晶莹的天球：古希腊人的天体理论

2023-09-17 理论教育版权反馈

【摘要】：第2章晶莹的天球古希腊人的同心球体系相当合理地解释了行星的运行九重天古希腊是人类历史的一大传奇，涌现出一大批探索真理的伟大智者。西塞罗描述的地心说称为亚里士多德体系。至于恒星天空，因为众星之间的相对位置从不变化，恒定不动，看上去如同一个镶满钻石的晶莹球壳，容易判断它们比行星远得多，就是七曜之外的第八重天。托勒密这样认真的天文学家对此感到很不满意。

第2章　晶莹的天球

古希腊人的同心球体系相当合理地解释了行星的运行

九重天

古希腊是人类历史的一大传奇，涌现出一大批探索真理的伟大智者。到托勒密的时代，地心宇宙体系已经初具规模，那是前几辈先贤们如毕达哥拉斯、柏拉图、亚里士多德等人的智慧成果。公元前1世纪古罗马演说家西塞罗在“西庇阿之梦”中，描绘了那个时代希腊人的宇宙观，它已经遥遥领先于古代各民族的宇宙观：

宇宙是九重天，或者说由九个运转着的球组成。外面一重球叫恒星天球，上面钉着所有的恒星。下面有七重球，都以和天球相反的方向在运动。和恒星天球最近的一重天是土星，下面一重球是赐予人恩惠的木星，再下面是可怕的红色火星；这下面便是太阳，它是君王，是统治群星的主宰，是世界的灵魂，它用它那巨大而明亮的球体，以光辉充满宇宙。在太阳以下有一对伴侣，即金星和水星。最低的一重球才是月亮，它的光是从太阳借来的。在这最低一重天下面，生息着将要死亡腐朽的众生，但慈悲的神给予众生的灵魂却是永恒的。月亮上面的一切皆是永恒的。我们的地球位于宇宙的中心，远离诸天，静止不动；一切有重量的物体都被牵引向地上来……

西塞罗描述的地心说称为亚里士多德体系。亚里士多德生活在公元前4世纪，和中国的庄子同一个时代。他讲课风格不拘一格，常常一边漫步于走廊和花园，一边和学生讨论，也常被称为逍遥学派。

古代哲学家试图解释的宇宙，最主要的是七大天体，就是五大行星再加上太阳、月亮，它们合起来又称为七曜，是古代各民族共同关注的对象。古巴比伦人曾经建造了七星坛祭祀七曜，七星坛分七层，每层一个星神，从上到下依此为日、月、火、水、木、金、土七神，七神轮流主管一天，周而复始，这就是星期的由来：

星期日　星期一　星期二　星期三　星期四　星期五　星期六

太阳神　月亮神　火星神　水星神　木星神　金星神　土星神

日月五星这七曜，再加上恒星天以及由神灵居住的最高天，就是九重天。九重天由高到低的排列顺序是：

最高天

恒星天

土星天

木星天

火星天

太阳天

金星天

水星天

月亮天

各重天的顺序如何确定呢？依据它们的移动速度。日月五星在黄道星座里周而复始地运行，但它们在星空走完一圈的周期是不一样的，早在4000年以前，人们就有了下面这个表里的数值：

周期长是因为速度慢，速度慢通常意味着距离远，从月亮到土星的七层天顺序就确定下来。至于恒星天空，因为众星之间的相对位置从不变化，恒定不动，看上去如同一个镶满钻石的晶莹球壳，容易判断它们比行星远得多，就是七曜之外的第八重天。八重天外，是看不见的宗动天，那是神灵的居所，是第九重天。

顺行逆行的解释

亚里士多德的宇宙体系看似完美，但明显不够完善，比如无法解释行星逆行。当行星调头向西逆行时，它所在的天球难道会反转运行吗？托勒密这样认真的天文学家对此感到很不满意。

