太阳的故事(三)地心说vs日心说
绝世美人儿
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2021年01月20日 17:01
最佳经验
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刻舟求剑寓意-
我们已经知道，
天上的日月星辰并不是静止不动的，
从它们的东升西落中所能得到的最直
接、
最直观的结论，
就是所有天体都在一个以地球为中心的天球上，
围绕地球转动。
这种几乎出现在所有早期文明中的猜测是地心说
(Geocentrism)
的雏形。
但世界的有趣之处就在于，
它常常给你一点希望，
似乎一个简单图像就能让你抓住点什么，
但稍稍细究一下却会发现事情并不那么妥帖。
拿日月星辰的运动来说，
< br>星星的运动倒是的
确能用一个天球的转动来描述
——
因为它们只有周日运动，< br>
但太阳、
月亮及五大行星却除
了周日运动外还各有各的
“
私活
”
：
太阳有周年运动，
月亮有月相变化，
五大行星更不象
话，
不仅各有各的周期，
甚至还每隔一段时间就
“
倒行逆施
”
(
逆行
)
一番。
区区一个天
球是无论如何摆不平那么多运动的。
怎么办呢？
古人们想到了一招，
那就是把天球当成
礼物派发，
让太阳、
月亮及五大行星各占一个，
乖乖听话的其它星星们则共享一个
[
注一
]
。
但这还不够，
因为行星的逆行还无法解释。
有人也许会说，
那有什么难的？
让天球一会
儿正转，
一会儿逆转不就行了？
打住！
万万不行。
要知道，
从古希腊开始直到十七世
纪之前，
在差不多两千年的时间里，
人们对天体运动的描述一直遵守着两个要素：
一是
天球必须为球形，
二是它的运动必须有某种类型的均匀性。
这几乎是当时对
“
解释
”
一词
的定义，
非如此不能算是解释。
让天球象眼珠子那样乱转是万万不行的
——
文雅点说是不
完美的。
天球必须完美，
行星却要倒行逆施，
这就让人伤脑筋了。
在被伤了脑筋的人当中就有古
希腊先贤柏拉图
(Plato,
428/427BC-348/347BC)
，
他给后人留了一道思考题：
如何
用均匀有序的运动来描述看起来不规则的行星运动？
要说历史上的聪明人还真不少，
柏拉图的思考题一出，
很快就有人按下了抢答键。
抢答
者不是外人，
而是柏拉图的学生欧多克斯
(Eudoxus,
400/408BC-355/347BC)
。
他
的答案很豪爽，
那就是派发更多的天球，
让每个行星都被几个同心天球共同带动，
直到
满意为止。
这个答案的妙处在于可以让那些同心天球的转轴及快慢彼此不同，
但却各自保
持均匀
(
从而仍然是完美的
)
。
在欧多克斯的模型中一共用到了
27
个天球，
用这种方法，
他对包括行星逆行在内的很多天体运动现象给予了粗略描述。
为了表彰他的贡献，
我们授
予他一个荣誉称号：
第一位试图对行星运动做出数学描述的先贤。
但欧多克斯的模型无法经受住哪怕只是稍微细致一点的观测考验，
而且人们早就发现行星
的亮度并不是恒定的，
在当时这意味着它们与地球的距离不是恒定的，
这显然不是欧多克
斯的同心天球模型所能解释的。
怎么办呢？
另一位古希腊先贤，
以研究圆锥曲线著称的
阿波罗尼斯
(Apollonius, 262BC-190BC)
支了一个妙招。
阿波罗尼斯提出太阳、
月亮
及五大行星各自绕一个所谓的本轮
(epicycle)
作匀速圆周运动，
而本轮的中心则绕一个
以地球为中心的所谓均轮
(deferent)
作匀速圆周运动。
用这种方式，
他不仅可以让行
星与地球的距离发生变化，
而且同样可以
——
并且能更好地
——
解释行星的逆行。
不过在
他的模型中出现了不以地球为中心的东西
——
本轮，
这对最刻板的地心说模型是一种偏离。
这种偏离是在纯粹观念与观测现实之间小心翼翼的妥协，
它看似细微，
却是一种实证精神
的萌芽。
【古希腊天文学家托勒密
(90-168)
】
阿波罗尼斯的这种均轮加本轮的构想成为了地心说模型的新框架。
为了拟合越来越精密的
观测，
地心说模型变得越来越
“
轮丁兴旺
”
。
但不幸的是，
人们很快就发现，
轮多不一
定力量大，
有一些细微现象，
比如行星的逆行幅度时大时小，
似乎无法靠简单地增添轮
子来解释。
怎么办呢？
地心说模型的集大成者，
古希腊天文学家托勒密
(Ptolemy,
90-168)
决定下猛药，
让纯粹观念再次向观测现实作出妥协
——
而且是重大妥协。
托勒
密一举放弃了均轮的中心为地球，
以及均轮的转动为匀速这两大几乎被视为底线的观念，
引进了所谓偏心等距点
(equant point)
的概念，
对诸如行星逆行幅度时大时小之类的现
象作出了一定程度的解释
[
注二
]
。
但这还不够，
因为除上述现象外，
行星运动还有一个引人注目之处，
那就是水星和金星
