世界古代中期科技史-第12章
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不赞叹他们抽象思维能力的高超。
②天体形状与宇宙结构。毕达哥拉斯学派从美学观念出发,认为宇
宙是完善的,宇宙中所有的天体的形状和它们的运动轨道也都应该是完
美的。那么,什么样的形状是完美的呢?毕达哥拉斯学派认为,一切立
体图形中最美的是球形,一切平面图形中最美的是圆形;因此,天体的
形状都是球形,它们的运动都是匀速圆周运动。毕达哥拉斯学派还提出
了宇宙系统结构的图像:球形的地球位于宇宙中心,它的周围区域称为
乌拉诺斯,也就是天空,充满着空气和云;乌拉诺斯以外的一个区域称
① 亚里士多德:《形而上学》,引自《西方哲学原著选读》上卷,第18 页。
① 拉尔修:《著名哲学家的生命和学说》,引自《西方哲学原著选读》上卷,第20 页。
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为科斯摩斯,是太阳、月亮和行星作匀速圆周运动的地方;科斯摩斯以
外的一个区域称为奥林波斯,是纯元素聚集之地,也是恒星所在之处;
最外层的区域是天火,见图4。1。天体运动轨道是正圆形的观念由此延续
了近20个世纪。直到17世纪初期,德国天文学家开普勒(1571~1630)
首先发现火星的轨道是椭圆形,进而又发现了每个行星都沿椭圆轨道运
行,这个观念才得到修正。
图4。1毕达哥拉斯学派的宇宙图像
③天体运动与宇宙和谐。毕达哥拉斯学派曾提出宇宙中心是永不熄
灭的大火,称为“中央火”(不是太阳),地球就绕着这个中央火每天
转动一周。由于人们正好住在地球背离中央火的一面,而以另一面对向
它;同时,地球与中央火之间还有一个“反地球”,将地球和中央火隔
开,“反地球”的运动速度与地球一致。因此,人们始终看不到中央火。
这是一种十分大胆的见解,因为在当时一般都认为地球处于宇宙的中
心。毕达哥拉斯学派能把地球放在一个运动中的普通天体的地位,可以
说是为最早的日心地动说的产生准备了条件。可惜的是,后来毕达哥拉
斯学派取消了中央火假说,而重新把地球放在宇宙中心的位置上。当然,
他们也并不是在所有的问题上都向后退,毕达哥拉斯学派提出了地球在
自转,认为恒星天静止不动,地球每天绕轴自转一周。此外,毕达哥拉
斯学派学还提出了“宇宙和谐”理论。他们认为天体运行时会产生出乐
音来,这是因为天体之间距离的比率是和已知的音程一致的。他们认为
日、月、星辰的轨道和地球的距离的比率分别等于三种主要的和音:八
音度(2:1)、五音度(3:2)、四音度(4:3),而这种声音只有少
数贤哲才能听到。在这种带有迷信色彩的说法中,体现着毕达哥拉斯学
派对天体运动规律的追求。这种“宇宙和谐”的理论,还体现在天体数
目的和谐上。为此,毕达哥拉斯学派引进了一个设想的天体——反地球。
他们认为10是一个最和谐的数字,而日、月、五颗行星(水星、金星、
火星、木星、土星)、地球,再加上最外面固定不动的恒星天球,只有9
个,引进了这个设想出的反地球,天球层的总数正好就等于10了,满足
了宇宙和谐的理论。
毕达哥拉斯学派的宇宙论所表现的科学水平是比较高的,譬如,关
于地球围绕中央火运动,关于反映天体彼此位置的数学关系等思想都是
超出同时代人的。由于在古希腊时代,哲学、宗教与科学尚未完全脱离
而处于混沌不分的状态,毕达哥拉斯学派的宇宙论中也夹杂着不少宗教
的成份,带有一些神秘的色彩,但这终不能掩盖住其中科学的光辉。这
种深信宇宙具有数学结构的思想,甚至影响着一些现代物理学家。
3。古希腊时期的地心说与日心说
描述天体运动的宇宙结构模型是古希腊宇宙论与天文学的一个中心
议题。
(1)柏拉图和欧多克斯的同心球体系
同心球体系是由柏拉图学派提出并加以发展的。公元前387年,柏
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拉图(公元前427~前347)在雅典城外开办了一所学校,起名为亚加德
米(即学园)。这个学园的课程有算术、几何学、声学、天文学等学科。
柏拉图作为这个学派的领袖和重要代表人物,他的思想影响是很大的。
在他的晚年写了一篇《蒂迈欧》,讲到宇宙的结构、天体的运行,尽管
这不是他的主要著作,天文学方面的研究也只是他所有研究中的次要方
