本站原创科学对神学的挑战,是从天文学开始的.
公元1512年,波兰天文学家哥白尼（1473-1543）在他隐姓埋名撰写的一本小册子中,提出一种新的宇宙观,这种新的宇宙观简称“日心说”.哥白尼认为,已经流传1400年之久的被基督教会视为经典的托勒密宇宙体系是错误的；地球不是宇宙的中心,而是同别的行星一样围绕太阳旋转,太阳才是宇宙的中心；地球每年绕太阳一圈,每天又自己旋转一周.哥白尼这本名为《概要》的小册子手抄本,只在天文学家之间流传.
与哥白尼 “日心说”相对立的托勒密体系认为,地球是不动的,是宇宙的中心,月亮、太阳、行星都围绕地球旋转,这种宇宙观简称“地心说”.
托勒密（约90-168）是亚历山大城的天文学家,他曾在其巨著《天文学大成》中,提出完整的宇宙“地心说”.欧洲中世纪教会视“地心说”为不可冒犯的“真理”.
哥白尼出生在波兰一个水陆交通便利的城市,就像古希腊哲人泰勒斯一样,少年时,他便有机会接触多种多样的思想.18岁时他进入当时波兰的都城克拉科夫大学学习医学,却对天文学产生了兴趣；23岁来到意大利博洛尼亚大学学习法律、医学和神学,后来进入帕多瓦大学,结识了天文学家诺瓦拉（1454-1540）,并从他那里学到了天文观测技术,接触到古希腊天文学理论.
1506年,哥白尼回到祖国,开始从事天文观测和研究工作.当时,欧洲航海活动正热火朝天,人们要求天文学家编制更加详细准确的星表.在此背景下,哥白尼潜心分析了他能够得到的所有天文观测数据,发现天上的星星并非依照“地心说”的规则运动,尤其是从地球上看行星,它们经常行为怪异,有时迎着地球而来,有时又逆向退回,有时干脆停在天空不动（天文学家称之为“顺行”、“逆行”和“留”）.
在研读古希腊天文学典籍时,哥白尼注意到阿基米德曾经在一份手稿中写道,亚历山大城的天文学家阿里斯塔克（前315-前230）,曾经提出地球和行星都围绕太阳旋转,地球每天自西向东旋转一周.然而,人们认为这不合常理,因为鸟儿向东飞和向西飞没有什么差别,而且,垂直下落的物体,其落地点并不向西偏移；还有,如果地球以那样高的速度旋转（当时已经测出地球的半径,如果地球每天旋转一周,可以直接算出在赤道上旋转的速度是一个很大的数值）,人在地球上岂不都被甩出去了?当时的天文学家认为,如果地球真的绕太阳旋转,那么每隔6个月,应该观察到遥远恒星位置的变化（称为“恒星视差”）,可是人们从未观察到这一点.因此,阿里斯塔克的理论被人们彻底遗忘.
作为天文学家,哥白尼不会在意普通人的感觉,他对天文学家一直没有观测到“恒星视差”做出了这样的解释：因为宇宙的范围比人们想象的要大得多,恒星非常遥远,当时天文观测受到视觉分辨力限制,不可能发现这种视差.他认为阿里斯塔克的理论是正确的,宇宙应该服从一种简约和谐的运动规律,地球和人在宇宙中,并不应该占有特殊的位置.哥白尼提出的理论主要有两点：
1.地球和所有的行星都围绕太阳做圆轨道运动,太阳位于稍微偏离圆心的地方；
2.行星距离太阳越远,绕行一周所需时间越长,而且它们按顺序排列,呈现出非常明显的规律性.
哥白尼在他的宇宙体系里,重新安排了人们已经发现的五大行星（水星、金星、火星、木星和土星）的位置,并把地球纳入其间.他指出,距太阳最远的行星是土星,它的公转周期（围绕太阳运行一周所需时间）是30年（实际为29.46年）；其次是木星,公转周期12年（实际为11.86年）；再其次是火星,公转周期2年（实际为1.88年）；之后是地球,公转周期为1年.月球作为地球的卫星绕地球旋转,并同地球一道绕太阳旋转；地球之后是金星,公转周期为9个月（实际为225天）；距太阳最近的是水星,公转周期为88天.
哥白尼当时提出的数据与后来的观测结果基本相符.
哥白尼的这一理论在当时的天文学家中引起巨大震动,使许多人看到了探索天体奥秘的新途径：原来神秘莫测、不可思议的天体行为,在这种宇宙体系中突然变得十分明白且容易理解.
受当时波兰的条件限制,哥白尼本人并没有发明新的天文观测仪器,也没有获得超越前人的新观测结果.但是,他比此前所有的天文学家都更加关注天文学的根本问题,看到了隐藏在浩如烟海的天文观测数据背后的宇宙奥秘.
哥白尼深知自己的理论与宗教观念严重冲突,故直到临终前才正式出版完整阐述这种新宇宙观的著作《天体运行论》.1543年5月24日,刚刚印好的新书被送到哥白尼的床前,中风卧床已多年的哥白尼虚弱地伸出手臂,轻轻抚摸了一下新书的封面,不久便离开了人世.
