三 古代天文学之大成

早在阿波罗尼之前，人们就注意到“五大行星”不仅运动的方向经常发生变化，它们的亮度也会发生变化。阿波罗尼第一个指出，这个亮度变化是“同心球”理论的致命漏洞。按照“同心球”理论，“五大行星”与地球的距离是永远不变的。并且根据毕达哥拉斯学派的宇宙数字和谐的思想，这“五大行星”与地球的距离也应该符合简单的整数比的关系。但是，如果“五大行星”与地球的距离不变，那么为什么它们的亮度会发生变化呢？根据当时人们普遍相信的理论解释，“五大行星”发光是反射“天火”发出的光芒，因此它们的亮度只跟距离有关。即便是亮度要发生变化，也应该是同时发生变化，而不应当是各自发生变化。

这的确是“同心球”理论无法解释的一个现象，这个存在了将近一个世纪的理论遇到空前危机。不过，解铃还须系铃人，提出质疑的是阿波罗尼，解决问题的还是阿波罗尼。他是个数学奇才，他创造性地在“同心球”理论的基本框架下面又提出了另外一个模型，完美地解决了行星亮度变化的问题。阿波罗尼是这样解释他的理论的：

“各位，同心球也好，水晶球也好，其实都不对，行星的运动并不是被好多个互相嵌套的球带着跑。”

“不是球那是什么？”

“是轮子！”

“轮子？”

“对，就是轮子。当然，我指的轮子是一个虚拟的轮子，行星运动的轨迹是一个个的轮子。首先，每个行星本身都绕着一个中心点做匀速圆周运动，这个运动的轨迹形成的轮子我称之为‘本轮’；而本轮的中心点又绕着地球做着匀速圆周运动，这个中心点的运动轨迹形成的轮子我称之为‘均轮’，请看下面这张示意图。”

“看到了吗？从地球望过去，行星就会做时而顺行时而逆行的运动，并且我们还可以从该图中看出，行星到地球的距离也是在不断地变化着，这就是行星的亮度也在不断变化的原因。”

阿波罗尼说完得意地一笑，他是有资本发出得意的笑声的，因为阿波罗尼的思想整整超前了 400 多年。在此后的 400 多年中，与阿波罗尼具备同样思想的天文学家并不多，“本轮、均轮”理论也和“同心球”理论长期并存，并且一直处于下风。这种局面终于在 4 个多世纪之后发生了彻底改变，这是因为又一个天才的出现。他是天文学界公认的古代天文学的教父级人物，也是第一个能够正确预报日食、月食以及行星排列图形的天文学家，能做到这一点，在当时的人类看来，就是有着近乎上帝的能力。在他死后的整整 15 个世纪中，天文学的所有标准教科书都在教授他的理论，他就是克罗狄斯·托勒密（Claudius Ptolemaeus，约90 — 168）。

托勒密的出生地在今天的希腊境内，他深受古希腊文明的熏陶，精通古希腊人发展出来的天文学、数学、哲学、物理等学科。他本人是罗马帝国的公民，生活在亚历山大城。托勒密一生痴迷天文学，并且是真正的实干派，醉心于天文观测，在他的观测室中摆满了别人或者他自己发明的各种天文观测仪器。每到晴朗的夜晚，托勒密总是聚精会神地观测“五大行星”的运动，认真测量并记录各种数据。除了观测，托勒密对前人的理论也是如数家珍。但是，他对天体运动的观测越深入，就越是对前人的理论感到不满。他有一种迫切的使命感，觉得非常有必要总结前人的所有理论，然后再结合自己的实际观测数据，完成一部空前的天文学著作。

托勒密首要思考的一个问题是：日月星辰每天都要东升西落，这是所有天体的共同规律，造成这个现象的数学原理到底是什么？托勒密遍查所有的典籍，按照最“正统”的理论解释，原因是所有的天体都在一个每天转一圈的“同心球”或者“本轮”上。他也查到前人的一些不同见解，尤其是一个叫作阿利斯塔克（Aristarchus of Samos，约前310 — 前 230）的古希腊天文学家、数学家的大胆观点引起了托勒密的特别注意。

阿利斯塔克认为，日月星辰之所以会每天东升西落，原因很简单，那就是我们的大地，也就是“地球”每天都要自转一周。从我们的角度看过去，就变成了日月星辰每天绕着我们转了一周。然而，阿利斯塔克却提不出什么证据来佐证他的这个观点。之所以会有这样的观点，完全是出于一种数学考虑，他认为用地球自转来解释日月星辰的视运动是最简单和谐的。

