宇宙的奥秘 开普勒、伽利略与度量天空

1609年，伽利略·伽利雷和约翰内斯·开普勒突破了当时已知世界的边界。他们一人在威尼斯透过望远镜观察星辰，另一人在布拉格发现了行星运动定律。托马斯·德·帕多瓦以至今较少受到关注却扣人心弦的通信往来为基础，首次讲述了两位如此不同的科学家之间不对等的关系，以及他们如何在同样的时刻以各自的方式探索星辰的奥秘。

托马斯·德·帕多瓦，生于1965年，曾在波恩和博洛尼亚学习物理学和天文学，现居柏林，职业是自由撰稿人。截至目前，他已在皮柏出版社（Piper Verlag）出版过《儿童屋学院》（Die Kinderzimmerakademie）、《沙滩篷椅中的科学》（Wissenschaft im Strandkorb）、《晚8点后的知识》（Schlau nach acht）和《世界的奥秘》（Das Weltgeheimnis），后者是一部关于约翰内斯·开普勒和伽利略·伽利雷的作品，获得广泛关注。

谁破解了宇宙的奥秘？（译者序）／001

引 言／001
第一部分 目光透过望远镜
抛光镜片背后的世界
伽利略如何又一次发明了望远镜／009
一架数学的登天阶梯
开普勒的月亮之梦／045
新的宇宙
仰仗目力的伽利略／080
夜晚为什么会变暗？
开普勒与科学的伟大时刻／104
志在公侯之堂
伽利略教授成为宫廷哲学家／134
“让我们嘲笑众人的愚昧吧！”
开普勒热情洋溢的书信所获反响存疑／159
第二部分 意大利人和德意志人
琉特琴演奏家
伽利雷家中的音乐与数学／185
“我想要成为神学家”
开普勒的成长之路：从士兵之子到数学教师／208
试金天平
伽利略追随着阿基米德的足迹／234
天空与婚姻的秘密
开普勒从恒星中看出了什么／257
探索真理的伙伴
伽利略，秘密的哥白尼主义者／282
“伽利略，鼓足勇气，站出来吧！”
开普勒在科学的鲨鱼池中／310
第三部分 天堂和地狱之间
脑海中的曲线
开普勒如何发现他的行星运动定律／341
势不可当的崛起
伽利略处于权力中心／372
悬崖边缘
开普勒的命运年／395
致开普勒的最后一封信
伽利略和反对哥白尼的教令／423
不祥的彗星
战争期间：开普勒批判伽利略／450
分裂的天空
对伽利略的审判与近代宇宙观的诞生／484

