谈到科学革命，人们首先想到的就是哥白尼的宇宙论。库恩如此概述由哥白尼宇宙论引发的革命：其一，它变革了天文学的基本概念；其二，哥白尼的新体系为其他科学分支提出新问题，相关科学的转变成为17世纪知识体的整体变化，也即我们所称的科学革命的主要动因；其三，哥白尼的行星理论和太阳中心说在中世纪向现代西方社会转变的过程中发挥了重要作用，因为它影响了关于人与宇宙及上帝的关系的认识，成为日后宗教、哲学、社会理论等方面争论的焦点。所以，哥白尼引导的革命也是西方人价值观转变的一个重要部分（Kuhn，1965）1-2。

世界上任何文明传统中出现的宇宙理论都建立在从地面上进行观察的基础之上。人们以自己所处的地理位置及生活环境为基础，利用圭表等工具，通过长期的观察、测量，根据人类现实生活中的直觉与经验知识构建出关于宇宙体系的理论，其中不仅包含天文学内容，也包含了关于神、自然、人与神的关系以及人与自然的关系等内容。这也是宇宙论通常成为宗教、哲学的重要部分的原因，也正因如此，关于宇宙结构与体系的基本理论和概念的变革不仅是天文学内部的问题，也涉及对人、神、自然的认识及其相互关系等古代和中世纪社会占主导地位的哲学问题。 在欧洲，天文学可以引发意识形态和其他科学分支的转变，在于其自古便与自然哲学甚至宗教联系在一起。

1.亚里士多德与托勒密宇宙体系

16世纪，在欧洲占统治地位的宇宙论是以亚里士多德哲学中的宇宙体系及古希腊天文学家托勒密的几何体系。二者都认为地球静止于宇宙的中心，但他们的前提和具体宇宙模型是不同的。具体来说，亚里士多德的体系构筑于其自然哲学体系中的基本前提，也即四元素说及物体的自然运动的基础上。四元素中，土和水的自然运动是由上至下的直线运动，火和气的自然运动是自下向上的直线运动，地上物体的自然运动为直线运动，而天上星体的自然运动为匀速圆周运动，其具体内容主要涉及力学，我们将在下文具体讨论。亚里士多德的宇宙体系为以地球中心作为宇宙中心的同心圆体系，在他的论证过程中，数理天文学很少被提及，其扮演的角色仅是物理论证的佐证。在《至大论》中，托勒密指出，对于亚里士多德理论的哲学三个主体分支——神学、物理学和数学，他认为神学和物理学仅仅是猜测而不是知识，只有数学可以提供确定的无可辩驳的知识（Ptolemy，1984）35-36，托勒密的宇宙体系主要构筑于数学原理和观测结果及部分物理推演的基础之上。在他所构建的宇宙体系中，天和地球都是球形的，地球静止于宇宙的中心，这与亚里士多德构建的体系一致；但在亚里士多德的体系中，日、月、行星都是在绕着地球中心进行匀速圆周运动的，即著名的水晶球体系，但这个体系不能解释星体亮度的变化。在托勒密体系中，只有太阳绕地球中心的圆周进行匀速圆周运动，月亮及行星都在本轮上进行等速圆周运动，本轮的中心沿着均轮也即以地球中心为中心进行圆周运动。这一体系可以解释星体速度和亮度的变化问题。不仅如此，二人推理的模式及前提是相反的。对于亚里士多德来说，数学与天文学居从属地位，托勒密则恰恰相反，他将几何天文学作为立论的基础，物理学的讨论居从属地位。自12、13世纪以后，出现了一种“亚里士多德-托勒密体系”，萨克罗博斯科根据亚里士多德与托勒密二人的成果撰写了天文学教科书。然而经院传统的哲学家们从自然或者物理学角度多个方面批评托勒密传统，他们认为托勒密忽视自然哲学，其数学化的模型被认为不能解释宇宙的真实属性。分割数学模型与物理模型的描述与解释的做法一直到16世纪仍占主导地位。哲学家认为，数学、天文学只能提供对天体运算有用的模型，只有哲学才能解释自然的原因（Omodeo et al.，2012）。对于16、17世纪的学者，亚里士多德理论并不以其对天体运行的准确预测体现其价值，其重要性在于它提供了解释天体的物理属性。在亚里士多德理论中，星体是由一种完美的、不可见的物质——以太构成的，天体在以地球为中心的轨道上做匀速运动，宇宙形成了一种巨大的洋葱头体系。在探讨科学革命问题时，库恩将与哥白尼所反对的体系称为“亚里士多德-托勒密体系”，然而，在下文中我们会清晰地看到，在论证哥白尼体系的物理属性时，伽利略和开普勒等继承了托勒密宇宙论研究的前提，即数学、天文学不仅是计算天体运行的工具，也可以揭示宇宙物理真实属性。

