｜伽利略通过望远镜得到的证据｜
伽利略发表了一系列通过望远镜得到的新观察结果。对地心说观点来说，其中一些数据提出了相对无关紧要的问题，而另一些数据则让这一观点遇到了大问题。我们会逐一进行讨论，在这个过程中，我们不仅会讨论伽利略发表的观察结果，还会探讨这些新数据如何影响了日心说观点和地心说观点之间的争论。
月球上的山峰
伽利略是首先将望远镜用于观察月球上某些地表特征的人之一，所观察的地表特征包括山峰、平原以及我们现在所说的月坑。从某种程度上说，这些特征可以用肉眼观察到，伽利略之前的人曾经推断月球上有山峰，但只有在望远镜的帮助下人们才能看清这些地表特征的细节。
月球上有山峰这样的地表特征并不能直接证明地球围绕太阳运动。事实上，这一观察结果之所以对地心说与日心说之争有一定影响，原因在于它破坏了亚里士多德世界观中宇宙整体的样子。回忆一下，在亚里士多德世界观中，天空中的物体仅由以太组成，这一点成为亚里士多德世界观解释天体运动的关键点。因此，如果月球似乎是一个巨大的岩石体，且在外观上与地球有很多相似之处，那么这就很清晰地证明了亚里士多德世界观中“天空中的物体都由以太组成”的观点不可能正确。
值得一提的是，这个证据本身绝不足以严重破坏亚里士多德世界观。确实，亚里士多德世界观包括“天体由以太组成”的观点，这个观点，也就是亚里士多德世界观拼图中的一块拼板，可以在不对整个观点体系进行大量改变的情况下得到修改。举个例子，月球是在月上区和月下区的分界线上，因此，如果认为月球既包括月上区的元素，又包括月下区的元素，并不是不合理的。换句话说，关于月球的观点并不是亚里士多德世界观中的核心观点。然而，毫无疑问，月球上有山峰这样的地表特征存在，表明在面对通过望远镜得到的新证据时，亚里士多德世界观不可能保持不变。
因此，对日心说和地心说之争来说，月球表面有山峰的观察结果之所以有影响，很大程度上是在于它表明了亚里士多德世界观存在瑕疵。这个观察结果还从另一个角度表明了日心说观点更有道理。回忆一下有关“地球是静止的”这一论点（我们在第10章中讨论过），这个论点的基础是没有什么可以使地球保持运动状态。如前所述，地球是一个很大的岩石体，很像我家前院里的大卵石，它会保持静止，除非存在什么因素持续使它运动。这个论据似乎非常令人信服。然而，通过望远镜，我们现在可以看到，月球似乎也是一个巨大的岩石体，而且明显月球始终在保持运动。所以，如果像月球这样巨大的岩石体可以围绕地球进行持续运动，也许同样是巨大岩石体的地球也可以围绕太阳进行持续运动。
太阳黑子
伽利略同样是第一批用望远镜观察太阳黑子的人之一。太阳黑子是在观察太阳的时候可以看到的一些黑暗区域。人们不能直接用望远镜来观察太阳，因为这样做会使视网膜受到伤害，但是可以通过往纸上投影的方式来观察望远镜里太阳的图像。
伽利略用这种方法来观察太阳黑子。利用观察所得的结果，伽利略得以令人信服地论证出太阳黑子一定是太阳表面本身就有的区域，而不是其他什么图像，比如说从太阳前面经过的小行星的图像。
与月球表面的山峰情况相同，关于太阳黑子的观察结果并不是可以证明日心说观点的直接证据。不过，太阳毫无疑问在月上区（并不像月球一样在月上区和月下区的边界上）。因此，如果太阳黑子在太阳上，就像伽利略论证的那样，那么月上区肯定不像亚里士多德世界观所认为的那样是没有变化的完美区域。因此，就像月球表面的山峰一样，关于太阳黑子的数据被证明是亚里士多德世界观的另一个瑕疵。
土星的光环或“耳朵”
伽利略关于土星的证据所带来的结果与关于月球和太阳的证据相似。伽利略是第一个观察到土星有时会有边缘凸出现象的人，这个凸出的边缘看起来就像把手或者耳朵。现在我们知道伽利略所观察的就是土星光环，尽管他所使用的望远镜解析度并不足以看清光环，而只能看成是土星边缘的凸起。（后来又过了半个世纪，这个凸起才被正确地假定成围绕土星的一个环形结构。）
同样地，这个数据表明了亚里士多德世界观的又一个小瑕疵。回忆一下，天体由以太组成，以太的天然形状就是正球体。因此，由以太组成的行星一定也是正球体。伽利略的观察结果则表明土星并不像亚里士多德世界观所预期的那样是正球体，月球和太阳也不是。
木星的卫星
在伽利略的望远镜可以观察到的所有现象中，木星的卫星很有可能是观察起来最让人愉悦的。通过望远镜，伽利略观察到了四个小亮点，它们围绕在木星周围，位置随时间变化而变化，伽利略正确地推断出这四个小亮点是围绕木星运转的卫星。就算是在今天，木星的卫星可能仍然是用小望远镜就能看到的最令人愉悦的亮点（跟土星光环一样让人观察起来感到心情愉悦）。
