科學，到底是什麼？（7）_風聞

一

古希臘並沒有天文學這樣一個學科，而天文學家都自稱數學家。這種狀況一直延續到現代早期。哥白尼就自認為是數學家。他把自己的《天體運行論》看成是一部數學專著。

上一篇我們説古希臘天文學是應用數學，這是因為，古希臘天文學，本質上是一門關於“球面”的幾何學。

天文學為什麼是球面幾何學呢？這裏的關鍵，是要理解“天球”的概念。

根據直覺，人們很容易相信天是一個有形的圓頂，而大地及地上的人類就居於這個圓的中心位置。比如，中國古代詩歌裏就有“天似穹廬，籠蓋四野”的説法。

但是，從直觀的圓頂得出整個天是一個圓球的結論，這是想象力的一次大爆發！

第一個產生天球想法的，是泰勒斯的學生阿那克西曼德。他認為地球是靜止的，居於宇宙中心。而明確説出天球概念的是畢達哥拉斯學派。總的看來，地心思想在古希臘時代是佔支配地位的。

從邏輯上講，天球概念是與地球概念相配套的。阿那克西曼德雖然有天球的想法，但還沒有地“球”的想法。他認為地球是一個鼓形。

最早提出地球概念的還是畢達哥拉斯學派。因為航海民族有這樣的經驗：船遠去時，在視野中最先消失的是甲板，然後才是桅杆，這説明海平面其實是彎的。

除了經驗理由，還有幾何學上的理由---圓和球極具對稱性，很完美，是最適合宇宙的形狀。

不過，必須承認，把地球想象為一個球體，這的確是人類想象力的又一次大爆發！

因為，除了古希臘人，這個世界上同時代的所有民族，都沒有想到大地可能是一個球體。事實上，兩千多年後，麥哲倫的船隊才真正證明了大地確實是圓的。

而在公元前5世紀前後，畢達哥拉斯學派就宣稱大地是一個球體，讓人不得不佩服：理性科學的確具有某些異乎尋常的洞察力！

畢達哥拉斯學派發展出了兩球模型的宇宙論，即宇宙是一個天球包地球的架構。天球是一個空心的球殼，可以是多重的，可以一個套一個；星星都鑲嵌在天球殼上，隨天球運動。只有地球才是一個實心的球體。

為什麼需要多個天球呢？因為天體有不同的運動，而不同的運動，就需要不同的天球來實現。

發現天體有不同的運動形式，對它們想方設法進行解釋，就是古希臘天文學的根本目標。

二

按照亞里士多德後來的總結，古希臘人一直有“天尊地卑”的思想，天之尊就體現在天體都是不運動的，地之卑則相應地表現在地上的事物時刻都在運動變化。

可是，我們明明看見日月交替、斗轉星移，怎能説天體是不運動的呢？這就是引入天球的妙處。

所有的天體都是鑲嵌在天球上的，它們在天球上是不運動的，只是隨着天球運動而已。天球則在做勻速圓周運動，乃是一切運動中最完美的。

天體是神聖的，這種神聖就體現在它是不動的；但因為它加入了天球運動，它就不是最神聖的，而是次神聖的。最神聖者乃是永恆不變的理性秩序。

不過，觀測和研究天體運動這種次神聖的東西，有助於我們接近最神聖的理性秩序，這就是柏拉圖給出的學習天文學的理由。

根據這種神聖的理念，古希臘人把天際搞得很純粹，很乾淨。天體的數目不增不減，永恆如此；天體個個冰清玉潔、白璧無瑕。而看到的各種瑕疵，都被以這樣那樣的理由給解釋過去了。比如，月亮表面不乾淨，是雲層造成的；彗星、流星這種最明顯的異常天象，被視為大氣現象，不算天際現象。

古希臘人知道，天體有兩類截然不同的運動。一類是諸恆星的運動，它們步調一致，一天繞地球一圈，用一個天球就可以實現，被稱為恆星天球。另一類是行星的運動，它們有自己額外的運動。古希臘人認為行星有7個：太陽、月亮、水星、金星、火星、木星、土星。它們的週期各不相同。

這樣，就只能給每個行星單獨安排一個天球。於是到柏拉圖時，古希臘天文學就形成了“8天球+地球”的層層相套的宇宙結構。從外到內依次是恆星天、土星天、木星天、火星天、太陽天、金星天、水星天、月亮天、地球。

三

宇宙的大局，就這樣定下來了，但是細節問題才剛剛開始。

稍微認真觀察就會發現，各個行星的週期運動並不均勻，更麻煩的是，有些行星的運動方向經常發生改變，有時往往會逆行一段。

如此混亂的天體運動，讓古希臘人認為天體應該做勻速圓周運動的幻想遭受了沉重打擊。這是一場堪比無理數危機的宇宙學危機。

柏拉圖痛心疾首，向學園弟子們發出了“拯救現象”的指令：肉眼觀察到的行星運動，與行星內在的品質不相符！這是一個急需解決的問題。十萬火急！

幸運的是，這場危機很快被化解。立下大功的是弟子尤多科斯。他的基本解決方案被稱為同心球模型。他讓行星同時參與兩個同心但不同軸的天球的運動，這兩種運動可以疊加出一個環形的軌跡，這就能解釋行星的逆行了。

行星還可以參與更多的同心球運動，這些同心球通過調整軸向和轉速，可以模擬各種反常現象。尤多科斯的模型，現在有27個球。

同心球模型的確非常天才。他把行星的不規則運動，分解成規則運動的疊加，這幾乎就是後世一切數學化的標準動作。伽利略的運動分解，牛頓的力分解，本質上都是如此。

“分解”加“疊加”這樣一種還原論模式，一直統治着西方科學。而這樣一種天才的科學研究模式，居然是創立於2000多年前。

不過，同心球模式還有一個致命缺陷---它讓行星與地球距離保持不變，不能夠解釋行星亮度的變化。

之後，阿波羅尼提出的本輪--均輪模型解決了這一問題。這個模型讓行星位於本輪上，讓本輪的中心位於均輪上，讓均輪的中心位於地球上。當本輪、均輪同時運動時，既可以逆行，也可以讓行星--地球距離產生變化。

經過幾代人努力，終於在2世紀的托勒密那裏修成正果。他的集大成之作《數學彙編》，是古希臘數理天文學的一座豐碑。幾百年後，這本書傳到了阿拉伯，阿拉伯天文學家深深歎服，稱其為“偉大之至”，後世遂把書名改為《至大論》。

明朝末年，這部著作也傳到了中國。由於托勒密理論能夠精確預言日月食，所以托勒密天文學成為少數很快被中國吸納的西方理論之一。

近半個世紀，托勒密理論在科學思想史上的偉大意義，被極大地貶低了。哥白尼對於托勒密體系做出了一個偉大的修正，但畢竟只是一個修正而已。

《幾何原本》是古希臘科學精神的典範，但是，它並不涉及經驗觀測。而托勒密的《至大論》則不然，它是數學演繹加現象觀察的一個成功典範！

現代科學革命從繼承了托勒密的哥白尼開始，絕不是偶然的。《至大論》為古代科學和現代科學搭起了橋樑。