托勒密与地心说

作者|刘少华

审核|周玖

编辑|高天可

在古老的历史长河中,天文学的发展可谓是波澜起伏,每当新的观点出现时都会引起人们的注意,在古罗马时期曾出现了一个伟大的人物,被人们称为“地心说”的集大成者,他就是克罗狄斯·托勒密。

托勒密(图片来源于网络)

托勒密不仅是一名数学家、地理学家和占星学家,更是一个伟大的天文学家。关于托勒密的生平现在我们所知甚少,但是他的著作我们广为人知。其四本重要的著作是:《天文学大成》(Almagest)、《地理学》(Geography)、《天文集》(Tetrabiblos)和《光学》(Optics)。其中《天文学大成》影响了进500年的希腊天文学和宇宙学思想,并且统治了天文界长达13个世纪。《天文学大成》十三卷是当时天文学的百科全书,直到开普勒的时代,都是天文学家的必读书籍。托勒密的著作成为了古希腊天文学之大乘。而托勒密最重要的学说就是“地心说”,虽然被后来哥白尼的“日心说”所推翻,但其促进思想进步是功不可没。

1515年拉丁语版天文学大成(图片来源于维基百科)

在“地心说”之前的古老宇宙观中,人们把天看成是一个盖子,地是一块平板,平板就由柱子支撑着。随着时代的发展在公元前四世纪至三世纪,古希腊人对天体的运动主要有两种观点:第一种由欧多克斯为代表,以几何思想为基础的周期运动,第二种由阿利斯塔克为代表,他认为太阳居于宇宙中心,因此他被称为“希腊的哥白尼”,但是其思想不被当时的人们理解和认同,并被掩盖在亚里士多德和托勒密的光芒之下,直到大约1800年后,哥白尼才很好地发展和完善了他的理论。公元二世纪,托勒密完善了亚里士多德的宇宙结构学说,这就是“地心说”。

托勒密体系(图片来源于维基百科)

地心说,又名天动说(Geocentric model),由伟大的学者亚里士多德首创。亚里士多德认为宇宙是一个有限的球体,分为天地两层,地球位于宇宙中心,日月围绕地球运行,物体总是落向地面。地球之外有9个等距天层,由里到外的排列次序是:月球天、水星天、金星天、太阳天、火星天、木星天、土星天、恒星天和原动力天,此外空无一物。各个天层自己不会动,上帝推动了恒星天层,恒星天层才带动了所有的天层运动。人居住的地球,静静地屹立在宇宙的中心。

托勒密全面继承了亚里士多德的地心说,并利用前人积累和他自己长期观测得到的数据,写成了十三卷本的《天文学大成》。在书中,他把亚里士多德的9层天扩大为11层,把原动力天改为晶莹天,又往外添加了最高天和净火天,晶莹天、最高天和净火天都是众神居住的地方。托勒密设想,各行星都绕着一个较小的圆周上运动,而每个圆的圆心则在以地球为中心的圆周上运动。他把绕地球的那个圆叫“均轮”,每个小圆叫“本轮”。同时假设地球并不恰好在均轮的中心,而偏开一定的距离,均轮是一些偏心圆;日月行星除作上述轨道运行外,还与众恒星一起,每天绕地球转动一周。托勒密这个不反映宇宙实际结构的数学图景,却较为完满的解释了当时观测到的行星运动情况,并取得了航海上的实用价值,从而被人们广为信奉。

本轮与均轮(图片来源于网络)

托勒密的天体模型之所以能够流行千年,为人们所信奉,是有它的优点和历史原因的。它的主要特点是:

1. 绕着某一中心的匀角速运动,符合当时占主导思想的柏拉图的假设,也适合于亚里士多德的物理学,易于被接受。

2. 用几种圆周轨道不同的组合预言了行星的运动位置,与实际相差很小,相比以前的体系有所改进,还能解释行星的亮度变化。

3. 地球不动的说法,对当时人们的生活是令人安慰的假设,也符合基督教信仰。

在当时的历史条件下,托勒密提出的行星体系学说,是具有进步意义的。首先,它肯定了大地是一个悬空着的没有支柱的球体。其次,从恒星天体上区分出行星和日月是离我们较近的一群天体,这是把太阳系从众星中识别出来的关键性一步。

托勒密本人声称他的体系并不具有物理的真实性,而只是一个计算天体位置的数学方案。至于教会利用和维护地心说,那是托勒密死后一千多年的事情了。

托勒密的天文学著作经阿拉伯学者之手而重为欧洲所知之后,又在欧洲保持了长时间的影响力,至少延续到16世纪。在此之前,没有任何西方的星历表不是按托勒密理论推算出来的。虽然星历表的精确程度不断有所提高,但由于托勒密所使用的古希腊本轮–均轮系统具有类似级数展开的功能,即为了增加推算的精确度,可以在本轮上再加一个小轮,让此小轮之心在本轮上绕行,而让天体在小轮上绕行。只要适当调诸轮的半径、绕行方向和速度,即可达到要求。从理论上说,小轮可以不断增加,以求得更高的精度,有些天文学家正是这样做的。但其缺点也是显而易见的,那就是过于繁琐。之后哥白尼在《天体运行论》中放弃了这种表示,改用了更为简洁的日心说。

地心说的复杂性(图片来源于维基百科)

虽然“地心说”模型是错误的观点,但是地心说是世界上第一个行星体系模型。尽管它把地球当作宇宙中心是错误的,然而它的历史功绩不应抹杀。地心说承认地球是“圆形”的,并把行星从恒星中区别出来,着眼于探索和揭示行星的运动规律,这标志着人类对宇宙认识的一大进步。地心说最重要的成就就是运用数学计算行星的运行,托勒密还第一次提出了“运行轨道”的概念,设计出了一个本轮一个均轮模型。按照这个模型,人们能够对行星的运动进行定量计算,推测行星所在的位置,这是一个了不起的创造。在一定时期里,依据这个模型可以在一定程度上正确的预测天象,因而在生产实践中也起过一定作用。虽然托勒密的地心体系后来被日心说取代,但是它在诞生至今1500多年的时间里,带给西方人的东西远远多于哥白尼的日心说。地心说,是世界上第一个行星体系模型,是世界上最早的假说—演绎体系。在建立理论的过程中,自始至终使用数学工具去研究和证明,开创了构建精确性理论的先河。在地心说占统治地位的上千年间,由于地心说的统治地位和广泛影响,它塑造了西方人的分析式的思维方式,和不包含伦理观的实体自然观,以及自然研究中应用数学工具。

地心说是天文学发展过程中的重要节点之一,是天文学发展过程中的一个重要里程碑。人类在不断地在提出、探究、推翻/超越这样的一个过程中循环往复,天文学以及其他科学才得以不断的蓬勃发展。

有关托勒密与地心说的更多疑问,欢迎大家在评论区留言,小星会为你一一解答哦~

关注公众号“星明天文台”,和小星一起踏遍星辰,收获浪漫吧~

发表评论

必填项已用*标注