37　托勒密（公元90—168年）

說到地心說必提托勒密。

克勞迪亞斯·托勒密（Claudius Ptolemaeus），生于埃及的一個希臘化城市赫勒熱斯蒂克。羅馬帝國統(tǒng)治時期著名天文學(xué)家、地理學(xué)家、占星學(xué)家和光學(xué)家。

就在王充完成巨著《論衡》時，古羅馬的天才托勒密降生了。幾十年后，他也揮筆留下巨著——《天文學(xué)大成》（也譯作《至大論》）。

《天文學(xué)大成》共十三卷：

第一卷，概述托勒密體系；

第二卷，載現(xiàn)存最古老的三角學(xué)：一個列有間隔半度，精度為五位數(shù)的弦值表以及有關(guān)解球面三角形的方法；

第三卷，論太陽運動和年的長度；

第四卷，論月球和月份；

第五卷，除繼續(xù)討論第四卷的問題外，還討論了太陽和月球的距離并介紹了如何制作星盤；

第六卷，論日食、月食和行星的沖(1)、合(2)；

第七、八卷，主要論恒星，按喜帕恰斯星表列出1022顆恒星的黃道坐標(biāo)和星等，還提及歲差和天球儀的制作；

其余五卷詳論第一卷概述的托勒密體系。

除《天文學(xué)大成》，托勒密還著有《實用天文表》《行星假說》二卷、《恒星之象》二卷、《占星四書》四卷、《地理學(xué)指南》八卷、《光學(xué)》五卷、《日晷論》《平球論》《和諧論》三卷、《體積論》《元素論》等。

天文學(xué)

在古老的宇宙觀中，人們把天看成是一個蓋子，地看成是一塊平板，平板由柱子支撐著。

在公元前4世紀(jì)到公元前3世紀(jì)，對于天體的運動，古希臘人有兩種不同的看法：一種以歐多克斯為代表，他從幾何學(xué)的角度解釋天體的運動，把天上復(fù)雜的周期現(xiàn)象分解為若干個簡單的周期運動；他又給每一種簡單的周期運動指定一個圓周軌道，或者是一個球形的殼層，他認為天體都在以地球為中心的圓周上作勻速圓周運動，并且用27個球?qū)觼斫忉屘祗w的運動，到了亞里士多德時，又將球?qū)釉黾拥?6個。另一種以阿利斯塔克為代表，他認為地球每天在自己的軸上自轉(zhuǎn)，每年沿圓周軌道繞日一周，太陽和恒星都是不動的，而行星則以太陽為中心沿圓周運動。但阿利斯塔克的見解當(dāng)時沒有人能理解或接受，因為這與人們?nèi)庋劭吹降谋碛^景象不同。

托勒密于公元2世紀(jì)提出了自己的宇宙結(jié)構(gòu)學(xué)說，即“地心說”。其實，地心說是亞里士多德的首創(chuàng)，他認為宇宙的運動是由上帝推動的。他說，宇宙是一個有限的球體，分為天、地兩層，地球位于宇宙中心，所以日月圍繞地球運行，物體總是落向地面。地球之外有9個等距天層，由里到外的排列次序是：月球天、水星天、金星天、太陽天、火星天、木星天、土星天、恒星天和原動力天，此外空無一物。各個天層自己不會動，上帝推動了恒星天層，恒星天層才帶動了所有的天層運動。人居住的地球，靜靜地屹立在宇宙的中心。

托勒密全面繼承了亞里士多德的地心說，并利用前人積累和他自己長期觀測得到的數(shù)據(jù)，寫成了八卷本的《天文學(xué)大成》。在書中，他把亞里士多德的9層天擴大為11層，把原動力天改為晶瑩天，又往外添加了最高天和凈火天。托勒密設(shè)想各行星都繞著一個較小的圓周運動，而每個圓的圓心則在以地球為中心的圓周上運動。他把繞地球的那個圓叫做“均輪”，每個小圓叫做“本輪”。同時假設(shè)地球并不恰好在均輪的中心，而偏離一定的距離，均輪是一些偏心圓；日月行星除作上述軌道運行外，還與眾恒星一起，每天繞地球轉(zhuǎn)動一周。托勒密這個不反映宇宙實際結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)圖景，卻較為完滿地解釋了當(dāng)時觀測到的行星運動情況，并取得了航海上的實用價值，從而被人們廣為信奉。

《天文學(xué)大成》——古希臘500年天文學(xué)和宇宙學(xué)思想的頂峰——統(tǒng)治了天文學(xué)界長達13個世紀(jì)。這樣一本知識上參差交錯且復(fù)雜的著作，不是單獨一個人所能完成的。托勒密依靠了他的先驅(qū)者，特別是喜帕恰斯，這一點是無需掩蓋的。他面對的基本問題是：在假設(shè)宇宙是以地球為中心的以及所有天體以均勻的速度按圓形軌道繞轉(zhuǎn)的前提下，試圖解釋天體的運動。因為實際天體以變速度按橢圓軌道繞地球以外的中心運動，為了維護原來的基本假設(shè)，就要考慮某些非常復(fù)雜的幾何形狀。托勒密使用了三種復(fù)雜的原始設(shè)想：本輪、偏心圓和均輪。他能對火星、金星和水星等的軌道分別給出合理的描述，但是如果把它們放在一個模型中，那么它們的尺度和周期將發(fā)生沖突。然而，無論這個體系存在著怎樣的缺點，它還是流行了1300年之久，直到15世紀(jì)才被哥白尼推翻。