面,但是他的理论却具有一定的开创作用。
柏拉图接受了毕达哥拉斯学派的关于一切立体图形中最美的是球
形,一切平面图形中最美的是圆形的观点。他提出了一种同心球宇宙结
构模型,认为地球不动并处于同心球体系的中央,从地球向外,依次是
月亮、太阳、水星、金星、火星、木星和恒星,这些天体都绕地球作圆
周形转动。这样一个同心球模型不能解释太阳和月亮的不均匀的运动,
也不能说明行星为什么有时顺行而有时又逆行的现象。
为此,柏拉图的学生欧多克斯(公元前409~前356)对柏拉图的宇
宙结构模型进行了改进。欧多克斯认为,地球是宇宙的中心,其它天体
都在同心的透明球体上绕地球转动。图4。2是欧多克斯描述天体运动的
同心球模型示意图。恒星都在一个半径最大的球上围绕通过地心的轴(NS
轴)每天旋转一周,日、月和行星的运动则用一套同心球的运动来表示。
日、月和行星都附在一层天球的表面上,这个天球有一固定在另一层转
大球面上的轴。当内球绕轴均匀转动时,这个轴又被外球带动作均匀转
动。外球的轴又被另一个更大的外球带动,恒星天球处于最外一层,它
带动所有天体球层运动。欧多克斯是通过调整各球层转动轴的角度,以
便对日、月和行星的运动作出同观测相符的解释。而且,由于这一模型
的实质是将一曲线运动用一些匀速圆周运动的组合来加以表示,因此按
照欧多克斯的设计,日、月各要3个球层,5个行星各要4个球层,连同
最外面的恒星天球则一共要27个球层。这是一种球层套球层的体系,用
它就可以把当时观察到的天象都解释出来。
图4。2欧多克斯同心球等美观
但是,随着天文观测精度的提高,为进一步与观测相符,这个同心
球体系中的球层的数目在不断增加。欧多克斯的学生卡利普斯使球层总
数达到34个。在当时,这种理论得到的计算数值与观测结果相当符合,
于是,它成为一种广为流传的观点。但是,这种理论也具有明显的缺点,
特别是球层数目的增加,使得同心球层的组合运动过于复杂,不但计算
起来比较麻烦,同时也难以给人真实感。
(2)亚里士多德的宇宙结构理论
亚里士多德(公元前384~前322)早期曾在亚加德米做柏拉图的学
生,后来他自己创立一个学派,被后人称为逍遥学派。亚里士多德是古
希腊最博学的学者,是古代知识的集大成者。他对各门知识有过系统的
考察和全面了解,他的著作是古代学术界的百科全书。
在天文学方面,亚里士多德继承并发展了同心球理论。他和柏拉图
等人一样,认为地球处于宇宙的中心,并且是静止不动的。他指出,如
果地球在宇宙间运动,那么对于地球上的观测者来说,就会“出现固定
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①
的星辰在变迁或旋转。可是我们观察不到有这样的事。”这就是说,能
否观测到天球上恒星的视差位移是判定地球运动与否的证据。任何人都
没有观测到这种位移,因此说明地球是不动的。这成为亚里士多德之后
近两千年间一直认为地球不动的理由。亚里士多德还和柏拉图一样,按
照天体运动周期的长短来排列它们与宇宙中心的次序。他和柏拉图等人
的最大区别在于:柏拉图等人提出同心球体系是作为一种理论上的辅助
工具来说明天体的视运动,那些球层都是假想的球面,而亚里士多德则
认为天体所附着的天球是实际存在的壳层,是物质实体。他认为天体的
运动需要外力推动,他在宇宙最外层的恒星天球外面加上一个宗动天,
是运动原动力的发挥地。他还设想那些实际存在的壳层是彼此相连接
的,宗动天的推动力会依次传到最里层的天球。同时,亚里士多德还认
为,每一天体都有自己的特殊运动,因此需要在各行星天球之间插入作
反向运动的新球层以抵抗上一层的运动。在亚里士多德的这个同心球体
系中,球层的总数已达56个,而且天体的次序已与柏拉图和欧多克斯的
不同。按亚里士多德的设计,宗动天之下依次是恒星天、土星天、木星
天、火星天、太阳天、金星天、水星天、月亮天,中心是地球。至于宗
动天为什么会运动,则说是上帝的推动。这究竟是不是亚里士多德的思
想尚待研究、考证,但这毕竟是使地心说体系被宗教神学奉为经典的原
因。
(3)阿波罗尼乌斯的本轮—均轮学说
随着一些新的天文现象的发现,使得同心球理论难以解释。例如,
根据同心球理论,天体都在以地球为中心的同心球壳上,它们之间的距
离是不会变化的;但是观测发现日食有时是全食,月亮能把太阳遮住,