为了谋求一个好的职业发展，伽利略把木星的卫星命名为“美第奇之星”，用来向美第奇家族（意大利最强大的家族之一）致意。当时，伽利略希望能进入美第奇家族宫廷，很快他就获得了成功，随后不久就被任命为美第奇家族宫廷的首席数学家和哲学家（“哲学家”在这里的意思更像是我们现在所说的科学家）。
伽利略花了很多时间来仔细观察木星的卫星，绘制出它们的位置，并确定这些卫星确实是围绕木星运转的物体。这也是一个无法与亚里士多德世界观简单拼合在一起的证据。回忆一下，根据亚里士多德世界观，特别是在托勒密体系中，地球是宇宙中所有圆周运动唯一的中心。所有天体，包括月球、太阳、恒星和行星，都围绕宇宙中心，也就是地球的中心，沿圆形轨道运转。但是，伽利略发现有物体围绕木星运转，这决定性地证明了，与亚里士多德世界观中的观点相反，宇宙中的圆周运动并非都围绕唯一的一个中心。
作为推论，值得一提的是，地心说观点的支持者驳斥日心说观点的一个论据就是“地球卫星的运动模式非常奇怪”。也就是说，如果有物体围绕地球运动，然后地球又围绕太阳运动，那么多少都有些不够优雅。然而，伽利略发现的木星卫星却使这个论据被丢到了一边，因为即使是地心说观点的支持者也必须接受至少有一个天体，也就是木星，在本身运动的同时，还有其他物体围绕自己运动。
金星相位
金星相位提供了某些与地心说和日心说之争有关的最为引人注目的证据。仅用肉眼观察，你不可能观察到金星实际上像月球一样，会经历一个周期性的相位变化。但是，通过望远镜，很容易就可以观察到金星相位，而伽利略就是第一个发现金星相位的人。除此之外，金星不仅会经历周期性的相位变化，而且它的大小也会根据所处的相位发生变化。图17-4展示了金星在不同相位的样子，包括满月位、亏凸月位/盈凸月位、上/下弦月位、眉月位/残月位和新月位。要理解这些数据的重要性，我们需要理解为什么金星在不同的时间会处于不同的相位。由于这个解释从本质上来说与对“为什么月球会经历不同相位”的解释是相同的，所以让我们首先讨论一下月球，然后再回到金星。
图17-4 金星相位
月球相位是太阳、月球和地球三者间相对位置变化的结果。在任意一个给定的时间点，月球的一半会被太阳照亮，另一半会在黑暗中。当月球和地球所处的位置使我们可以完整地看到月球被太阳照亮的表面时，我们所看到的就是满月。当我们只能看到月球被太阳照亮的表面的一半时，我们所看到的就是弦月，当我们只能看到月球被太阳照亮的表面的一小部分时，我们所看到的就是蛾眉月或残月。图17-5可能有助于理解。被标注为1/4、3/4等点处的月球代表的是月球在围绕地球运转一周，也就是将近27天的过程中，其所在的相对于地球和太阳之间的不同位置。
图17-5 月球相位
当月球位于点F处时，被太阳照亮的表面面对地球，我们会看到一个满月。当月亮处于点3/4处时，我们将看到亏凸月/盈凸月，然后是上/下弦月、眉月/残月，最后是新月，也就是我们在夜空中看不到月球的时候（在点N处）。
如果金星经历一系列相位变化，正如伽利略所发现的，那么像月球一样，金星相位一定也是太阳、地球和金星之间相对位置变化的结果。重点是，如果使用一个日心说体系，那么对金星相位的预言会与托勒密体系的预言非常不同。具体来说，根据日心说体系，我们会预计金星经历一个完整的周期性相位。相比之下，如果托勒密体系是正确的，那么我们最多只能看到在眉月位/残月位的金星，而永远都看不到在上/下弦月位、亏凸月位/盈凸月位或者满月位的金星。
通过图表来说明这些不同的预言是最好的方法。让我们首先思考一下图17-6展示的托勒密体系中的地球、太阳和金星。这幅图展示了我们在第11章结尾时讨论过的一个关键经验事实是如何发挥作用的。回忆一下，事实上金星从来不会出现在距离太阳很远的地方。也就是说，不管太阳在天空中的哪个位置，金星总会在不远处。重申一下，这就是为什么我们只能在刚刚日落后（在一年中特定的某些时间）或马上要日出前（在一年中的其他时间）看到金星。除此之外，在白天和夜晚的其他时间段里，我们都看不到金星，因为金星要么随着太阳在地平线以下（夜晚的时候），要么就是白天在太阳附近，太阳的光线使我们无法看到它。
在托勒密体系中，对这个事实有且只有一种解释，那就是太阳和金星围绕地球运转一周所需的时间相同（或者更准确地说，太阳和金星的周转圆围绕地球运转一周所需的时间相同）。换句话说，地球、太阳和金星的周转圆一定总是成一条直线，就像图17-6所示。
图17-6 托勒密体系中的太阳、金星和地球