托勒密大约于公元90年出生于希腊，同当时许多伟大的学者一样，他也来到地中海港口亚历山大求学。那时的亚历山大是一个传奇城市，它由马其顿帝国的缔造者亚历山大建造。亚历山大是亚里士多德的学生，他继承了老师对知识的热爱，于公元前259年在亚历山大海港建造了人类早期最伟大的图书馆，传说极盛时期图书馆内收藏的各类手稿逾70万卷。让人惊讶的是亚历山大人对于书籍的热爱程度，他们用各种手段搜集书稿，甚至不惜把来往亚历山大港口的外地商船扣留下来，直到船上的书稿被抄下来才允许离开。四方学者纷纷云集此地，或讲学，或求学，很快，亚历山大成为世界知识的中心。托勒密就有二十多年生活在亚历山大城，期间写就的《至大论》成为此后一千多年间天文学领域的权威经典，托勒密本人也成了遥不可及的神话般人物，被视为真正的亚历山大之王。

托勒密雄心勃勃，决心建立一个完美的宇宙体系，他效法欧几里得，先列出一些公理，然后再外推，这些宇宙学公理共有5条，在托勒密看来都是不言自明的：

1.大地是一个球；

2.地球位于宇宙的中心；

3.地球是静止不动的；

4.各层天是球形的，围绕着地球旋转；

5.与遥远的各层天球相比，地球小得像一个点。

这样，为解释行星逆行，托勒密下面的做法是很自然的：

给行星安上一个本轮！

即行星并不直接绕地球运行，而是在一个叫本轮的小圆圈上做圆周运动，本轮中心围绕着地球做大圆周运动，这个大圆周叫行星的均轮。仔细想一想，它是不是一举解释了行星的顺行、逆行和亮度变化，同时又符合托勒密的所有宇宙学公理呢？这个聪明的方案其实并非托勒密首创，而是比他早三百多年的阿波罗尼奥斯想出来的，阿波罗尼奥斯是和欧几里得、阿基米德齐名的古希腊大数学家。

以木星为例，木星本轮中心沿均轮自西向东环绕地球运行，周期约12年，所以人们会看到木星约12年在天球上走一圈，大部分时间里是自西向东顺行的。木星还沿着本轮旋转，一年转一圈，当它运行到本轮下方靠近地球时，看起来就逆行了，而且由于距离地球更近，它也变得更亮了。

圆轨道的信仰

本轮解释了行星的逆行，但还有一个比较麻烦的问题。古希腊像其他文明一样，有强烈的天尊地卑观念，认为天上的一切都是完美而永恒的，既然这样，天体的轨道必然是正圆才行，否则就不完美，亚里士多德在《论天》里写道：

月亮以下的东西都是有生有灭的；自月亮而上的一切东西，都是不生不灭的。在月亮以下的领域里，一切东西都是由土、水、气、火四种元素构成的；但天体则是由第五元素—以太构成。各层天都是完美的球形，越往上的天越神圣，它们沿正圆形轨道运行，因为以太是完美的，所以它只会做完美的等速圆周运动。

这信条使问题变得复杂，因为行星在天空的运行速度并不均匀，有时快，有时慢，比如火星，它走完轨道的某个半圈要比另外半圈慢80天。

托勒密当然很清楚，但他坚信不均匀是表象，本质还是匀速圆周运动。怎么协调呢？托勒密把地球稍稍偏离宇宙中心，这样，从地球上看去，行星运行速度就不均匀了，这是一种偏心圆体系，其实已经接近椭圆，但椭圆在信仰上不正确，因而托勒密不予考虑，直到1500年以后开普勒才发现行星轨道是椭圆。

宇宙是如何运转起来的呢？和亚里士多德的解释一样，首先转动起来的是宗动天，它由神来推动。神一旦推动了宗动天，宗动天就把运动传递到恒星天，恒星天带动土星天，土星天带动木星天，由高向低依次传递，整个宇宙就永不停息地运转起来。

