从行星的轨道为什么是椭圆形说起
原创
叶洪涛
科学大院
2017-06-05
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作者：叶洪涛（中国科学院紫金山天文台）
一些年前，随口问一位天文学家：“为什么行星的轨道是椭圆形？”天文学家不假思索的答道：“你用牛顿的引力方程解一下，就会得到椭圆。”当时不禁震撼，怪不得阿西莫夫如此写道：“我认为大多数科学史家都会立刻异口同声地说，牛顿是世界上从未有过的最伟大的科学家。”是牛顿真正解开天体运行之谜，自从有了他的引力理论，行星的运行能够被精确计算，我们可以将日月食的预测推算准确到秒，也就此奠定了现代天文学的基础。
一些年后，突然震惊，上面这答案似乎并不是答案——难道牛顿说是椭圆就是椭圆？他是上帝吗？应该是轨道为椭圆，所以牛顿才得出椭圆的结论吧……那到底为啥轨道是椭圆？……
先有科学，还是先有科学理论？
古希腊诞生了最早的行星运动理论，即托勒密体系，“那时”太阳是绕地球转，而轨道是完美的圆形。此后一千多年，人们维系着这个理论体系，直到哥白尼提出日心说，不过运行轨道依然是圆形。
随着研究的深入，开普勒提出了行星的椭圆轨道，即开普勒第一定律。比较开普勒与牛顿，牛顿进一步为椭圆轨道赋予了原因——万有引力（其实还有另一个尴尬的原因——上帝在切线方向上的第一推动），也就此将天文学带入了物理学时代。
霍金以极其精炼的语言创作了科普读本《时间简史》，唯一反常的是，他在书的开头和结尾，重复同一话题：科学理论只是科学家头脑中的数学模型。为什么他要特别强调这一点？
早年法国天文学家拉普拉斯被拿破仑问到他的巨著《天体力学》里为啥没有提到上帝时，坚定地回答：“我不需要上帝这个假设！”那么不要上帝这个假设，需要什么假设呢？
在人类寻常的思维习惯中，总是有果必有因，并且这原因还应该是具体而实在的。但在科学中，情况并非完全如此。
请允许我离开天文学一小会儿，回忆一下化学。
现代天文学和物理学的奠基人是牛顿，而现代化学的奠基人则是拉瓦锡，他为现代化学创造了基础理论——氧化学说。在他之前，曾有一个通行的理论叫“燃素说”，即所谓燃烧就是可燃烧物质中燃素的消耗过程。但随着越来越多实验的进行，人们发现很多物体燃烧后不是变轻而是变重了，自此燃素说显然站不住脚了。于是氧化理论诞生了，现代化学诞生了。
而让人不由联想的是，人并不能决定自然现象的发生，如果从来没有一种物体燃烧后会变重，那么何年人类才会建立氧化的概念？确实，人的认识永远受自然的制约。但又确实，历史不能也无需假设，而且从对人类智慧的自信我也认为氧化学说必然产生。（“离题”更远点，之所以有“燃素说”似乎只是由于人们当时并没有把气体当做物质看。）
如此看来，科学可以说是人类与自然之间的纽带。用比喻的说法，新郎、新娘、月老都确有其人，科学理论就是那根传说中一线牵的红绳。科学最根本的目标是说明自然界各种现象之间的关系；人为创造的科学理论、科学定义、科学概念并不一定要具有实在性，更多只是一种表述。就像磁力线是对磁场的描述性概念，其具体存在与否并非要点。也可说，相信引力理论的正确性与坚信有一个叫做引力的东西存在是可以分开的两件事。
（这也许不是必须解决的现实问题，但至少意味着一种眼界和胸怀。）关键是，更好的更先进的科学理论提升了人类的认知水平，例如精确度。所以文章开头的那个答案其实合格，只要愿意放弃对实体性答案的追求。毕竟，连牛顿本人也只好抬出上帝。（不得不承认理论的正确性是结果导向性的，只要是对得上的数据就是好数据，只要是对得上的理论就是好理论，这与邓氏的猫理论异曲同工。）
所以，科学是揭开自然之谜的解题思路。任何理论上的结果，在现实中，严格意义上都无法确定其存在。无论1、2、3亦或是π，无论点、线、面亦或是直角。所有结论都只是人类思维与自然现象的偶合。
世上无绝对性的真理
任何理论都建立在假设之上（不管多么合理且显而易见的假设本质上都还是假设），现代对理论合理性的要求只是其内部的自洽。这种认知方法，开始于数学，开始于几何，开始于高斯，是他第一个开始质疑欧几里得几何中平行公设的不