從行星的軌道為什麼是橢圓形說起

作者：葉洪濤（中國科學院紫金山天文台）

一些年前，隨口問一位天文學家：「為什麼行星的軌道是橢圓形？」天文學家不假思索的答道：「你用牛頓的引力方程解一下，就會得到橢圓。」當時不禁震撼，怪不得阿西莫夫如此寫道：「我認為大多數科學史家都會立刻異口同聲地說，牛頓是世界上從未有過的最偉大的科學家。」是牛頓真正解開天體運行之謎，自從有了他的引力理論，行星的運行能夠被精確計算，我們可以將日月食的預測推算準確到秒，也就此奠定了現代天文學的基礎。

一些年後，突然震驚，上面這答案似乎並不是答案——難道牛頓說是橢圓就是橢圓？他是上帝嗎？應該是軌道為橢圓，所以牛頓才得出橢圓的結論吧……那到底為啥軌道是橢圓？……

先有科學，還是先有科學理論？

古希臘誕生了最早的行星運動理論，即托勒密體系，「那時」太陽是繞地球轉，而軌道是完美的圓形。此後一千多年，人們維繫著這個理論體系，直到哥白尼提出日心說，不過運行軌道依然是圓形。

隨著研究的深入，開普勒提出了行星的橢圓軌道，即開普勒第一定律。比較開普勒與牛頓，牛頓進一步為橢圓軌道賦予了原因——萬有引力（其實還有另一個尷尬的原因——上帝在切線方向上的第一推動），也就此將天文學帶入了物理學時代。

霍金以極其精鍊的語言創作了科普讀本《時間簡史》，唯一反常的是，他在書的開頭和結尾，重複同一話題：科學理論只是科學家頭腦中的數學模型。為什麼他要特彆強調這一點？

早年法國天文學家拉普拉斯被拿破崙問到他的巨著《天體力學》里為啥沒有提到上帝時，堅定地回答：「我不需要上帝這個假設！」那麼不要上帝這個假設，需要什麼假設呢？

在人類尋常的思維習慣中，總是有果必有因，並且這原因還應該是具體而實在的。但在科學中，情況並非完全如此。那是怎樣的呢？

請允許我離開天文學一小會兒，回憶一下化學。

現代天文學和物理學的奠基人是牛頓，而現代化學的奠基人則是拉瓦錫，他為現代化學創造了基礎理論——氧化學說。在他之前，曾有一個通行的理論叫「燃素說」，即所謂燃燒就是可燃燒物質中燃素的消耗過程。但隨著越來越多實驗的進行，人們發現很多物體燃燒後不是變輕而是變重了，自此燃素說顯然站不住腳了。於是氧化理論誕生了，現代化學誕生了。而讓人不由聯想的是，人並不能決定自然現象的發生，如果從來沒有一種物體燃燒後會變重，那麼何年人類才會建立氧化的概念？確實，人的認識永遠受自然的制約。但又確實，歷史不能也無需假設，而且從對人類智慧的自信我也認為氧化學說必然產生。（「離題」更遠點，之所以有「燃素說」似乎只是由於人們當時並沒有把氣體當做物質看。）

如此看來，科學可以說是人類與自然之間的紐帶。用比喻的說法，新郎、新娘、月老都確有其人，科學理論就是那根傳說中一線牽的紅繩。

科學最根本的目標是說明自然界各種現象之間的關係；人為創造的科學理論、科學定義、科學概念並不一定要具有實在性，更多只是一種表述。就像磁力線是對磁場的描述性概念，其具體存在與否並非要點。也可說，相信引力理論的正確性與堅信有一個叫做引力的東西存在是可以分開的兩件事。（這也許不是必須解決的現實問題，但至少意味著一種眼界和胸懷。）關鍵是，更好的更先進的科學理論提升了人類的認知水平，例如精確度。所以文章開頭的那個答案其實合格，只要願意放棄對實體性答案的追求。畢竟，連牛頓本人也只好抬出上帝。（不得不承認理論的正確性是結果導向性的，只要是對得上的數據就是好數據，只要是對得上的理論就是好理論，這與鄧氏的貓理論異曲同工。）

所以，科學是揭開自然之謎的解題思路。任何理論上的結果，在現實中，嚴格意義上都無法確定其存在。無論1、2、3亦或是π，無論點、線、面亦或是直角。所有結論都只是人類思維與自然現象的偶合。