2.哥白尼的《天体运行论》及其传播

很多科学史家将哥白尼《天体运行论》的出版作为科学革命开始的重要标志。那么，相较于亚里士多德和托勒密的宇宙论体系，哥白尼体系的革命性究竟表现在哪些方面呢？

哥白尼不满意托勒密体系的复杂特性。此外，当他在意大利学习时，在人文主义的影响下，开始了对希腊的研究。哥白尼读了认为地球而不是太阳在运动的古希腊天文学家的著作。他还接触了柏拉图-毕达哥拉斯派的思想，他们认为宇宙本质上是数学的并构成一个简单且和谐的体系。以地球运动作为假设，哥白尼简化了天体运动的方案。因为他保留了行星沿圆形轨道运动的主张，这在他的系统中留下了旧的复杂因素，如周转圆。在物理学方面，他可以说是一位保守的改革者。他认可亚里士多德理论中的所有天体运动的轨道都是圆形的，且天体做匀速运动，其革命性的理论在于他将地球作为一个星体，在这方面，他的论述是基于几何学的。哥白尼一生致力于完善他的行星系统，在1543年发表了《天体运行论》。

即使在当时的学者中，哥白尼理论也没有很快且普遍被接受。在伽利略生活的时代以前^[108]，日心说体系面临着如下的问题：①其核心前提被认为是假定的、未被证明的，而且被绝大多数人认为是荒谬的；②无论其具有的可能性如何，该前提是建立在一个低级的学科（几何学）之上的；③即便其具有托勒密体系的预测准确性，哥白尼体系在数学范围的推演是有问题的；④哥白尼体系明确地与更高等级的学科——物理学的基本理论相悖，在当时的物理学中，一个物体只能有一种运动，在哥白尼体系中，地球既绕太阳公转，又在自己的轴上自转；⑤它与另一个高级学科神学相悖，尤其是与《旧约》的注释相悖（Westman，2003）49-50。在1543—1600年间，明确支持哥白尼体系的只有十来位学者，其中包括开普勒和伽利略（Westman，2003）54。

在科学革命时期，围绕着哥白尼学说的另一个因素是教廷的权限与权威问题。16世纪中叶在意大利北部城市特利腾和博洛尼亚进行的特利腾大公会议（Council of Trent）中规定，只有教廷及其神学家才有解释《圣经》的权力。当哥白尼主义者，如伽利略等挑战了学术等级体系并声称日心说体系是一个真实的而非数学的体系时，也挑战了教廷及其神学家的地心说理论，且挑战了他们作为唯一的可以解释天主教经典的权威。

虽然特利腾大公会议上并未讨论哥白尼体系甚至任何关于自然哲学的问题，但几乎在会议开始的同时，一位佛罗伦萨的神学家兼天文学家托勒萨尼（Giovanni Maria Tolosani，约1540—1549）出版了一部《圣经真理》（On the truth of sacred Scripture）。书中，他并没有讨论《天体运行论》的技术问题，而是以托马斯主义的知识等级观念对该书提出了批评：“他（哥白尼）确实是一位数学科学和天文学的专家，但是他在物理科学和辩证法方面的知识非常缺乏，不仅如此，它（《天体运行论》）显现出他对《圣经》也不在行，因为他违反了其中的一些准则，这对他自己和他的读者都有导致对信仰不忠的危险。”（Westman，2003）56同时，托勒萨尼指出：低级科学的理论必须被高级学说的原理证明。一个全面的天文学家和哲学家必须通过逻辑了解在争论中如何去区分真假，并知道论证的模式。所以，由于哥白尼不理解物理学和逻辑学，他在这些问题上产生错误并将假的认为是真的便不令人吃惊。如果那些精于科学的人读了哥白尼著作中关于地球运动及星天不动的部分，会发现他的论点无力且很容易被抛弃。因为他的论点与一个人们通过长时期的、最强的、理性推断得出的理论相对立，除非反对者利用更强的和不可辩驳的证明并全面对立的推理，但至少他（哥白尼）没有做到这一点（Westman，2003）56-57。

