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是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。阿波罗尼用他那颗非凡的数学脑袋，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。”

图3-1　本轮均轮示意图

“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，这就是为什么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那个时代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。这种局面终于在四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，就是有着近乎于上帝的能力。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年～168年）。

托勒密的祖籍是希腊，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，完成一部古往今来盖棺定论式的天文学著作。

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。他也查到前人一些不同见解，尤其是一个叫做阿里斯塔克斯（Aristarchus，约公元前310年～前230年）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。

阿里斯塔克斯认为，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，阿里斯塔克斯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，公元前287年～前212年）的著作中读到阿里斯塔克斯这个观点的，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。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。”

托勒密最终果断地抛弃了地球自转的想法，重新回到了“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。你知道地球在自转是从课本上学来的，可是你真的理解地球的自转吗？现在问你个问题：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？我回答你：因为地球在自转。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。如果你对我的这个回答频频点头的话，那么我很遗憾地告诉你：你完全错了。如果把你放到2000年前的古代，你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。实际的情况是，坐飞机来回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。

一直要到托勒密死后1500年，才诞生了一位叫做伽利略的伟大科学家（Galileo Galilei,1564年～1642年），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得更艰辛。

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。

图3-2　托勒密的宇宙图像

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、土星到他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，思辨并不能带来真正的科学发现。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，他为每个本轮均轮都根据自己的天文观测详细设计了大小、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，托勒密为此恨恨不已。

转机来自一次偶然的发现。这一天，托勒密倘佯在浩瀚的古籍中，他打开一本已经残破不堪的古籍，发现其中记载了一位叫做依巴古的神童的生平，他仅仅活了19岁。但就是这位天才少年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依巴古的另一项重大发现：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。依巴古对春分、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。例如你仔细观察一颗树的影子长短在一年中的变化，你会发现每天同一时间影子的长短都是不一样的，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。依巴古发现，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？依巴古指出，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。

图3-3　依巴古指出地球处在偏心的位置

一语点醒梦中人，托勒密看到依巴古的这个发现后，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，这在人类历史上不敢说空前绝后，但肯定是极为罕见的了。

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划上了句号，柏拉图提出的“拯救现象”这一世纪难题也基本上得到了完美的解决。

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我们的宇宙的呢？