【被冤枉的托勒密——天文學史中流行的一個謬誤】

方格

【被冤枉的托勒密——天文學史中流行的一個謬誤】

 

作者: 老孫

大多數人相信，科學是進步的，科學也是一直在進步的，一種新的學說能夠替代舊有的理論，肯定在各個方面都比前面的要好。

 

為了證明這種“進步”，人們往往會附會各種“有趣”的故事來加以佐證。

 

托勒密和哥白尼之間，就被人們這樣“證明”過，即使歷史並非如此。

 

對天文學感興趣的人大都會知道托勒密的名字，他是古希臘天文學的集大成者，他的著作《天文學大成》，這部著作在一千多年中都被奉為至典，阿拉伯天文學家稱之為《至大論》（Almagest）。他的基本觀點就是地心說，即五大行星和太陽、月亮都在圍繞地球運動。

 

古希臘人認為圓是最完美的圖形，作為最完美的宇宙，其運動也應該是圓形的。

 

托勒密發現，雖然七曜的軌跡不是圓形，卻可以看作圓的組合︰

 

行星在一個小的圓上運動（稱為本輪），而本輪的中心又在一個稱為“偏心均輪”的大圓上運動。

 

之所以叫做偏心均輪，因為地球並不是在均輪的中心上，而是略有偏在中心的一側，另外還引入一個點叫“等分點”，位于均輪中心的另一側，行星運動在均輪上並不是勻速的，但相對于等分點的角速度卻是均勻的。

 

這就解釋了為什麼行星的軌道和速度相對于地球不對稱,當行星離地球較遠時，速度也相對比較慢，反之則比較快。

 

這個學說就是“托勒密體系”。

 

今天看來，托勒密的方法很繁瑣，也不夠美觀，甚至當時的人也不太滿意，因為托勒密的設計方案實際上違反了“勻速圓周運動”這個“完美原則”。

 

托勒密本人對此也懷有歉意，但他仍然堅持了這個世紀，因為這樣能夠推算出行星的復雜運動，起作用比形式上的美觀更為重要。

 

托勒密，古希臘天文學之集大成者。

 

注意圖中托勒密頭上的王冠，這是因為畫家將天文學家托勒密和當時希臘化時代埃及統治者托勒密王朝弄混了。

接下來，傳說就出現了。

 

傳說隨著時間的推移，陳舊的托勒密體系的誤差越來越大，後人（阿拉伯和歐洲的天文學家）在本輪（小圓）之上有增加了更小的圓，然後又增加了更多的圓……

 

1969年版的《大不列顛百科全書》（Encyclopedia Britannica）還說，到了13世紀的葡萄牙國王阿方索十世（Alfonso X）的時代，每一顆行星都需要40～60個小圓來進行軌道修正！

 

傳說當阿方索十世國王去看望正在編制《阿方索星表》（Alfonsine Tables）的天文學家時，這位領導風趣地說，如果上帝創造世界時他也在場，那麼他一定會建議上帝做點改進。

 

（”If I had been present at the creation of the world I would have proposed some improvements.”）

 

托勒密體系“圓環套圓環娛樂城”的方案失敗了，于是需要一位英雄來救場，哥白尼的日心說就這樣橫空出世，他把宇宙的中心從地球（的旁邊）移到最大最亮的太陽上，並且恢復了“完美的圓形”這一古希臘的最高準則。

 

不過為了解決行星運動的不規則問題，哥白尼還是用到了一系列的本輪和小本輪，一共是34個圓。

 

30<40，現在流行的故事在這里開始歡呼，看，哥白尼體系多簡單，哥白尼多偉大。

 

波蘭鈔票上的哥白尼頭像

 

這個傳說很“喜聞樂見”，卻完全冤枉了托勒密。

 

不錯，哥白尼的日心說是科學和人類認識世界的一大勝利，但哥白尼的偉大，並不在于多少個“圓”。

 

哈佛大學科學史系主任、天文學和天文學史教授歐文‧金格里奇（Owen Gingerich）在閑暇之余，利用計算機計算了中世紀行星的位置，包括13世紀的《阿方索星表》和1532年的施特夫勒（Johannes St?ffler）的《星歷表》（Ephemeridum opus），驚異地發現，這兩份曾經得到廣泛應用的星表竟然都是依據托勒密學說，其中絕對沒有任何關于本輪疊加的證據。