然而，请注意，这就决定了金星被太阳照亮的一半总是不能正对地球。因此，就像月球被照亮的一半没有面对地球时的情况一样，金星总是看起来（最多）像一个月牙。换句话说，在托勒密体系中，我们最多只能看到金星被太阳照亮的一半中的一小部分。我们永远看不到一颗完整的金星，或者处于亏凸月位/盈凸月位或上/下弦月位的金星。前面提到的这些相位所要求的金星、地球和太阳的相对位置，在托勒密体系中都不可能实现。
伽利略所发现的金星的相位，为托勒密体系提供了直接明确的不证实证据。相比之下，就像下面要解释的，在日心说体系中，人们可以预期看到金星经历一个完整的周期性相位变化，因此，金星相位为日心说观点提供了证实证据。
在解释日心说观点如何描述金星相位之前，首先，请注意，对“在天空中金星总是距离太阳不远”的经验事实，日心说体系的解释是，金星是一颗内行星。也就是说，金星与太阳之间的距离小于地球与太阳之间的距离。在图17-7中，请注意，以地球为观察点，不管金星位于其轨道上的哪个位置，总不会出现在距离太阳很远的地方。除此之外，在日心说体系中，由于金星围绕太阳运转一周的时间比地球短（金星只需要225天，而地球需要365天），因此以地球为观察点，金星有时会在太阳背对地球的一侧，看起来就是满月的形状；有时又会在太阳的侧面，因而看起来像弦月的形状；还有时会在地球和太阳之间，从而完全看不见，或看起来只是个月牙形，等等。简言之，根据日心说观点，我们可以预计金星会经历一个完整的周期性相位，因此，伽利略的发现为日心说观点提供了证实证据。
日心说观点不仅正确地预言了金星应该经历一个完整的周期性相位，还对金星相位与人们观察到的金星大小之间的关系做出了相当自然而然的描述。
请注意，在图17-4中，金星在满月位时看起来最小，而在新月位时看起来最大。这恰好就是在日心说体系中我们可以预计看到的情况。由于金星只能在位于太阳背对地球一边时处于满月（或将近满月）的相位，此时金星与地球之间的距离达到最大值，那么我们预计能看到的将是最小的金星。同样地，金星只有位于地球和太阳之间时，也就是位于距离地球最近的点时，才能处于新月位，因此金星才会在处于新月位时看起来最大。
图17-7 日心说体系中的太阳、地球和金星
简言之，金星相位为反驳托勒密观点提供了重要的不证实证据。然而，重点是，金星相位并不足以解决日心说观点和地心说观点之间的争论。举个例子，回忆一下第15章中描述的第谷体系。重申一下，第谷体系是一个地心说体系，其中月亮和太阳围绕地球运转，而行星则围绕太阳运转。根据第谷体系，我们同样可以预计看到金星展现出一个完整的周期性相位变化，并且在满月位时看起来最小，而在新月位时看起来最大。同样地，你也可以修改托勒密体系，让金星（可能加上水星一起）围绕太阳运转，而其他天体仍然围绕地球运动。这样一个修改了的托勒密体系同样也可以与金星相位相一致。简言之，金星相位在为日心说体系提供了证实证据的同时，也在同等程度上为像第谷体系或前面刚刚描述过的经过修改的托勒密体系这样的地心说体系提供了证实证据。因此，尽管金星相位提供了证据来反驳最初的托勒密体系，但并没有解决日心说和地心说之争。
接下来我要简要讨论的是这个例子如何精妙地说明了我们在第5章中讨论过的理论的不充分确定性。也就是说，即使是像金星相位这样重大的发现，最终也被证明与日心说体系（包括哥白尼和开普勒的理论）和地心说体系（比如第谷体系），或者前面所描述的经过修改的托勒密体系，都可以完美地保持一致。这种情况在科学中很典型——新证据，甚至是非常重要的新证据，通常都同时与两个或更多个相互竞争的理论相一致。换句话说，可用的证据通常不能单独决定某个具体的理论是否正确。
最后，值得注意的是，尽管金星相位没有解决日心说和地心说之争，但无论如何它需要人们在观点上做出重要改变。也就是说，在过去1500年间，托勒密体系一直被当作是默认体系，而现在这个体系需要被替换了。所以，人们要么转而选择相信日心说观点，要么相信第谷体系，要么相信经过修改的托勒密体系，无论是哪个选择，人们都必须对自己关于宇宙结构的观点进行重大调整了。
恒星
最后还有一个发现值得讨论，哪怕只是简短的讨论。通过望远镜，伽利略发现除了肉眼可看见的恒星，还存在其他无数恒星。这至少意味着宇宙很可能比之前猜想的大得多，甚至有可能是无限大的，其中包括无限多的恒星。伽利略本人并不支持这个观点，然而，在接下来的几十年间，“宇宙可能很大，甚至无限大”的观点占据了主导地位，而伽利略的发现，也就是宇宙中还有数量众多的恒星，可以与这个关于宇宙的新观点拼合在一起。