这实在是一个相当完美的宇宙，行星运行得到了合理解释，神与人也各得其所，一切都安排得极为妥当。托勒密无比喜悦，他写道：

虽然我的生命有限，

譬如朝露，

但只要仰望布满星斗的穹苍，

即使只有片刻，

我就有如羽化升天，

与造物主接触，

我快乐的灵魂也将化为永恒……

一次巨大飞跃

我们的教科书里普遍批判地心体系，很多人就把地心体系看作愚昧落后的代表，这是相当不公平的，后来出现的地心说与日心说的斗争，是宗教意识形态造成的，与地心说本身关系不大。实际上，托勒密的宇宙体系相当厉害，它能够在任何给定的时间点上，推算并预言各个天体的位置，而且精度相当高。

在那个时代，世界各民族还普遍用精灵主义和神话传说解释宇宙，托勒密等古希腊人把天体运行理解成一种自然规律，并构造出地心体系这样一个相当科学的宇宙模型，这当然是一个里程碑式的伟大成就，是人类认识宇宙的一次巨大飞跃。托勒密当之无愧地成为天文界泰山北斗式的人物，也是人类科学史上极少数最伟大的人物之一。

然而，在中世纪的欧洲，托勒密的巨著《至大论》竟然失传了好几百年，阿拉伯人保存了它。公元1175年《至大论》从阿拉伯文译回拉丁文，才重回欧洲，先是受到压制，经过公元13世纪经院哲学家托马斯·阿奎那的重新诠释，才被接纳为官方意识形态。其结果是，地心宇宙结构和宗教信仰结合在一起，极大地影响了欧洲乃至整个人类的精神世界。

14世纪意大利诗人但丁那气势磅礴的《神曲》里描写的地狱、炼狱和天堂，就建立在托勒密地心宇宙体系基础上。文学艺术的渲染力量，加上宗教的宣传，使天文学家的宇宙观迅速进入社会大众的心灵深处。

《神曲》里描述的地狱形似一个大漏斗，以耶路撒冷为中心向地心延伸，从上到下逐渐缩小，到地心缩为一个点。和宇宙的九重天相对应，地狱也是九层，灵魂的罪恶越大，堕落的地狱越深。

地狱漏斗的最底端就是地心，是掌控地狱的魔鬼撒旦所在之处。越过地心就是炼狱，炼狱矗立在净界山上，共有七级，犹如七级宝塔，越往上越小，最后从南半球的大海中升出地面；然后是地上的乐园，加上底层的净界山，炼狱也共有九层。

最上面的乐园里鸟语花香，从乐园仰望天空，那里是南半球的星空，头顶上闪耀着星光灿烂的十字架—南十字星座。

但丁写道：

我把心神

贯注在另外一极上，

我看到了

只有最初的人见过的四颗星。

“最初的人”指基督时代也就是公元1世纪的人，四颗星就是南十字座的四颗亮星，在很多文学作品里，这四颗星周围住的天空被看做天堂的入口。那时在耶路撒冷能看见南十字座位于地平线附近，由于地轴进动，现在北纬30度以北看不到这四颗星了，所以“只有最初的人见过”。

《神曲》里，但丁和他的梦中情人贝阿特丽切一起向上飞升，依次飞越九重天堂，这九重天堂就是古希腊地心体系里的九层天球。

权威与缺陷

托勒密地心体系被中世纪后期欧洲官方意识形态推上辉煌的巅峰，在长达几百年时间被奉为不容置疑的真理，但其缺陷也渐渐暴露出来。地心宇宙用语言描述是轻松简单的，在实际计算和预测时，却是复杂繁琐的，随着时间推移，误差越来越大。为了修正误差，后来的天文学家们复制托勒密的思路，在本轮上再加小本轮，通过反复调整小轮的数量、半径和旋转速度，总能使理论和观测大致符合。其结果是，本轮套本轮，重重叠叠不断增加，以致最后各种轮子总数竟达80个之多！宇宙变得复杂难解，远远偏离了古希腊人对宇宙持有的简单和谐的信念。

13世纪，通晓天文学的西班牙卡斯提腊国王阿尔芒斯（1221～1284）感到这个体系太复杂，说道：“上帝创造世界的时候，要是向我征求意见的话，天上的秩序可能安排得更好些。”他很快被指控为异教徒，王位也被革除。

晶莹的天球：古希腊人的天体理论

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