《人类科学技术史-098》托勒密及其天文学成就

托勒密及其天文学成就

克劳狄.托勒密(约公元90-168年），是古代著名的天文学家、地理学家、数学家。他出生在托勒密城，一生的大部分时光是在亚历山大里亚度过的。他在那里从事天文观测和学术研究。托勒密是希腊四大古典学派之一即亚历山大里亚学派的最后一位学者，也是古希腊天文学的最后一位代表。

他总结吸收前人的研究成就，写出了《天文学大成》(又译作《至大论》、《大汇编》、《天文学大全》、《地理指南》等），并且通过系统的几何学证明，建立了宇宙地心体系，即地球中心论，成为希腊古典天文学的集大成者。

地心体系认为，地球是静止地居于宇宙的中心，太阳、月球、行星和恒星都环绕地球运动。该体系又被称为"地静说"、"地心说"或"地球中心说"。这一学说最初由欧多克萨斯(约公元前408-前355年）提出，他运用27个同心球来表现这个体系的复杂运动。后来他的学生亚里士多德(公元前384-前322年）接受了这个体系。为了使这个体系和当时已有的观测结果更符合，亚里士多德又增加了29个球，达到56个球。地心体系的演绎非常繁琐，成为当时的绝学。后来，著名学者阿波罗尼乌斯提出本轮、均轮规则，喜帕恰斯提出偏心圆理论，又对这一体系进行了充实和发展。

随着天文观测的进步，人们发现，不光太阳的运行是不均匀的，就是行星的运行也具有明显的不均匀性。例如，按匀速圆周运动计算出来的火星运行位置，与实际观测的结果有时竟相差20余天之多。这样大的误差，即使用喜帕恰斯的偏心圆假设(解释太阳运行非均匀性的理论），也难以作出解释。

这个问题已成为时代的难题。经过反复实测和研究，托勒密在喜帕恰斯地心体系的基础上，提出了一个新的假设，方攻克了难题。他采用喜帕恰斯的偏心圆概念，认为行星的均轮不以地球为圆心，而是地球的偏心圆；再进一步设想行星在本轮上进行匀速运动，但本轮的中心在均轮上的运行是非匀速性的；它的运行服从本轮中心在均轮上的运行，并对"等距离偏心点"(地球位置对均轮中的对称点）的角速度是均匀的。这样，他所得出的结果便与实际观测基本相符，比喜帕恰斯大大前进了一步。

后来，托勒密集欧多克萨斯、亚里士多德、阿波罗尼乌斯和喜帕恰斯以来的全部地心说之大成，写成了13卷本的《天文学大成》，书中系统地阐述了自己最完整的地心宇宙体系。其要点是：地球是宇宙的中心，并静止不动；每个行星都在一个被称为"本轮"的小圆形轨道上匀速运动，本轮的中心在被称为"均轮"的大圆轨道上绕地球作匀速运动；但地球并不是"均轮"的中心，而是与圆心有一定的距离，从而产生行星视运动中心的"顺行"、"逆行"、"合"、"留"等现象；水星和金星的中心位于地球与太阳的连线上，而且本轮的中心每年在均轮上运行一周；而火星、木星、土星到它们各自的本轮中心的直线总是与地球和太阳间的连线平行，它们每年都要绕各自的本轮中心旋转一周；金、木、水、火、土五大行星和太阳之外还有一个恒星天、恒星都位于这个固体壳层中，恒星天与日、月、行星一样，每天要绕地球运转一周，这样，我们在地球上看，它们每天都要东升西落；另外，在恒星天之外，还有一层最高天，那是宇宙的极限；日、月、行星及恒星天都在最高天上有投影，从地球上看，日、月、行星以及恒星天距人们的距离相同，就是由于投影的缘故；这一天层又称为原动天，是诸神的所在，所有的天层都受原动天的推动而环绕地球转动(各个天层从内至外排列为：月亮天、水星天、金星天、太阳天、火星天、木星天、土星天、恒星天、最高天）。由于托勒密适当地选择了各个均轮与本轮的半径的比率、行星在本轮和均轮上的运动速度、以及本轮平面与均轮平面的交角，也就使依据这一体系推算的行星位置与观测结果基本相符。这就近似地解释了行星的视运动情况，并据此编出了星历表。这在当时是难能可贵的。