托勒密是从阿基米德（Archimedes，前 287 — 前 212）的著作中读到阿利斯塔克这个观点的，托勒密深为所动。因为托勒密也深受毕达哥拉斯学派的影响，对数学也有着一种洁癖，深以为宇宙就应该符合简单和谐的数学美。然而，托勒密很快就否定了“地球自转”这个可笑的想法，他是这么说服自己的：

“如果脚下的大地一直是在转动的话，那么天上的云彩为啥不会集体向西飘去呢？我向上扔起一块石子，它总是会落回我的手上，如果我是随着大地一起转动的话，那么抛出去的石子在落回来的时候，肯定要往西偏一个角度了。可是，经过无数次极为细致的观察，这种现象并不存在。虽然从数学上来说，地球自转是最简单的解释，但从物理法则上是完全说不通的。”

很遗憾，托勒密最终果断地抛弃了地球自转的想法，重新回到了所谓“正统”的观点上。在当时的年代，托勒密的思考完全是合乎逻辑的，他无法想象，假如地球自转，抛出去的石子怎么会落回原地？这是一种非常朴素自然的观点。我想再次强调的是，古人的智商一点也不比我们低。今天每个人都知道地球在自转，但都是从课本上学来的，并不是出于自己的独立思考。其实大多数人的运动观与托勒密是相同的。比如，你不妨思考一下这个问题：我们经常听说从中国坐飞机到美国和从美国飞回中国需要的时间不同，那么造成这个现象的原因是什么？如果有人这么回答：因为地球在自转啊，如果迎着地球自转的方向飞，当然会早一点到达目的地，反过来自然要晚一点到达。如果有人对这个回答频频点头的话，那么我会很遗憾地告诉他：你完全错了，你依然没有摆脱托勒密时代的运动观。如果把他放到 2000 年前的古代，他也必定可以从抛起来的石子落回原地这个现象上得出地球绝不可能自转的结论。

飞机从地球上起飞的那一刻起，实际上已经带着与地球自转速度相同的初速度，不管是顺着地球自转的方向飞还是反过来，它与地球的相对速度都是一样的。真实的情况是，坐飞机往返中美花费的时间和上面那个听上去合理的地球自转的解释刚好相反，迎着地球自转方向飞反而要花更多的时间，因为真正影响飞行时间的原因其实是大气环流对飞行速度的影响。

一直到托勒密死后 1500 年，才诞生了一位叫作伽利略（Galileo Galilei，1564 — 1642）的伟大科学家，是他揭示出抛上天空的石头依然落回原地的物理规律，那是一个了不起的发现。本书的后面会大篇幅介绍伽利略，现在你仍然需要点耐心，继续听我讲托勒密的故事，人类的发现之旅远比你想象的更艰辛。

托勒密在认真思考和总结了前人的思想后，画出了一个基本的宇宙图像。

在这幅图像中，托勒密阐述了他的基本宇宙观：

1.球形的地球在宇宙的中心，静止不动。

2.月亮和“五大行星”在本轮和均轮上做着运动。

3.太阳只有均轮没有本轮。

4.水星和金星的本轮中心始终位于日地连线上，该连线一年中绕地球转一圈。

5.火星、木星、土星到它们各自本轮中心的直线总是与日地连线平行，这三颗行星每年绕各自的本轮中心转一圈。

6. 恒星天每天绕地球转一周。

7. 日月和“五大行星”除了各自的本轮、均轮运动外，还会跟着恒星天一起绕地球转一周。

其实，画一幅宇宙的图像并不是什么真正了不起的事情，在托勒密之前，不知道有多少人画过各种各样的宇宙图像。只要愿意，是个人就可以拿起树枝在地上画一个他心目中的宇宙图像，并阐述自己的理由。人人都可以用哲学思辨的方式思考宇宙的图像，然而普通人只能停留在思辨上，在科学史上，由纯思辨带来的科学发现极为罕见。这是因为，除了哲学思辨，我们更需要的是数学计算和观测实证。托勒密的伟大之处就在于他不是仅仅停留在哲学思辨上，而是根据自己的天文观测为每个本轮、均轮都详细设计了大小、角度和速度值，并且以此来计算预测天体的位置。如果自己的预测和实际观测到的现象不相符，他就会修正各种参数或者增加本轮的数量。随着计算和观测的深入，本轮的数量越加越多，到后来，本轮的总数已经增加到了 80 个之多。然而，即便是有了 80 多个本轮，羊皮纸都已经被画得没法看了，天体位置的预测仍然有着不小的误差，托勒密为此头痛不已。