世上無絕對性的真理

任何理論都建立在假設之上（不管多麼合理且顯而易見的假設本質上都還是假設），現代對理論合理性的要求只是其內部的自洽。這種認知方法，開始於數學，開始於幾何，開始於高斯，是他第一個開始質疑歐幾里得幾何中平行公設的不可證明性。既然公設無法又無需證明，那似乎可以允許任意創造公設，只要在其後的推理中能夠形成封閉的、不自相矛盾的邏輯體系。雖然高斯沒有勇氣公開，但隨後羅巴切夫斯基、黎曼等一代代數學家逐步建立起各種非歐幾何體系，直到廣義相對論的產生第一次開出現實之花。

現今通行的理論是在現今條件下經過充分實驗證明的理論，物理學家費曼說：「實驗是任何觀念的正確性的唯一試金石。」而哲學家波普爾的證偽理論為我們提供了可供參考的補充思路，即所有現在被證明正確的理論其實都是尚無機會證明其錯誤的理論，就像沒有發現物體越燒越重時的「燃素說」。

科學有著可深入和發展的特性，也許有一天發展出了新的理論全面替代萬有引力，不過牛頓依然可能是最偉大的科學家，沒有之一。因為他的偉大在於對人類認知的拓展，而不局限於其理論的正確與否。

從群體內部看，科學家之間有著能力高低、研究領域層次深淺的差異，所以直接引用他人尤其是高人的經檢驗的結論並不為錯。當拉瓦錫的頭顱在法國大革命的怒潮中被無情砍下時，距離我們天文學更近的拉格朗日惋惜道：這樣聰明的腦袋再過一百年也長不出第二個!但科學本身是排斥英雄主義的，每個偉大科學家都有犯錯的可能甚至有確實的經歷。衡量正確與否的最好方法是隨時隨地、近乎無數次的驗證，而不是「教授嘴大，講師嘴小」。這構成了一重矛盾。

而從科學內部講，任何一個理論都是可錯的，都是不斷完善的認知階梯中的一級。比如現在全面禁用的DDT也曾是諾貝爾獎的寵兒。如此說來，具體的理論都是歷史性的（就像按歷史唯物主義，奴隸制度具有歷史合理性），如果把所有證明錯誤的理論都排除於科學之外，用學究的話說：這使科學失去自己的歷史。

特定時期被普遍接受的理論是在當時所有證據下通過人類智力可能得到的最優化認知方案，過去、當前、未來皆如此。沒有所謂絕對化的真理，永遠有需要改進的方面。否則科學不是失去歷史，卻是失去了現實而只成為歷史。（當年普朗克畢業時激動地表示要為物理學努力終生，老師遺憾的表示：可惜，物理學已經沒有難題。沒過些年，當時物理學天空中僅剩的「兩片烏雲」就催生了量子力學和相對論。）但實際上在科學之外，日常語言里總是充滿著：「這樣是不科學的！」之類的話語（也不管事情到底與科學有多大關係），這種語境中「科學」儼然成了「正確」的同義詞。在科學的內部需要普遍的懷疑精神，而在外部，科學的正確性被無條件接受；現代科學是以反宗教啟程，卻變成現代的迷信。這構成了又一重矛盾。

科學只是人類理解世界的方式之一

現代科學通過研究自然，取得卓越的成就。但「科學」漸漸也陷入了被泛化的窘境，變得越來越難定義。因此人大教授周孝正所提倡的將已經被用慣的名詞「人文科學」改為「人文學科」確有其理。甚至有人會以為「藝術」也是一門科學。

科學是理解世界的方式之一，而非唯一。它有其特有的研究對象、目標和方法，比如自然、求真和精細性。例如生物學可以揭示出弱肉強食的叢林法則，但對於人性中的同情、憐憫與善良，科學的作用不比宗教更大。科學只是整個人類認知的一部分而絕非全部，如果科學是一個人，他應該感到高處不勝寒了吧，「把所有問題都自己扛」，哪吃得消啊:)這構成了再一重矛盾。

各種矛盾都催促對科學的更進一步考量。比如，現代對科學的崇拜最根本的原因是科學所帶來的技術進步，科學與技術到底是能劃等號還是可以區分的兩件事物，這值得思考。又如，在李約瑟所說沒有產生現代科學的中國，科學，至少在名分上，為何獲得如此之高的地位，也同樣是有意思的思考題。

有句話說：「人類一思考，上帝就發笑。」不會的！如果沒有人類的思考，上帝都不會產生，它憑什麼笑？另外補充一句，上帝其實也可被視為科學的前現代代名詞。

編輯：山寺小沙彌

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