《天体运行论》是人类科学史上第一部以充分的科学论据阐述新宇宙观的科学文献,它无声地揭开了科学革命的序幕.
“日心说”动摇了神学教义的核心基础,被教会视为大逆不道的邪说.当时,即使是基督教内部最富于革新精神的新教领袖马丁·路德（1483-1546）,也坚决反对哥白尼的学说.他说：“人们正在注意一个突然发迹的天文学家,他力图证明是地球在旋转,而不是太阳在旋转.这个蠢才竟然想把整个天文学连底翻过来.”
哥白尼在世人惊愕与愤怒的目光中逝去之后,赞同并支持“日心说”的学者相继遭到教会迫害.意大利学者布鲁诺（1548-1600）充满地传播哥白尼的学说.1592年,他被教会逮捕,经过八年之后,于1600年2月17日被烧死在罗马鲜花广场.行刑前,教会派人用特制的钳子把他的舌头从嘴里拉出来用木头夹住,使得他不能再向公众讲话.
那时,许多天文学家也不赞同哥白尼的学说,其中包括非常有名气的天文学家第谷·布拉赫（1546-1601）.1576年,第谷·布拉赫在丹麦国王支持下建立两座大型天文台,以前所未有的精度观测天象,其测定星星在天空的方位,能精确到1/15度；在天空中一段150度的弧线上,可以分辨星星2000颗以上.第谷·布拉赫连续观测记录天象达20年,积累了极为丰富的数据.他认为所有的行星都围绕太阳旋转,但是太阳又围绕地球旋转,地球是不动的. 1597年,22岁的德国天文学家开普勒（1571-1630）担任第谷·布拉赫的助手,布拉赫将毕生观测所得数据交给开普勒,希望他继续编制世界上最精确的行星运行表.两年后,第谷·布拉赫去世.具有深厚数学功底的开普勒经过20年的研究后发现,依据哥白尼的理论,这些浩繁的数据可以归纳为描述行星运动的三条简单明晰的定律：
1. 行星沿椭圆轨道绕太阳运动,太阳位于椭圆的一个焦点上（每个椭圆都有两个焦点）；
2. 连接太阳和行星的线段,在相等的时间内扫过相等的面积；
3. 行星绕太阳运动,椭圆轨道平均半径的立方与周期的平方成正比.
这三条定律对太阳系中所有的行星都适用,也包括地球.根据这三条定律,还可以通过数学计算,预报行星在天空中的位置,而且预报与观测的结果十分相符.
开普勒发现的行星运动三定律,增强了人们理解宇宙的信心,同时也提出一个新问题：行星为什么会这样?
正当天上的事情闹得沸沸扬扬的时候,一批欧洲学者开辟了探究地上事物的新途径.他们抛弃了自亚里士多德以来凭直觉演绎推理的思维习惯,赞赏先哲曾经有过的观念：“研究自然,实验是获得真知最可靠的依据.”以伽利略（1564-1642）为代表的物理学家,深信实验是自然科学的基础,并使这一哲学论断成为可以操作的科学方法.
伽利略于1564年出生在意大利,17岁时进入比萨大学学医.然而,使他着迷的是数学和物理学,他没有毕业就离开了比萨大学,专心研究欧几里得的几何学与阿基米德的物理学.1589年,25岁的伽利略获得比萨大学数学教授职位,而当时数学教授的薪金是医学教授的1/30.
伽利略对亚里士多德的物理学理论总是持有怀疑态度,认为那些貌似有理的论断常常阻断人们追求真理的道路.1590年,伽利略在比萨大学进行了有名的自由落体实验,证明亚里士多德关于物体下落的论断是错误的（相传他还在有名的比萨斜塔上做过这类实验）.亚里士多德这位古希腊百科全书式的学者曾经说过：“物体越重,下落的速度越快.”2000多年来,世人对此深信不疑.然而,伽利略的实验结果表明,在不考虑空气阻力的情况下,物体无论轻重,下落的速度都一样.研究自由落体的实验没有任何功利目的,但意义深远,它动摇了亚里士多德物理学的权威地位,让人们看到,实验是开辟真理之路的犀利武器.
1592年,伽利略转至帕多瓦大学任教.医学院的一位朋友请他帮忙发明一种能够探测病人是否发烧的温度计,这对诊断和治疗十分重要.然而,这项发明对当时的学者来说十分困难,因为温度是一种看不见的物理量,且每个人的感觉器官对温度的反应各不相同,这种感觉无法相互比较,无法凭感觉说出温度的具体数值.