转机来自一次偶然的发现。这一天，托勒密徜徉在浩瀚的古籍中，他打开一本已经残破不堪的古籍，发现其中记载了一位叫作喜帕恰斯的天文学家的生平。这位天文学家通过长期不懈的天文观测，发现了很多让现代人都惊叹不已的天文学现象。比如，他通过各地对日食的观察记录（不同的地方月亮对太阳的遮挡程度不同，有的地方是全食，有的地方是偏食），计算出地球到月亮的距离是 59 ～ 67 个地球半径，这与我们今天知道的 60 个地球半径已经非常非常接近，那可是在 2100 多年前啊！而真正引起托勒密注意的是喜帕恰斯的另一项重大发现：四季持续的天数不均匀。

按照正统的观点，太阳绕着地球运动的轨迹是一个正圆，那么一年四季应当是完全均分的。喜帕恰斯对春分、夏至、秋分、冬至的时间点都做了精确的观测记录，这些时间点其实就是太阳在天空中视位置仰角来回摆动的变更点。例如你仔细观察一棵树的影子长短在一年中的变化，就会发现每天同一时间影子的长短是不一样的，从夏至到冬至，从冬至到夏至，总是逐渐变长再逐渐变短。而由至长点变短、由至短点变长的那个时刻正是冬、夏季节变化的分界点。或者你详细记录每天太阳升起的不同时间，也可以找到季节变化的临界点。喜帕恰斯发现，秋天最短，是 88.125 天，冬天是 90.125 天，春天最长，是 94.5 天，夏天是 92.5 天。为什么会有这种现象呢？喜帕恰斯指出，这是因为地球不在太阳圆周运动的中心点上，而是在一个偏心的位置上。

真是一语点醒梦中人，托勒密看到喜帕恰斯的这个发现后，犹如醍醐灌顶。他立即修正了自己的宇宙模型，把地球的位置从正中心挪开一点点，放到了一个偏心的位置上。做出这个小小的改变之后，奇迹出现了，计算值和观测记录的相符合程度大大地增加了，天体的一切运动似乎都回到了“合理”的范围内。在这个新模型中，托勒密对天体预测的精度大大增加，他为此兴奋得手舞足蹈，终于可以动笔写书了。

在公元 2 世纪中叶，托勒密的晚年，耗费了他一生心血的鸿篇巨著《天文学大成》终于完成。这是一部里程碑式的天文学著作，总共十三卷。第一卷，基本内容概述；第二卷，预备知识；第三卷，太阳运动；第四卷，月亮运动；第五卷，测定和推算月地距离和日地距离；第六卷，日月食计算；第七、八卷，岁差、恒星星表；第九至第十三卷，“五大行星”的运动。这部天文学巨著是人类历史上第一部系统阐述天文学的著作，它是集古代天文学之大成之作，在此后的 1500 年中，它将成为无人敢于挑战的成熟理论，同时也成为天文学的教科书。一本教科书 1500 年不改版，如果不是另外一部神作《几何原本》的存在，我就可以说它是空前绝后的了。这是人类历史上第一部系统性的天文学著作，也是人类文明的丰碑之一。

虽然我们现在都知道，托勒密的宇宙观已经被修正了，然而，这在当时依然是人类智慧的伟大胜利。用托勒密的理论可以相当准确地预报日食和月食，误差时间在一小时以内，也可以基本预报“五大行星”的运动位置，误差时间只在几天之内。

从毕达哥拉斯到托勒密，至此，古代天文学的发展基本上就画上了句号，柏拉图提出的“拯救现象”这一世纪难题也基本上得到了解决。

我知道，此时你心里很有可能在想一个问题：那我们中国人呢？中国人创造了那么灿烂辉煌的中华文明，在这几千年中，中国人又是如何思考宇宙的呢？ SsT2JnMrE3YK1TQHiaqVeIfj2QUMvLyt6bfduL/Zg7E9fWhEPLVDPJcwbaKqLBAn