托勒密的天體模型之所以能夠流行千年，是有它的優(yōu)點和歷史原因的。它的主要特點是：

（1）地球繞著某一中心的勻角速運動，符合當(dāng)時占主導(dǎo)的柏拉圖思想的假設(shè)，也適合于亞里士多德的物理學(xué)，易于被接受。

（2）用幾種圓周軌道不同的組合預(yù)言了行星的運動位置，與實際相差很小，相比以前的體系有所改進，還能解釋行星的亮度變化。

（3）地球不動的說法，對當(dāng)時人們的生活是令人安慰的假設(shè)，也符合基督教信仰。

在當(dāng)時的歷史條件下，托勒密提出的行星體系學(xué)說還是具有進步意義的。首先，它肯定了大地是一個懸空著的沒有支柱的球體。其次，從恒星天體上區(qū)分出行星和日月是離我們較近的一群天體，這是把太陽系從眾星中識別出來的關(guān)鍵性一步。

《天文學(xué)大成》提出的三個模型為偏心輪、本輪-均輪和等距輪。偏心輪，地球處于偏離圓心的位置；偏心等距輪，地球處于偏離圓心的E處，本輪繞C′點勻角速運動，C′C=CE。在一年中，春分—夏至為92天19時；夏至—秋分為93天15時；秋分—冬至為89天20時；冬至—春分為89天0時。托勒密推得的天體視位置誤差不大于2°，這在近兩千年前已是非常精確完美的了。

托勒密本人聲稱他的體系并不具有物理的真實性，而只是一個計算天體位置的數(shù)學(xué)方案。至于教會利用和維護地心說，則是托勒密死后一千多年的事情了。教會之所以維護地心說，只是想用它證明教義中描繪的天堂、人間和地獄的圖像。所以，托勒密的宇宙學(xué)說同宗教本來并沒有什么必然的聯(lián)系。

托勒密的天文學(xué)著作經(jīng)阿拉伯學(xué)者之手而重為歐洲所知之后，又在歐洲保持了長時間的影響力，至少延續(xù)到16世紀(jì)。在此之前，沒有任何西方的星歷表不是按托勒密理論推算出來的。雖然星歷表的精確程度不斷提高，但由于托勒密所使用的古希臘本輪-均輪系統(tǒng)具有類似級數(shù)展開的功能，即為了增加推算的精確度，可以在本輪上再加一個小輪，讓此小輪之心在本輪上繞行，而讓天體在小輪上繞行。只要適當(dāng)調(diào)整諸輪的半徑、繞行方向和速度，總可達到要求。從理論上說，小輪可以不斷增加，以求得更高的精度，有些天文學(xué)家正是這樣做的。但其缺點也是顯而易見的，那就是過于繁瑣。之后哥白尼在《天體運行論》中放棄了這種表述，改用了更為簡潔的日心說。

地心說中的本輪-均輪模型，畢竟是托勒密根據(jù)有限的觀測資料拼湊出來的，它是通過人為地規(guī)定本輪、均輪的大小及行星運行速度，才使這個模型和實測結(jié)果較一致。但是，到了中世紀(jì)后期，隨著觀測儀器的不斷改進，行星的位置和運動測量越來越精確，觀測到的行星實際位置同這個模型的計算結(jié)果的偏差就逐漸顯露出來了。

但是，信奉地心說的人們并沒有認識到這是由于地心說本身的錯誤造成的，卻用增加本輪的方法來補救地心說。起初這種辦法還能勉強應(yīng)付，后來小本輪增加到80多個，仍不能滿意地計算出行星的準(zhǔn)確位置。這不能不使人懷疑地心說的正確性了。到了16世紀(jì)，哥白尼在持日心地動觀的古希臘先輩和同時代學(xué)者的基礎(chǔ)上，終于創(chuàng)立了日心說。

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(1)沖（opposition）：沖（chòng）日，簡稱沖。從地球上看，地外行星（火星）與太陽在相反方向成一條直線的時刻，就叫做行星（火星）沖日，是觀測行星（火星）的最佳時刻。如果沖日時火星正好位于近日點附近，就稱為“火星大沖”。火星大沖每15年或17年才會發(fā)生一次，上次發(fā)生的時間是2018年7月27日，下次則要等到2035年9月16日。

(2)合（conjunction）：由地球上看到太陽系里兩個天體（常是太陽和地內(nèi)行星）的黃經(jīng)相等的現(xiàn)象：如金星與地球都在太陽一側(cè)時，稱為下合，此時金—地距離最近；金星與地球位于太陽兩側(cè)時，稱為上合，此時金—地距離最遠。