《人类科学技术史-073》古希腊时期的地心说与日心说

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。

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。

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(365又1/4-1/300)，即365天5小时55分12秒，比现代值约长6.5分，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。分秒比现代值约长6分；

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，而习惯承认地球处于宇宙的中心。据说，阿里斯塔克曾被一位哲学家控告亵渎神灵。可见，传统观念是科学新思想传播的障碍。阿里斯塔克的地动日心说，在他那个时代未能得以广泛流传，幸运的是这一光辉思想被与他同时代的伟大学者阿基米德所记载下来。一千多年之后，随着文艺复兴运动的兴起，古希腊学者的典籍广泛流行，阿里斯塔克的光辉思想重见天日，并为哥白尼提出日心地动说起到了重要的启发作用。

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