的运动总是局限在太阳左右一个小范围之内，
而不象其它行星那样满世界乱跑。
为了解释
这一现象，
这两颗行星的本轮中心被假定为永远处在地球与太阳的联线上。
把这些修正汇
集到一起，
托勒密的地心说模型就基本完成了，
剩下的只是微调。
【简化版的地心说】
后人对托勒密这个与地心说联系在一起的名字往往有一种模糊的错觉，
以为那是某种保守
理论的代言人。
事实上，
托勒密是一位真正伟大的天文学家，
他的伟大不仅体现在他自
己的时代，
甚至还向后延伸了一千多年。
在那个重理念轻实践的时代里，
他明确提出理
论必须拟合观测。
他的地心说模型就是这种努力的典范，
其精度之高，
甚至连一千四百
年后的日心说模型也无法轻易超越。
当代科学史学家霍尔顿
(Gerald
Holton,
1922-)
曾有过这样一句感慨：
“
没有什么事情比低估古希腊人的观点更容易和更错误
”
。
我有同感。
当我们挟两千年的历史优势来回顾某些古希腊先贤的思想时，
理所当然地会看到大量的错
误，
甚至可以不夸张地说，
他们写得越多，
就错得越多
(
相比之下，
象
“
道可道，
非
常道
”
那样东方式的言简意赅实在是太有才了
)
。
但那些错误就象孩子学步时的摔跤，
没
有它们，
人类恐怕直到今天还在爬。
在接下来一千多年的时间里，
地心说模型作为天体运动的主流模型，
成为了导航、
测绘、
及星图计算的基础。
不过，
在这一模型的发展过程中，
如上所述，
实证精神已开始萌发。
随着偏心等距点等概念的提出，
诸如天球以地球为中心以及天球必须作均匀圆周运动那样
的古老信念已被显著削弱。
而且地心说虽然解释了不少现象，
带来的问题却也不少。
对
那些问题的探究使一些人进行了不同的尝试，
其中最早的努力甚至在托勒密之前就出现了。
我
们
在
上
一
节
的
注
四
中
提
到
过
，
古
希
腊
先
贤
阿
里
斯
塔
克
斯
(Aristarchus,
310BC-230BC)
曾经用我们介绍过的方法估计过太阳的直径，
结果约为地球直径的
7
倍
(
相应的体积约为地球体积的
343
倍
)
。
虽然与现代值相差很远，
但太阳比地球更大
这一定性结果还是给了阿里斯塔克斯很大的启示。
要知道，
地心说的产生在很大程度上乃
是出自直觉，
而这直觉有两个来源，
一个是天体的周日运动，
另一个则是天体 看上去都
很小
——
小东西围绕大东西转似乎是天经地义的。
但如果太阳比地球更大，
这直觉就成问
题了。
一个庞大的太阳有什么理由要绕一个体积不到自己
1/300
的小不点儿转呢？
一般
认为，
正是这个怀疑使阿里斯塔克斯提出了太阳才是宇宙中心的观点，
这是最早的日心说
(Heliocentrism)
[
注三
]
。
但阿里斯塔克斯的日心说并未引起什么反响，
因为它面临很多棘手的问题，
比方说如果地
球在运动，
那天上的云彩为什么不会被运动的地球所抛离？
这个问题别说阿里斯塔克斯，
就连一千八百年后哥白尼
(Nicolaus Copernicus, 1473-1543)
也难以回答。
另一个问
题比较有意思，
那就是如果地球在运动，
那么星星的位置应该会象用三角测距法测距时那
样显示出视差
(
因为观测点随地球运动而变化
)
，
但实际上我们却从未发现过那样的视差，
这是为什么？
对于这个问题，
阿里斯塔克斯作出了很正确的回答
(
可惜没人相信
)
，
那就
是星星离我们实在太远，
以至于视差小到了无法被察觉的程度。
他的这个回答本身就是一
个了不起的天文发现，
因为它给当时尚无人知晓的宇宙大小设置了下限，
即宇宙起码要大
到能让星星的视差不被肉眼所察觉的程度。
第三个问题来自所谓
“
天贵地贱
”
的观念，
当时的很多人相信天上的星星是永恒而完美的，
地上的一切则是腐朽而卑微的，
两者无论
在外观还是质料上都截然不同
[
注四
]
。
而日心说却要让腐朽卑微的地球混迹于永恒完美的行
星行列，
这怎么可以呢？
这个问题在今天看来很无厘头，
但在当时却是难以抗拒的
“
主
流民意
”
。
虽然阿里斯塔克斯的日心说未能掀起波澜，
但地心说的麻烦却并未结束。
除了太阳比地球
大所导致的困扰外，
地心说还有其它一些不如人意之处。
比方说行星和太阳在地心说中是
有相似地位的，
但行星的本轮周期却全都是一年，
即恰好等于太阳绕地球运动的周期，
这种巧合在地心说中是很难解释的。
此外，
随着航海业的兴起及对日历与定位精度的要求
日益提高，
地心说的精度也越来越成问题了。
正是在这种背景下，
1543
年，
一本全面
阐述日心说的著作
——
《天体运行论》
(On the Revolutions of the Heavenly Spheres)
问世了。
这是一部
“
难产
”
的著作，
它的作者
——
波兰天文学家哥白尼
——
用了长达二
十三年的时间来撰写它，
完成之后又因担心触怒教会
(
同时也为了进行细节完善
)
而延迟
了十三年，
直到去世前不久才发表。