柏拉图与“拯救现象”

总之，柏拉图的宇宙论如此与众不同，它能够为天文学和物理学提供某种理论模型和指导方向，特别是“两球模型”很好地解释了历法问题和日食、月食等现象。

但美中不足的是，有一个现象还是解释不了，那就是行星问题。

我们说到，柏拉图认为星空是最接近理念世界的东西，星空周而复始地旋转，亘古不变。圆周运动和直线运动不同，圆周运动无始无终，是永恒的运动，和地上事物有始有终的直线运动截然不同。

希腊人强行认为天界是永恒不变的，后来亚里士多德明确区分了月上天和月下天，认为在月球下方是充满变化的四元素的世界，而在月球之上是永恒不变的第五元素的世界。因此亚里士多德把彗星、流星等现象和云、雨、彩虹一道都归入大气现象，认为它们是发生在月下天的事情，都属于“气象学”的研究对象，至于太阳黑子、超新星之类的则完全被希腊人视而不见。但唯独对五大行星实在是无法视而不见了。

我们知道星空并非铁板一块，有几个不安分的星星，并不和其他星星步调一致，而是经常乱走，希腊人称它们为“漫游者”，也就是我们所说的“行星”。这几颗行星为什么乱走一气？表面上的混乱是否在背后其实仍然是有规律的？这是柏拉图提出的天文学课题，也就是要用永恒的匀速圆周运动来解释表面上混乱的现象，这就是所谓“拯救现象”。

行星的乱走主要指的是“留和逆行”。首先，几大行星当然也跟随恒星天球一道，每天旋转一周（我们现在知道这是因为地球的自转），然后每个行星也和太阳、月亮一样，在黄道面上以一定周期运动，月亮是1个月，太阳、金星、水星是1年，土星大约要30年（我们现在知道这是因为行星绕日公转）。这些都好解释，无非是这些行星并非镶嵌在恒星天球上，而是各有各的天球，而行星天球沿着黄道带方向又有不同的旋转速度。但问题是行星在黄道带上走得不安分，时快时慢的，在某些时期还会停下来甚至倒退。

我们现在知道，这是由于地球和其他行星一样都在绕太阳公转，因此行星在黄道带上的运动速度不仅取决于它本身的公转，还要看地球与它的相对速度，在地球与某个行星距离相对接近的时候，二者间的相对速度可能要快过行星本身的公转速度，从地球上看出去就发生了逆行现象（图4.3.1）。但这个现象在地静宇宙的模型下很难解释。当然，在其他文化里，这完全可以解释为行星的“任性”，然后阐发出各种相应的征兆。但希腊人固执地相信天界是不变的，行星的不安分不是什么神秘的征兆，而只是有待解释的现象。

柏拉图抛出了这个问题，马上就有人提供了一套答案。柏拉图的同事和学生欧多克斯（约公元前390年—公元前337年） 给出了“同心球模型”。

同心球模型提出行星的运动是好几个圆周运动的叠加（图4.3.2）。每一个行星都套在四层天球之中，最外层的天球每天旋转一周，第二层天球拟合了行星在黄道面的公转，比如火星是687天旋转一周，而最内层的两个天球是专门用来拟合逆行现象的。几个天球的旋转轴错开了不同角度，这样多个匀速圆周运动叠加到一起，就能够拟合出复杂的运动轨迹，调整好内层两个天球的角度和转速，就呈现出马鞍形的运行轨迹，解释了行星的逆行现象。

欧多克斯为宇宙总共设定了27个天球——五大行星各4个，太阳和月亮各3个（太阳和月亮虽然没有逆行现象，但仍然多配了一个天球以解释对黄道面的偏离运动），外加最外层的恒星天球。稍后的卡利普斯进行了修订，又增加了7个天球，以便更好地拟合轨道并且解释四季长短的不同。最后亚里士多德又进行了补充，他在数学上没有任何修补，只是在各大行星的同心球之间额外添置了一些天球，保证天球之间互相接触，以便传递运动，可见至少在亚里士多德那里，同心球模型被认作是真实宇宙的一个力学模型。

图4.3.1　由于地球和其他行星的公转速度不同，从地球上看行星在天球上的运转就可能出现逆行现象

图4.3.2　同心球模型

我们无从得知柏拉图对欧多克斯解决方案的看法，但无论如何，这是一次成功的尝试，它显示了用非常简单的理论模型就可以拟合出看似复杂无序的现象。

当然同心球模型有很大的缺陷，首先它呈现逆行的马蹄形曲线是始终恒定的，但实际观测中每一次行星的逆行轨迹都不完全一样；其次它只能提供一个粗糙的定性解释，但实际的数据与之相差太远；最后是它不能解释行星的亮度变化，这种变化可以用行星到地球的距离变化来解释，但同心球模型无法呈现距离的变化——因为希腊人相信天界是不变的，所以不会认可亮度变化是行星自身的变化这样的解释。

但尽管如此，同心球模型也很可能被柏拉图认可，因为柏拉图所要求的本来就只是一个定性的解释，在柏拉图看来，天界只是最接近理念世界，但终究还差点儿，所以些许的不完美总是难免的，也许同心球模型就是巨匠造物主所设定的形式，但终究因为材料的限制，运转起来不能完全合乎理念，这也是没有办法的事情。对数理天文学的进一步发展就要到希腊化时期了。