推断：原点的变更将太阳的视运动加到每一个其他运动天体的运动上了。

    对托勒密来说，这是仔细研究过事实之后非接受不可的一个宇宙偶然巧合。这样，哥白尼就说明了对托勒密来说不过是偶然结果的事情，就象爱因斯坦说明了惯性质量等于引力质量这个牛顿理论中的偶然巧合一样。

    （iv）内行星的距角是受限的，行星的（被计算出的）周期严格地随着它们与太阳的（可计算的）距离的增加而增加。

    为了说明金星离太阳的距角受限这一事实，托勒密不得不武断地假定地球、太阳和金星本轮的中心保持在同一直线上。按照扎哈尔的经验支持标准，金星的受限距角几乎没有或全然没有给托勒密体系什么支持。对哥白尼来说，他不需要任何特设的假设，他的理论蕴涵着：当且仅当一个行星的距角受限时，这个行星才是内行星。所以金星是一颗内行星。同样，火星是一颗外行星，因为它的距角是不受限的。如下所示，这一假说可独立地予以检验。令P为任一行星（外行星或内行星），令Tp为P的周期，TE为地地球的周期（即一年），tp为P的两次逆行的间隔时间。那么，简单的计算就可证明，既然行星P经过地球时发生逆行，Tp，TE和tp之间的下列关系便是成立的：

    如果P是一颗内行星，则：

       1/T_P-1/T_e=1/t_P

    如果P是一颗外行星，则：

       1/T_e -1/T_P =1/t_P

    注意：t_p是可测量的；T_E是已知的，等于一年。因此上述方程使我们能够计算出Tp。

    就外行星来说，由第二个方程可得出1/T_E＞1/t_p，也就是说T_E＜t_p。这样我们就能预测，如果一颗行星的距角是不受限的，那么该行星两次逆行的间隔时间就大于一年。这一事实尽管是众所周知的，却又是哥白尼纲领预测的一个新颖事实，因而也是被哥白尼纲领所“说明”的一个新颖事实。它支持了哥白尼纲领，而未支持托勒密纲领。诺伊杰鲍尔声称：“哥白尼对天文学的主要页献［是］确定了我们行星系的绝对尺寸。”这话是有道理的。

    一旦获得了行星的周期，哥白尼便继续计算这些行星与太阳的距离。库恩描述了一种这样的计算方法。行星的周期严格地随着它与太阳即哥白尼参考系的原点的距离的增加而增加。这是符合业经接受的背景知识的。托勒密纲领本身没有考虑到行星的距离，而只考虑到了行星的角运动。因此，确定行星的距离体现了哥白尼理论具有多于托勒密理论的超余内容。

    通过武断地作出下列规定，托勒密天文学也可能计算出行星的距离：

     r/R=本轮的半径/均轮的半径=内行星与太阳的距离（以地球的距离为单位）

    R/r=外行星的距离。

    这样就可以利用这些方程来计算行星与地球的平均距离。但这些方程是以特设的方式嫁接到托勒密纲领上的。人们发现，尽管水星、金星、太阳的周期大致一样，但它们距托勒密的原点即地球的距离却相差太远，这就违背了当时广泛持有的背景假说，即距离运动参考系的固定中心的距离愈远，周期也愈长。

    用一个历史的思想实验可能说明这些事实的证认力。让我们设想在1520年或更早的时候，我们对太空的所有知识是太阳行星相对于地球作周期性的运动；但，比方说，由于波兰的阴云天气，我们的观察记录寥寥无几，以致于我们从未从经验上搞清停顿和逆行。天文学家X由于崇拜太阳并相信柏拉图启发法，提出了哥白尼式的基本模型。天文学家Y遵循柏拉图启发法，但也遵循亚里士多德动力学，提出了相应的地心论模型：太阳和行星以地球为中心作匀速圆周运动。如果这样，后来在地中海沿岸所作的观察就会戏剧性地确认X的理论。相同的观察就会反驳Y的假说，并迫使Y采取一系列特设的策略（假如 Y没有灰心到立即放弃自己的纲领的话）。

    这样，扎哈尔的论述就说明了哥白尼的成就与托勒密相比构成了真正的进步。哥白尼革命成为一场伟大的科学革命，不是由于它改变了欧洲的世界观，也不是（如保罗·费耶阿本德所说的那样）由于它革命性地改变了人对自己在宇宙中的位置的看法，而只是由于它具有科学上的优越性。它还证明开普勒和伽利略接受日静论假设是有恰当的客观理由的，因为哥白尼的（甚至阿里斯塔克的）粗略模型已经比托勒密的竞争模型具有了超余的预测力。

    那么，哥白尼为什么不满足于他的《浅谈》一书呢？为什么他用了几十年的时间来完善他的体系，然后才发表呢？因为他不满足于仅仅使他的纲领进步，而想真正地取代托勒密纲领，也就是说，他不仅要预测托勒密体系没有“预测”到的“新颖”事实，他还想说明托勒密理论的一切真实推断。这就是他一定要写《天体运行论》的原因。但后来证明，除了他最初的成功之外，哥白尼只能用特设的方式，而且在其动力学方面，只能用极不令人满意的方式，来说明所有的地心论现象。所以，开普勒和伽利略起步于《浅谈》，而不是《天体运行论》。他们起步于哥白尼纲领活力耗尽之处。由于这一粗略模型的初始胜利及整个纲领的退化，开普勒放弃了它的旧启发法，并引进了一个以日心论动力学概念为基础的革命性的新启发法。

    让我以上述论述的一个小小的推断来结束本节，我预计你们当中至少有一些人会发现这一推断是不能接受的。我们的论述是严格内部主义的论述，没有提到库恩所珍视的文艺复兴精神；没有提到宗教改革和反改革的动乱；没有提到教士的影响；没有写明十六世纪资本主义的所谓兴起或真正兴起的任何影响；也没有涉及贝尔纳念念不忘的航海需要所产生的动机。整个哥白尼纲领的发展是严格内部的发展；有了哥白尼这样的天才，其纲领的进步部分在亚里士多德到托勒密之间的任何时间都可能出现，比如，在《大综合论》1175年译成拉丁文后的任何一年里都可能出现，或者，由于读了《大综合论》，九世纪中就可能由阿拉伯天文学家作出哥白尼的贡献。在哥白尼革命中，外部历史不仅是次要的，而且几乎是多余的。当然，教会闲职资助天文学的制度发挥了作用，但研究这个丝毫无助于我们对哥白尼科学革命的理解。