有时又是环食,月亮比太阳又小一点,日面呈环状,这说明、月的距离
是有变化的。再如,天体运动有时快有时慢的现象,也与匀速圆周运动
的设想产生矛盾。公元前3世纪,古希腊天文学家阿波罗尼乌斯(公元
前295~前215)提出了本轮—均轮系统,既坚持了宇宙完美的观念,又
解释了同心球体系所不能解释的现象。阿波罗尼乌斯认为,地球仍处于
宇宙的中心,但他将所有的球层予以取消,代之以本轮和均轮的圆圈组。
他设想,以地球为圆心的圆叫均轮,而以均轮上的点作中心的圆叫本轮。
他认为,天体仍在绕地球运动,只不过天体本身并不在以地球为圆心的
均轮上运动,而是在本轮上匀速运动;本轮的中心才在均轮上绕地球匀
速旋转。这样一来,通过本轮和均轮的组合,行星运动时而顺行,时而
逆行;行星运动速度有时快有时慢;天体到地球的距离有时近有时远;
就都是十分自然的事情了。这真是一个十分巧妙的设计。本轮—均轮系
统与同心球理论中的地球中心思想,一同成为托勒密(公元85~165)地
心说的要点。
图4。3阿波罗尼乌斯的本轮一均轮系统
① 亚里士多德:《论天》,引自王太庆主编《西方自然哲学原著选辑》(一),北京大学出版社1988 年版,
第221 页。
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(4)希帕克斯的天文学贡献
希帕克斯 (约公元前190~前125)继承和发展了本轮—均轮学说,
通过对本轮、均轮的半径和运动速度做出适当的选择,就可以对天体运
动从数值上做出说明。希帕克斯的天文学工作是以观测和数学计算为特
色的。
希帕克斯利用天球仪对星座进行过系统的观察,对恒星的方位作了
精密测量,制订了一个不少于850个恒星的星表。这是西方的第一个基
本星表,托勒密在编制有1228个恒星的星表时显然吸收了他的成果。希
帕克斯的测量与计算工作还有:他测得一个太阳年等于
1 1 1
(365 … )日,即365天5小时55分12秒 比现代值约长6 分;
4 300 2
他求得月地距离与地球半径的比值是67。74,现代值是60。3;他算出月
球半径是地球半径的1/3,现代值是0。273。这些成果的精确性在古代都
是十分难得的。对于月亮的研究,希帕克斯认识了月亮的朔望月、恒星
月、近点月和交点月4种周期,他测得白道 (月球绕地球转动时在天球
上的运动轨迹,即月球轨道面与天球相交的大圆。)与黄道 (地球上的
人看太阳于一年内在恒星之间所走的视路径,即地球的公转轨道平面和
天球相交的大圆。)的交角为5°,并测得黄白交点在黄道上的运动周期
为19年。根据这些结果,他编制了几个世纪的太阳月亮运动位置表,利
用这些表可以预报它们的位置,而且还可以预报日食和月食。希帕克斯
还发现了黄道和赤道交点的缓慢移动,即岁差,他给出的每年相差36″
的值,在西方沿用了很长时间。希帕克斯曾被称为方位天文学的创始人。
(5)阿里斯塔克的日心说
阿里斯塔克(公元前310~前230)是希腊化时期(公元前332~前
146)亚历山大学派的一位著名天文学家,是一位很有独创性的学者。他
主张太阳和恒星都是不动的,而地球和行星都以太阳为中心作圆周运
动。他这一思想的产生很可能与他测量太阳、月亮和地球之间的距离有
关。阿里斯塔克提出一个巧妙的测量方法。他设想,上弦月的形成是因
为月亮接受太阳光的方向与地球观测者的视线方向正好垂直。这时,太
阳、月亮和地球应当形成一个直角三角形。他通过测出上弦月时,太阳
和月亮的角距是87°,算出太阳与地球距离是月亮与地球距离的19倍;
进一步,他得到太阳直径是地球直径的6~7倍,体积比地球大350倍的
结论。显然,这个结论从数值上看是不准确的,但是阿里斯塔克却是以
科学的方法研究天体的距离与大小的开创者。太阳比地球大得多,一般
的经验不容许一个大的东西绕小的东西旋转。由此出发,阿里斯塔克提
出地动日心说也是自然的。他认为,地球每天自转一周,每年绕太阳公
转一周,其它5个行星也绕太阳旋转。他还提出,由于地球绕太阳公转
的轨道直径与到恒星的距离相比真是小得太多了,所以即使地球公转我
们也无法发觉恒星的视差。这个见解在当时应该说是比较先进的思想。
不过,阿里斯塔克提出的地动日心说这一先进思想确实远远走在了时代
的前面,而难以得到大多数人的接受。一般人难以摆脱天地迥然有别的
观念