被抛弃和被保留的模型

年轻的约翰尼斯·开普勒并没有像他的导师一样受到命运之神的眷顾。开普勒出生于1571年，是个早产儿，父母都患有严重的人格障碍。他的母亲几乎没有念过书而且没有修养，他的父亲由于对家庭生活非常不满，在成为父亲后不久就自愿参军，为西班牙阿尔巴公爵反对荷兰的暴力运动效力。4岁的时候，开普勒染上了天花，因此视力受损，手也留下了残疾。由于身体残疾，他的父母将他送入神学院，想让他日后从事教士工作。

神学院的老师很快就发现了开普勒的数学天赋，这对开普勒本人乃至整个西方文明来说，都是一件幸运的事。最终，他获得了一个编撰通俗天文年历的职位。开普勒发现托勒密体系远远难以满足自己计算的需要，于是他推测一定存在一种统一宇宙的力量。在了解了哥白尼的日心说假设之后，他开始对天体运动的复杂性进行解释。他早期的职业生涯都是以德国南部的图宾根（Tübingen）大学城为中心展开的，并常常受到当地特有的宗教冲突的影响。最终，他于1600年到布拉格成为了布拉赫的助手，并得到相应的保护。几年后，布拉赫意外辞世，开普勒成为了欧洲最好的观测站的主持者。这一观测站不仅为开普勒提供了继续研究所需的仪器，还为他提供了布拉赫积累的独一无二的观测成果。

前文讲过，古希腊天文学家反对阿波罗尼奥斯和阿里斯塔克斯日心说体系中正圆形轨道的观点，这一学说的预言存在10°的偏差，即便是用肉眼进行观测的古人也能发现这一偏差。随后的托勒密体系获得了大家的认可，因为它的偏差只有几度。1000年后，布拉赫的测量更为精确，将偏差控制在1/10度左右。布拉赫的数据突显出托勒密体系的缺陷，托勒密体系已经不能够满足精确观测的需要了。而开普勒的过人之处在于，他意识到了如果要对宇宙运行做出更好的解释，那么就需要推翻所有前人模型中所使用的正圆轨道的假设。

开普勒对火星的运行轨道尤其感兴趣。在所有可观测的天体中，火星的运行轨道是最怪异的，它背离了正圆轨道，这一事实在开普勒的数据中得到了清楚的反映。开普勒抛弃了前人两个模型中附加在正圆形轨道上的本轮假设，取而代之的是椭圆轨道假设。开普勒接下来面临的挑战是确定在这种假设之下的轨道周期。开普勒推测，天体在椭圆形轨道上的运行速度与它和太阳之间的距离有关，于是他开始对不同的天体运行的数学模型进行系统检验。

尽管解开火星运行轨道之谜并不是一件容易的事，但是开普勒的数学天赋与布拉赫观察天赋的结合使之在某天成为了可能。开普勒还具备布拉赫所没有的优势：他接受了培根基于观察基础上的研究体系。即便是当时最优秀的观察者布拉赫，也几乎与其他同事一样，将亚里士多德和托勒密体系奉为精神权威。开普勒并不如此，他花了近10年的时间研究布拉赫的火星数据。这些数据既不符合哥白尼模型，也不符合布拉赫费尽心思对其进行修正后的模型。因此，他推断这两个模型都存在问题，需要将其推翻。不像自己晚期的导师布拉赫那样，对于开普勒来说，没有什么模型是不可推翻的。没有任何一个模型或信仰体系是如此特殊，以至于它能够在与之相矛盾的数据中保存下来，这种想法在现代西方社会是理所当然的，这也是划分西方社会和非西方社会的基础。开普勒是最早采用这一实证研究框架的哲学家之一，这种架构恰恰是现代西方生活方式的基础。当理论与现实的数据相矛盾时，人们应该推翻和摒弃理论。

作为一名经验丰富的数学家，构建出一个替代模型对开普勒来说并非难事。在最终确定出三条能够完美满足布拉赫数据的天体运行规律之前，开普勒曾进行过几十次尝试。这三条规律描述了行星围绕太阳轨道的形状、距离和速度三者之间的关系。开普勒可能也曾预想过哪个模型会运行得更好，但这些偏见无伤大雅。最后，他还是选定那些与数据最吻合的模型。

开普勒发现了天体运行的规律，但是他还不能解释天体运行规律的根本原因。例如，他的第三条规律描述了当行星运行至离太阳更近的位置时，运行速度就会加快，周期会变短。但是他不知道为何会出现这种情况，他也不能解释为什么月球绕地球旋转时并不符合行星围绕太阳旋转的这一规律。

像哥白尼一样，开普勒在世的时候，他的工作并没有给世界带来多大的影响。现在，我们可以很容易说出开普勒的三大规律，并将其视为开普勒至高无上的成就，但是开普勒同时期的人们却很难意识到他的伟大天赋和成就。这三大规律隐藏于他对太阳和诸天体之间交替吸引力与排斥力的神秘思考中。伽利略在天文望远镜的帮助下进一步发展了观测天文学，牛顿和哈雷则帮助人们完善了对天体运行的理解。这些杰出的成就将科学探索从宗教教条的严格控制中解放出来，在整个过程中，他们也清理了通往繁荣之路的又一块绊脚石。