但是，随着观测精度的不断提高，依据托勒密的地心体系，推算出来的行星位置与观测结果的偏差愈来愈大。虽然有人不断地对它进行修补，教会也把它作为上帝创造世界的理论支柱，但它的可信度仍不断降低。到了16世纪中叶哥白尼日心体系的提出，它便渐渐地被人们摒弃了。和亚里斯塔克的日心体系相比，托勒密的地心体系无疑是一种倒退；但就其细节来说，托勒密的体系却比亚里斯塔克的体系更加完备；特别是它对当时的观测事实作出了更加令人满意的解释，因此它的影响相当巨大，以致统治欧洲天文界1000多年。

围绕《天文学大成》，托勒密晚年还写了其他几本书。一本是《天文计算用表》，将分散在《天文学大成》各卷中的所有有关天文计算的用表单独汇编成册，并附有使用说明，这不仅对天文学有用，而且对数学计算和其他学科都助益匪浅。到了拜占廷时代，这些表都成了标准手册。另一本是《行星假说》，它是《天文学大成》一书的通俗摘要；除了列出《天文学大成》的详细内容目录外，还进一步提出了行星的物理模型，补充了《天文学大成》中仅有几何模型的不足。

除了天文学上的卓越贡献外，托勒密在其它学科也取得了重大成果。他是那一时代第一流的几何学家，在立体几何研究中有许多创见，主要体现在《天球测绘》和《平面球体图》这两部名著中。两书分别论述正射投影和极射投影的数学系统，前者利用3个互相垂直的正射投影平面来解决天体的位置问题；后者是一种将球形投影成平面图形的方法，它是制作星盘的数学依据。借助这种数学方法，天文学家可以将球面几何的问题化成困难较小的平面几何问题，这是将天文学进一步科学化的重大创造。

在地理学和地图学上，托勒密也很有研究。他的《地理学》(又译作《地理学指南》）一书，全8卷；直到14世纪仍不失为地理学方面的权威著作。该书系统地叙述了制图的基本原理和法则，以及将球形大地画在平面地图上所必需的数学知识和两种类型的平面投影，并利用这些知识和方法将当时所知的世界各地画成了地图。由于投影方法的优越和简便，《地理学》一书得到广泛传播，对后世产生了深远的影响。当然此书也有不少让人遗憾的部分。由于当时经纬的测量误差太大而影响了图的准确性，这就给后世带来了一些不利的影响。

在物理学方面，托勒密著有《光学》一书共5卷。其中叙述了平面镜的性质、反射定律、平面镜成像的计算方法，以及折射现象，入射角与折射角的关系等等。该书第5卷对于大气折射(即蒙气差）现象的明确提出是西方系统研究蒙气差的开始。

托勒密还著有一本关于古代占星术的书，共4卷。其中收集了古代各种占星术和神话故事，虽然天文学水平较低，但流传甚广。该书在元代传入中国，明代译成汉文，定名为《四类术》，与中国古代有关占星术、神话故事等书差别甚小。

托勒密的其他著作还有许多，如：《恒星状态》、《月相》、《论平行线》、《论天平的平衡性》、《论元素》等，其中有的已经失传。

托勒密是古代著名的科学家之一，他对古代科学作出了巨大贡献。虽然他的宇宙地心体系被中世纪天主教所利用而成为统治人民的工具，并且严重地束缚着科学的发展，但他仍不失为一位伟大的科学家，那些把他当作科学的对立面而任意挞伐的人是有失偏颇的。