《人類(lèi)科學(xué)技術(shù)史-098》托勒密及其天文學(xué)成就

托勒密及其天文學(xué)成就

克勞狄.托勒密(約公元90-168年），是古代著名的天文學(xué)家、地理學(xué)家、數(shù)學(xué)家。他出生在托勒密城，一生的大部分時(shí)光是在亞歷山大里亞度過(guò)的。他在那里從事天文觀測(cè)和學(xué)術(shù)研究。托勒密是希臘四大古典學(xué)派之一即亞歷山大里亞學(xué)派的最后一位學(xué)者，也是古希臘天文學(xué)的最后一位代表。

他總結(jié)吸收前人的研究成就，寫(xiě)出了《天文學(xué)大成》(又譯作《至大論》、《大匯編》、《天文學(xué)大全》、《地理指南》等），并且通過(guò)系統(tǒng)的幾何學(xué)證明，建立了宇宙地心體系，即地球中心論，成為希臘古典天文學(xué)的集大成者。

地心體系認(rèn)為，地球是靜止地居于宇宙的中心，太陽(yáng)、月球、行星和恒星都環(huán)繞地球運(yùn)動(dòng)。該體系又被稱(chēng)為"地靜說(shuō)"、"地心說(shuō)"或"地球中心說(shuō)"。這一學(xué)說(shuō)最初由歐多克薩斯(約公元前408-前355年）提出，他運(yùn)用27個(gè)同心球來(lái)表現(xiàn)這個(gè)體系的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。后來(lái)他的學(xué)生亞里士多德(公元前384-前322年）接受了這個(gè)體系。為了使這個(gè)體系和當(dāng)時(shí)已有的觀測(cè)結(jié)果更符合，亞里士多德又增加了29個(gè)球，達(dá)到56個(gè)球。地心體系的演繹非常繁瑣，成為當(dāng)時(shí)的絕學(xué)。后來(lái)，著名學(xué)者阿波羅尼烏斯提出本輪、均輪規(guī)則，喜帕恰斯提出偏心圓理論，又對(duì)這一體系進(jìn)行了充實(shí)和發(fā)展。

隨著天文觀測(cè)的進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)，不光太陽(yáng)的運(yùn)行是不均勻的，就是行星的運(yùn)行也具有明顯的不均勻性。例如，按勻速圓周運(yùn)動(dòng)計(jì)算出來(lái)的火星運(yùn)行位置，與實(shí)際觀測(cè)的結(jié)果有時(shí)竟相差20余天之多。這樣大的誤差，即使用喜帕恰斯的偏心圓假設(shè)(解釋太陽(yáng)運(yùn)行非均勻性的理論），也難以作出解釋。

這個(gè)問(wèn)題已成為時(shí)代的難題。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)測(cè)和研究，托勒密在喜帕恰斯地心體系的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)新的假設(shè)，方攻克了難題。他采用喜帕恰斯的偏心圓概念，認(rèn)為行星的均輪不以地球?yàn)閳A心，而是地球的偏心圓；再進(jìn)一步設(shè)想行星在本輪上進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng)，但本輪的中心在均輪上的運(yùn)行是非勻速性的；它的運(yùn)行服從本輪中心在均輪上的運(yùn)行，并對(duì)"等距離偏心點(diǎn)"(地球位置對(duì)均輪中的對(duì)稱(chēng)點(diǎn)）的角速度是均勻的。這樣，他所得出的結(jié)果便與實(shí)際觀測(cè)基本相符，比喜帕恰斯大大前進(jìn)了一步。

后來(lái)，托勒密集歐多克薩斯、亞里士多德、阿波羅尼烏斯和喜帕恰斯以來(lái)的全部地心說(shuō)之大成，寫(xiě)成了13卷本的《天文學(xué)大成》，書(shū)中系統(tǒng)地闡述了自己最完整的地心宇宙體系。其要點(diǎn)是：地球是宇宙的中心，并靜止不動(dòng)；每個(gè)行星都在一個(gè)被稱(chēng)為"本輪"的小圓形軌道上勻速運(yùn)動(dòng)，本輪的中心在被稱(chēng)為"均輪"的大圓軌道上繞地球作勻速運(yùn)動(dòng)；但地球并不是"均輪"的中心，而是與圓心有一定的距離，從而產(chǎn)生行星視運(yùn)動(dòng)中心的"順行"、"逆行"、"合"、"留"等現(xiàn)象；水星和金星的中心位于地球與太陽(yáng)的連線上，而且本輪的中心每年在均輪上運(yùn)行一周；而火星、木星、土星到它們各自的本輪中心的直線總是與地球和太陽(yáng)間的連線平行，它們每年都要繞各自的本輪中心旋轉(zhuǎn)一周；金、木、水、火、土五大行星和太陽(yáng)之外還有一個(gè)恒星天、恒星都位于這個(gè)固體殼層中，恒星天與日、月、行星一樣，每天要繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)一周，這樣，我們?cè)诘厍蛏峡矗鼈兠刻於家獤|升西落；另外，在恒星天之外，還有一層最高天，那是宇宙的極限；日、月、行星及恒星天都在最高天上有投影，從地球上看，日、月、行星以及恒星天距人們的距離相同，就是由于投影的緣故；這一天層又稱(chēng)為原動(dòng)天，是諸神的所在，所有的天層都受原動(dòng)天的推動(dòng)而環(huán)繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)(各個(gè)天層從內(nèi)至外排列為：月亮天、水星天、金星天、太陽(yáng)天、火星天、木星天、土星天、恒星天、最高天）。由于托勒密適當(dāng)?shù)剡x擇了各個(gè)均輪與本輪的半徑的比率、行星在本輪和均輪上的運(yùn)動(dòng)速度、以及本輪平面與均輪平面的交角，也就使依據(jù)這一體系推算的行星位置與觀測(cè)結(jié)果基本相符。這就近似地解釋了行星的視運(yùn)動(dòng)情況，并據(jù)此編出了星歷表。這在當(dāng)時(shí)是難能可貴的。