托勒萨尼对《天体运行论》的批评可以反映当时神学哲学家的普遍观点：强调知识的等级体系，并由此认定该书的论证并未能够确立新的理论。

科学史家经常把数学化作为科学革命的重要标识之一，但数学化本身的知识合法性并非完全如科学史家所论证的可以通过数学家本身的努力而获得。并非仅是科学革命的代表人物，如哥白尼、伽利略、笛卡尔等都进行过这样的努力，天主教科学家的代表人物克拉维斯在此方面与自然哲学家也进行过争论。

克拉维斯在其向罗马神学院写的《促进（耶稣会）修会内的学校中的数学学习方法》的报告中呼吁：数学教授应该像其他教授一样可以被邀请参加公开辩论及学位授予等庄严的庆典，并应参加那些辩论。数学教师应该热爱这一学科并且不应被指派去承担数学教学之外的义务和职责。如果学习数学的学生偶尔也可以因为他们的数学才能而在其他学生面前得到称赞，同时为几何学或天文学题目设立奖励，也将会（对促进数学的学习）有益。最后，他评论说，一件很不幸的事情是哲学教师经常轻视数学，认为它不是一门真正的科学，因为它缺乏证明，且与生命和道德相脱节（Lattis，1994）33。(www.daowen.com)

为了回击哲学家们对数学的批评，克拉维斯试图以三段论去证明数学命题。他费力地为欧几里得《几何原本》第一题（利用给定线段做出等边三角形）给出了一个三段论法的证明，声称这样的做法是一般性的：“所有其他的命题，无论是欧几里得的还是其他数学家的，都可以以这种方法解决。”但是，“数学家们在他们的证明中不使用这种（三段论的）方法，因为不用它，证明可以更简单、更快捷。这从前面的例子就可以看出来”（Clavius，1612）。克拉维斯的三段论法可以被用于数学推理之中的一般性的声明，可以成为捍卫数学地位的有效武器，这正是克拉维斯想要做的。然而，克拉维斯及其他任何人都没能完成这整项计划（例如将欧几里得的全部命题改写成三段论的推理模式），以支持这个一般性的论断，所以他们的反击没有很大的效力（Wallace，1992）。实际上，科学家们并不是靠证明数学、天文学或其他科学（光学、力学等）能够符合自然哲学家的要求来赢得这场争论的，真正使得哥白尼体系开始在欧洲被普遍接受的是由于开普勒、伽利略等利用天文仪器得到新的观测结果及其阐释使得数学方法开始在欧洲被更为普遍地接受，也使得哥白尼体系得到了很多学者的认可，而被天主教教廷忽视70多年的《天体运行论》也因此进入到了禁书目录。

3.新观测数据对传统宇宙论的挑战

哥白尼本人并不是一个观测者，他的工作是建立在数学和古希腊文献的基础之上的。在他之后到力学宇宙体系被建立之前，尤其是在望远镜出现了之后，天文学家观测到很多新的结果，这不仅对新天文学体系的建立产生了巨大影响，还对亚里士多德宇宙体系和自然哲学形成了真实的挑战。此处，我们列举一些早期发现的新成果，并分析其与传统宇宙论和自然哲学理论的关系。

1572年，第谷观测到了一颗新星。1577年，他观测到彗星。

1609年起，伽利略开始通过望远镜观测天空，并发现了：①月球表面并非光滑均匀的，而是粗糙的，如同地球上的地形具有山峦和深谷一样；②太阳上有黑点且具有周期性；③银河的“光带”由无数小星构成；④金星具有相位变化；⑤木星周围存在卫星；⑥200年后才正式被发现的海王星，只是当时没有意识到这是一颗行星；⑦许多之前天文学家未曾知晓的新星，等等。

1618年，格拉西观测到3颗彗星。

第谷是在望远镜发明之前最伟大的天文观测者之一。他确信天文学发展需要准确的观测结果，为此他设计和制作了新的天文仪器，并随时检测这些仪器的精度。在观测方法上，他不再像此前的天文学家那样仅满足于观测星体在轨道特殊位置上的表现，而是观测星体在其全部轨道上的运行情况。1573年，他在《关于新的从未见过的星体》（De Nova et Nullius Aevi Memoria Prius Visa Stella）中发布了他发现的新星并论证新星确实是一颗恒星，而且变化发生在恒星区域。1588年，他在其《关于以太世界的新现象》（De Mundi Aetherei Recentioribus Phaenomenis）中，论证了彗星是固体，且其轨道位于行星空间。第谷的观测结果和论证与传统天文学理论产生了冲突。按照传统的观点，恒星天是完美、静止的，且不会发生任何变化。第谷认为彗星是固体，在穿过行星空间的固定路径上运动。这粉碎了传统的行星轨道是实体的理论。第谷的新发现显然对哥白尼体系是有利的，但却并不一定指向日心说体系。事实上，第谷特别论证了他不能接受日心说体系的原因，综合其观测结果构造出一种新的宇宙论体系。在该体系中，地球仍是宇宙的中心，月亮与太阳绕地球运动，恒星天亦以地球为中心，而水星、金星、火星、木星、土星则绕太阳运行。第谷的宇宙体系在17世纪早期成为欧洲较为流行的宇宙体系（Thoren，1990）。第谷虽然本人并不承认日心说，但他的观测数据却成为开普勒改进哥白尼体系的基础。