正当伽利略一筹莫展的时候,罗马教皇召他进宫审查一种新奇的“永动机”.这是一件由玻璃吹制成的复杂装置,水在这种密封的容器中不需要任何外部能源,便可周而复始地循环流动.伽利略观察了三天,告诉教皇：“这不是‘永动机’,是昼夜温差引起气体膨胀产生的压力变化在驱动水循环.”在返回帕多瓦大学的路上,伽利略突然产生一种联想,可以通过温度变化引起液位移动测量温度.于是,他请玻璃工匠做了一段带有刻度的玻璃管,一端开口,另一端吹制出一个可以用手握住的空心圆球.将玻璃管开口的一端插入盛水的碗中,让病人用手心握住圆球；病人的热度愈高,圆球中的空气就膨胀得越厉害,玻璃管中的液面也就下移得越多；根据液位在刻度上的变化,可以客观地比较病人体温的变化.
这是世界上第一支依据科学原理制成的温度计,从此人们可以客观地测量并记录温度.
温度是一个基本物理量,自然界的一切过程和生命活动都与温度密切相关,温度计的发明使人类获得了一把打开自然密室之门的钥匙.这件发明的意义还在于：借助与人无关的自然现象,能够使无法感知的物理量产生可以识别的信息,而这标志着一种新科学仪器的诞生.
科学仪器拓展了人类感知世界的能力,借助科学仪器进行的实验,能够有效地揭示自然界的因果关系.科学仪器能够以数据形式将自然现象特征记录下来,可以比较不同地域和时间的实验结果,可以采用数学方法对数据进行演算,并通过严密复杂的逻辑推理,发现深藏在现象背后的规律.
1595年,伽利略发现了一种物体摆动的规律.他发现,当一段长长的绳子吊着一件重物小角度自由摆动时,其摆动周期（摆动一次的时间）与摆动幅度大小无关,与物体质量无关（这又与常识不一样）,与摆长的平方根成正比,地心引力愈大,摆动愈快.服从这种规律的摆动系统称为“单摆”.单摆等时性定律,是人类发现的第一个动力学定律.
根据单摆周期的变化,人们可以测量地球上不同地方重力的大小,估算地球的几何形状；单摆可以为计时仪器提供稳定的时间基准,让人们找到了提高时钟精度的途径.
1602年,伽利略利用自己设计的实验装置和仪器发现了惯性定律.他发现,在不受外力的情况下,物体将保持自身惯性,做匀速直线运动.他还发现,物体在自由下落时速度越来越快,但速度的变化率保持不变.他称这种变化率为“重力加速度”.他还计算出物体抛射出去之后的运动轨迹,指出当抛射角为45度时,抛射的水平距离最远,为弹道的设计计算奠定了理论基础.
1609年,伽利略把荷兰人利帕希发明的3倍望远镜改进到20倍,第一次用它指向天空,发现了月球上的环形山、金星的盈亏圆缺、木星的卫星、土星的光环和组成银河系的不可胜数的遥远星体.在伽利略之前,天文学家只能用肉眼观测星体,由于受视力分辨能力的限制,能够看到的天体数目非常有限.采用20倍望远镜之后,人们在天空中识别星体的分辨能力提高了400倍,在视觉感受中星体的亮度也增加了400倍,通过望远镜看到的星体的数量比以前增加了10万倍以上.望远镜拉近了人类与星体的距离,许多遥远、黯淡的天体进入人们视野,天文学从此进入一个新阶段.
伽利略通过望远镜看到的天空景象进一步证实了哥白尼学说.月亮的环形山表明天界和人间区别很小,都不那么完美；金星的盈亏圆缺只有按哥白尼的理论才能解释；木星也有四个小“月亮”围绕它旋转；地球和木星简直像同一家族的成员.在望远镜里发现的宇宙范围,远远比人们估计的要大,没有观察到恒星视差是必然的事,并不能成为反对哥白尼学说的理由.
1610年3月,伽利略将他的新发现写成一本小册子,名为《星空信使》.人们欢呼：“哥伦布发现新大陆,伽利略发现了新宇宙!”然而,当时许多哲学家和天文学家告诫人们：“伽利略从望远镜里看到的是虚假的幻觉.”他们自己则坚决不看伽利略的望远镜.就在这本小册子出版的第二年,伽利略的名字上了宗教裁判所的黑名单.
1630年,伽利略用当时人们能看懂的意大利文（当时学者写书,只用少数人能看懂的拉丁文）,写出了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》一书,进一步阐述哥白尼的理论,详细描述用望远镜在月球上看到的情景,讨论月球表面的地质构造,用运动的相对性原理回答人们对地球自转的诘难,用地球绕太阳公转说明四季星空变化的原因.
这本书于1632年3月获准出版,同年8月即被列为“禁书”.第二年的3月12日,伽利略在罗马宗教法庭受审,6月22日被宣判终身,罪名是“反对《圣经》,宣扬‘日心说’”.
伽利略在被期间,仍然继续他所钟爱的学术研究,在拘禁期间,他完成了最后一部著作《两种新科学》,归纳了其一生物理学研究的全部成果.1638年,这本书在远离罗马的阿姆斯特丹秘密出版.四年之后,早已双目失明的伽利略在中离开了他一生都在探索的世界.
400年后,爱因斯坦（1879-1955）在评价伽利略时说：“他的发现和他所应用的推理方法,是人类思想史上最伟大的成就之一,标志着物理学的真正开端.”（未完待续）