但是，隨著觀測(cè)精度的不斷提高，依據(jù)托勒密的地心體系，推算出來(lái)的行星位置與觀測(cè)結(jié)果的偏差愈來(lái)愈大。雖然有人不斷地對(duì)它進(jìn)行修補(bǔ)，教會(huì)也把它作為上帝創(chuàng)造世界的理論支柱，但它的可信度仍不斷降低。到了16世紀(jì)中葉哥白尼日心體系的提出，它便漸漸地被人們摒棄了。和亞里斯塔克的日心體系相比，托勒密的地心體系無(wú)疑是一種倒退；但就其細(xì)節(jié)來(lái)說(shuō)，托勒密的體系卻比亞里斯塔克的體系更加完備；特別是它對(duì)當(dāng)時(shí)的觀測(cè)事實(shí)作出了更加令人滿意的解釋?zhuān)虼怂挠绊懴喈?dāng)巨大，以致統(tǒng)治歐洲天文界1000多年。

圍繞《天文學(xué)大成》，托勒密晚年還寫(xiě)了其他幾本書(shū)。一本是《天文計(jì)算用表》，將分散在《天文學(xué)大成》各卷中的所有有關(guān)天文計(jì)算的用表單獨(dú)匯編成冊(cè)，并附有使用說(shuō)明，這不僅對(duì)天文學(xué)有用，而且對(duì)數(shù)學(xué)計(jì)算和其他學(xué)科都助益匪淺。到了拜占廷時(shí)代，這些表都成了標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)。另一本是《行星假說(shuō)》，它是《天文學(xué)大成》一書(shū)的通俗摘要；除了列出《天文學(xué)大成》的詳細(xì)內(nèi)容目錄外，還進(jìn)一步提出了行星的物理模型，補(bǔ)充了《天文學(xué)大成》中僅有幾何模型的不足。

除了天文學(xué)上的卓越貢獻(xiàn)外，托勒密在其它學(xué)科也取得了重大成果。他是那一時(shí)代第一流的幾何學(xué)家，在立體幾何研究中有許多創(chuàng)見(jiàn)，主要體現(xiàn)在《天球測(cè)繪》和《平面球體圖》這兩部名著中。兩書(shū)分別論述正射投影和極射投影的數(shù)學(xué)系統(tǒng)，前者利用3個(gè)互相垂直的正射投影平面來(lái)解決天體的位置問(wèn)題；后者是一種將球形投影成平面圖形的方法，它是制作星盤(pán)的數(shù)學(xué)依據(jù)。借助這種數(shù)學(xué)方法，天文學(xué)家可以將球面幾何的問(wèn)題化成困難較小的平面幾何問(wèn)題，這是將天文學(xué)進(jìn)一步科學(xué)化的重大創(chuàng)造。

在地理學(xué)和地圖學(xué)上，托勒密也很有研究。他的《地理學(xué)》(又譯作《地理學(xué)指南》）一書(shū)，全8卷；直到14世紀(jì)仍不失為地理學(xué)方面的權(quán)威著作。該書(shū)系統(tǒng)地?cái)⑹隽酥茍D的基本原理和法則，以及將球形大地畫(huà)在平面地圖上所必需的數(shù)學(xué)知識(shí)和兩種類(lèi)型的平面投影，并利用這些知識(shí)和方法將當(dāng)時(shí)所知的世界各地畫(huà)成了地圖。由于投影方法的優(yōu)越和簡(jiǎn)便，《地理學(xué)》一書(shū)得到廣泛傳播，對(duì)后世產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。當(dāng)然此書(shū)也有不少讓人遺憾的部分。由于當(dāng)時(shí)經(jīng)緯的測(cè)量誤差太大而影響了圖的準(zhǔn)確性，這就給后世帶來(lái)了一些不利的影響。

在物理學(xué)方面，托勒密著有《光學(xué)》一書(shū)共5卷。其中敘述了平面鏡的性質(zhì)、反射定律、平面鏡成像的計(jì)算方法，以及折射現(xiàn)象，入射角與折射角的關(guān)系等等。該書(shū)第5卷對(duì)于大氣折射(即蒙氣差）現(xiàn)象的明確提出是西方系統(tǒng)研究蒙氣差的開(kāi)始。

托勒密還著有一本關(guān)于古代占星術(shù)的書(shū)，共4卷。其中收集了古代各種占星術(shù)和神話故事，雖然天文學(xué)水平較低，但流傳甚廣。該書(shū)在元代傳入中國(guó)，明代譯成漢文，定名為《四類(lèi)術(shù)》，與中國(guó)古代有關(guān)占星術(shù)、神話故事等書(shū)差別甚小。

托勒密的其他著作還有許多，如：《恒星狀態(tài)》、《月相》、《論平行線》、《論天平的平衡性》、《論元素》等，其中有的已經(jīng)失傳。

托勒密是古代著名的科學(xué)家之一，他對(duì)古代科學(xué)作出了巨大貢獻(xiàn)。雖然他的宇宙地心體系被中世紀(jì)天主教所利用而成為統(tǒng)治人民的工具，并且嚴(yán)重地束縛著科學(xué)的發(fā)展，但他仍不失為一位偉大的科學(xué)家，那些把他當(dāng)作科學(xué)的對(duì)立面而任意撻伐的人是有失偏頗的。