曾任第谷助手的开普勒是最早对日心说理论做出重要贡献的天文学家之一。利用第谷的观测数据，他给出修正的日心说体系。开普勒于图宾根大学师从最早接受哥白尼体系的麦斯特林（Michael Maestlin，1550—1635），自此，他成为一个哥白尼主义者，且强调他是因为哥白尼的物理学或者说形而上学才成为哥白尼理论的追随者的。1574年，开普勒出版了他的第一部著作《宇宙的神秘》（The Cosmographic Mystery）。正是因为该书，他成为第谷的助手。1601年，他接任第谷的位置成为鲁道夫二世的宫廷数学家。1604 年，开普勒出版了《天文光学》（Astronomia pars Optica），讨论了大气折射^[109]、透镜的光学性质，并对人眼结构进行了分析。1606年，他发表了《关于新星》（De Stella Nova），介绍1604年观测到的新星及其基于哥白尼体系的分析。1609年，他出版了《新天文学》（Astronomia Nova），其中包含关于行星运动的第一和第二定律，即星体沿以太阳为一个焦点的椭圆轨道运行及从太阳向行星引的矢径在相等的时间间隔画出相等的面积。当其他科学家还以静力学研究天体时，开普勒已经开始了星体运行的动力学研究。《新天文学》的全名为《新天文学：基于原因或者说物理学》，从书名可以看出，虽然他的工作和哥白尼一样是基于数学的，但他在其篇名中就明确指出，他的研究是物理的或者说是哲学的。这与他对数学的认识有关，他认为科学研究就是在履行基督教的职责，是了解上帝创造万物的方法。他曾说自己所做的一切仅仅是遵循上帝的思想，并坚信上帝依据某种数学模式创造了宇宙，所以数学是理解一切的途径。

1610年，开普勒得到伽利略的《星际信使》，便立即发表《与星际信使的对话》以支持伽利略的工作。此后，他很快获得了一架望远镜，并开始发表他关于木星卫星的观测结果，以进一步支持伽利略。1611年，开普勒出版《屈光学》（Dioptrice）为望远镜提供理论支持。在1618—1621年间，他出版了《哥白尼天文学概要》（Epitome Astronomiae Copernicanae），该书成为最有影响的介绍日心说体系的著作。 1619年，他出版了《世界的和谐》（Harmonice Mundi），其中包含他的行星运动第三定律（Caspar，1993）。

从上述开普勒的几部著作可以明显看出他为哥白尼体系辩护及其天文学研究的特点。他对天文仪器和光学的研究是为天文观测结果的真实性提供理论基础，并进一步为其物理性的天文学研究埋下伏笔。他无视自然哲学家和神学家的态度直接将其数学研究称为物理学研究，这与他接受毕达哥拉斯学派的理论有关。以第谷的丰富的观测资料作为基础，开普勒在利用资料方面值得注意：无论他的想象力多么丰富，他接受的任何结论均要与精确的观测数据保持一致。他研究了好几年火星的运动，并假定火星的轨道为圆形，得到的描述与第谷留下的数据非常接近，但并不是恰好吻合。于是，开普勒放弃前面的工作，重新开始。在新的研究中，他发现行星的轨道是一个椭圆。之前的天文学家包括哥白尼，没有强调这样完全的精确性。 通过开普勒的研究，宇宙逐渐被视为按照数学定律运转的一架巨大的机器。这些定律，以及能够由这些定律表达的大自然的特征，便是真理。其他似乎存在但不能用数学定律表达的任何东西，都不能宣称拥有客观存在性。

正是由于伽利略^[110]、开普勒等人建立在精确观测结果的基础上的研究，日心说作为一个物理体系才开始被广泛认识，甚至被接受。这也使得教廷开始认真对待该体系，并导致了《天体运行论》在出版70多年后被置入禁书目录。在对力学发展的介绍中，我们还将回到这一问题。