 

換句話說，托勒密體系直到哥白尼時代仍在應用，並沒有比托勒密原本的版本多出點什麼。

 

金格里奇進一步的研究表明，在沒有計算機也沒有計算尺的時代，《阿方索星表》的全部計算過程依賴于托勒密所發明的一個精巧的逼近法，以此來處理一個均輪上單一本輪的計算。

 

而由于數學發展水平的限制，中世紀的數學家們根本不可能應付多重本輪的計算。

 

托勒密的行星運動模型

然而上面那個“傳說”來自何處呢？

 

金格里奇發現，其根源可能來自哥白尼在1514年前後所撰寫的一份日心說初步介紹，即所謂的《綱要》（Commentariolus），這個小冊子曾經從人們的視野中消失，在1880年左右才被重新發現。

 

在這份《綱要》中，哥白尼在描述了行星運動的復雜性之後，曾經欣慰地說︰“看哪！只需要34個圓就可以解釋整個宇宙的結構和行星的舞蹈了！”

 

這句話似乎是哥白尼在為自己的簡化工作而歡呼，那麼，作為被“革命”的對象，托勒密體系應該要用更多的圓吧。

 

有了“新的一定比舊的好”的心理暗示，流言可能就這樣悄悄地在醞釀中。

 

1969年版的《大不列顛百科全書》做出了這樣的結論︰“在存在了一千年以後，托勒密體系失敗了；它的幾何學上時鐘般的結構變得讓人感到難以置信的繁瑣，效能上也沒有令人滿意的改進。”

 

但當金格里奇向編輯們求證這個條目的真實性時，編輯們卻閃爍其辭，說這一條目的作者早已去世，“本輪上加本輪”的出處究竟是哪里，他們一點線索也沒有。

 

實際上，後人可能誤會的哥白尼在《綱要》中所表達的欣喜，他可能並不是為自己在圓的數目上“打敗”了托勒密體系而歡呼，而是說，盡管天上的現象看起來很復雜，但用他的日心說理論，不但可以自然地解釋行星運動的復雜現象，而且用34個圓（具有古希臘所認為的圓的完美性）就可以定量地建立計算模型。

 

他在為自己解釋了“上帝的意圖”而歡呼！

 

哥白尼體系自有它的偉大之處，因而迅速得到有見識的天文學家的認同。

 

在哥白尼體系中，太陽這個“光明之源”位于中心位置，行星（包括地球）按照軌道的大小和運動速度的快慢排列起來，形成了有序的體系，使宇宙呈現和諧的特性。

 

托勒密體系中難以解釋的水星和金星為什麼只能出現太陽附近，而火星等經常會出現“逆行”等問題，在哥白尼體系中都成為自然的結果，宇宙規律如此簡單明晰！

 

因此愛因斯坦贊嘆道︰“哥白尼的這個偉大的成就，不僅鋪平了通向近代天文學的道路；而且也幫助人們在宇宙觀上引起了決定性的變革。一旦認識到地球不是世界中心，而只是較小的行星之一，以人類為中心的妄想也就站不住腳了。

 

這樣，哥白尼通過他的工作和他的偉大的人格，教導人們要謙虛謹慎。”（《在哥白尼逝世410周年紀念會上的講話》）

 

今天我們知道，哥白尼最初所設計的“日心說”其實也並不是十分完美，他不但繼承了“均輪—本輪”的思路，沿襲了勻速圓周運動的思想（實際上伽利略也有同樣的想法），直到開普勒推算出了火星軌道應該是橢圓，哥白尼體系才在實用效果上戰勝了托勒密體系。

 

哥白尼體系的確立，並不僅僅是哥白尼的功勞，也是第谷、開普勒、伽利略等一批杰出的天文學家的貢獻。

 

關于托勒密體系“圓環套圓環”的謬誤傳說的流行，可能就是這樣一個“善良的附會”和“美麗的誤會”。

 

但對于托勒密和中世紀兢兢業業的天文學家們來說，可真冤枉死了！

 

引用：http://www.skylook.org/info/info-tw/info_5970.html