附 录
时间表／533
人物索引／538
参考文献／543
图片来源／594
致 谢／595

     谁破解了宇宙的奥秘？（译者序） 1 你可曾记得，上次仰望天空是什么时候？当时是万里无云，还是电闪雷鸣？是月光皎洁，还是星河璀璨？ 亘古以来，无论海陆如何变迁，物种如何演进，日月出没、斗转星移这些天象似乎从未改变。在认知革命的过程中，智人面对博大和永恒的天空，抛出了一系列问题：天地为什么分开？太阳为什么发光？月亮为什么盈亏？星辰为什么如此排布？它们为什么运动不休？ 为了解答这一切，智人发展出五花八门的神话传说。原始信仰要求敬畏上苍、崇拜日月，多神论视星辰为神祇，一神论认为天堂是造物主的居所。天不仅是存在的完美形式，也隐含着存在的终极目的。探究天空是最神圣的事业，假如它没有因为过于神圣而被禁止的话。 初看上去，天空的变化似乎很有规律。古人不但根据星辰的运动规定了时间单位和空间方位，而且掌握了用数学推算天象的方法。但在进一步观察和计算之后，人们发现天象并不简单：太阳日不等于恒星日，太阳年不等于恒星年，月相周期和它们不能约分……更奇怪的是，当绝大多数星辰——“恒星”几乎固定地绕着天极旋转，太阳、月亮和五颗“行星”却一直飘忽不定，特别是行星的亮度、速度甚至运动方向都会发生变化。 为了记录、解释和预测天上的事件，使令人困惑的现象自圆其说，星相学和天文学这对双胞胎应运而生。前者借助经验，重在定性描述，强调天与地的超自然关联；后者依靠数学，重在定量分析，试图发掘天象不规律背后的规律性，进而揭示天的真实结构以及天与地的自然关联。如果说，天文学犹如一场解谜游戏，天文学史就好比一部侦探小说。本书讲述的故事便是其中一个精彩的核心章节。 2 “天似穹庐，笼盖四野。”从日常经验来看，中国古代的宇宙观“天圆地方”似乎颇为形象，但它既不严谨，也没有形成体系。之后，历代哲学家和天文学家又提出了“宣夜说”、“盖天说”和“浑天说”。其中，宣夜说缺乏数学基础，无法加以发展；盖天说与浑天说进行了千余年的辩论，最终浑天说凭借较准确的预测占据了上风。 遗憾的是，无论是盖天说还是浑天说，都是比较朴素和粗糙的。中国古代天文学的任务不在于探究宇宙的结构，而在于为权力和礼教服务。因此，它留下了精巧的观象仪器和丰富的观测记录，却长期在基本问题上止步不前。直到利玛窦来华，天朝的学者仍无法想象大地是一个球体。 相比之下，古希腊人在汲取了巴比伦和古埃及的天文学知识之后，很早就知道地球是球体。公元前6世纪，米利都的阿那克西曼德认识到天球是一个完整的球面，并根据星辰在不同纬度时的高度变化确定地表是曲面。他将大地描绘成悬浮在空中的圆柱体。不久，毕达哥拉斯明确提出了球形大地，既因为球体被视为最完美的形体，又因为它符合月食的圆弧状影子。 柏拉图接受了毕达哥拉斯学派的观点，相信宇宙在几何学上是完美的，只能由球体和圆周运动组成。为了解释行星的不规则运动，他的弟子欧多克斯提出了一个由27个同心球嵌套而成的系统。他赋予恒星1个水晶球壳，太阳和月亮各3个，五颗行星各4个，它们围绕位居中心的地球运动。为了使这个模型更加符合实际的天象，他的学生卡里普斯又增补了7个球壳。 稍后，亚里士多德将前人的思想整合为一个宏大而自洽的体系。他将世界分为月上和月下，它们适用截然不同的规律。月上世界由第五元素（以太）组成，是完美而永恒的。简单运动只有两种——上下方向的直线运动（地球保持静止，土和水朝向地心即宇宙中心，火和气远离地心）和圆周运动，而圆周运动正是以太及由其构成的天体的本质属性。最后，他为了避免不同球壳相互影响，又增加了22个同心球壳，使之达到56个。 不过，在同心球模型中，太阳、月亮和行星到地球的距离是固定的，这与观测情况不符。公元前3世纪，阿波罗尼乌斯在坚持匀速圆周运动的基础上，提出了两个改进方案：一是偏心圆模型，即行星（包括太阳和月亮）的运动轨道不是以地球为圆心的同心圆，而是一组偏心圆；二是本轮-均轮模型，即行星在“本轮”上做匀速运动，而本轮的中心在以地球为圆心的“均轮”上做匀速运动。100年后，喜帕恰斯又对本轮-均轮模型做了修改，使之更好地解释行星的运动。 到了2世纪，托勒密经过数十年的观测和推算，在《至大论》中融合了上述两种模型，并提出了“偏心匀速点”，即地球相对于均轮的圆心的对称点，使得各个本轮的中心不是围绕均轮的圆心做匀速运动，而是围绕该点做角速度不变的运动。虽然托勒密继续坚持“地心说”或“地静说”，但他的模型从数学角度来看已经相当完善，其解释和预报天象的能力达到了古典时代的巅峰。在接下来的1000多年间，托勒密体系将盛行于拜占庭和阿拉伯，最后在中世纪晚期重返西欧。 3 在基督教看来，古典时代的思想家原本都是异端。不过，为了描述世界，教会也需要既符合生活经验又符合《圣经》教义的理论。13世纪，托马斯·阿奎纳改造了亚里士多德的