为什么托勒玫的地心说可称是世上第一个较科学的宇宙结构学说

早在公元前6世纪末至前5世纪初期,古希腊数学家兼天文学家毕达哥拉斯就从美学观念和天文观测经验出发,提出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,因此地球和天体的形状是球形的,它们的运动也应是匀速圆周运动。约两个世纪后,古希腊学者亚里士多德指出,月食时看到挡住月亮的地球阴影总是圆的,这是大地呈球形的有力证据。他还指出,人们向北或向南作长途旅行时,会看到北极星的高度和星空的形象在变化,而只有大地呈球形时才会产生这种变化。由于这些论证,大地呈球状的观念在古希腊得到了普遍赞同,这正是托勒玫地心说的第一项重要基础。

17世纪天文学家绘制的地心说示意图。图上以古希腊神灵的形象表现了月亮、水星、金星、太阳、火星、木星和土星及它们所在的轨道

古希腊人通过长期的天文观测,已发现水星、金星、火星、木星和土星这五颗行星在天空中相对于恒星背景而言,通常都是自西向东地“顺行”;但有时也会自东向西地“逆行”;当从顺行转为逆行或逆行转为顺行的过程中,行星会在恒星背景上短暂地静止不动,这称为“留”。这些现象是怎么引起的呢?

公元前4世纪,古希腊人又提出了“拯救现象”的观念,即认为人们提出的理论一定要尽量保存并能解释观测到的现象,这种观念是后来“假说必须说明足够多的观测事实”的思想发端。为了能“拯救”行星视运动时而顺行、时而逆行、时而留的奇怪现象,古希腊学者先后提出了多种用几何系统来阐释行星运动的方案。公元前3世纪末,古希腊数学家兼天文学家阿波罗尼提出了本轮-均轮说,他认为行星P在一个以O点为中心的本轮上作匀速圆周运动,而本轮中心O又在以地球E为中心的均轮上作匀速圆周运动,结果行星P的运行轨迹就会出现大部分时间向前进,但也有小部分时间向后退的现象,而且从向前运行转为向后退行,或者从向后退行转为向前运行时,都会存在一个停留不动的拐点。阿波罗尼的本轮-均轮说,可以很好地解释行星视运动时而顺行、时而逆行、时而出现留的现象。本轮-均轮说是后来托勒玫建立地心说的第二项重要基础。

依巴谷是古希腊时代的著名天文学家,他通过观测发现太阳在天空中作周年视运动时,从春分点到夏至点需要94.5天,从夏至点到秋分点需要92.5天,从秋分点到冬至点需要88.125天,从冬至点到春分点需要90.125天。为解释这种不均匀性,他提出太阳在圆轨道上绕地球转动,但地球却并不在圆心处,而是在偏离圆心l/24个圆半径处。正是由于太阳沿这种偏心圆轨道绕地球转动,所以从地球上看去,太阳的运动才是不均匀的。依巴谷这种偏心圆的图像是后来托勒玫建立地心说的第三项重要基础。

托勒玫是古希腊天文学的集大成者,他沿袭了“拯救现象”的传统,总结了阿波罗尼、依巴谷等许多古希腊学者的工作,加上自己长期观测行星的运动,并独创了某些数学处理方法,出版了13卷巨著《天文学大成》,提出了著名的托勒玫地心说。

托勒玫地心说示意图

托勒玫的地心说沿袭了“地球静止”和“圆形轨道”的传统,即五大行星和太阳、月亮都在围绕静止的地球运动。但为了“拯救现象”,托勒玫对均轮进行了特殊处理,他发现可以认为行星在一个小的圆(即本轮)上运动,而本轮的中心又在一个称为“偏心均轮”的大圆上运动。其所以称为偏心均轮,是因为地球并不在均轮的中心,而是略偏在中心的一侧,另外还引入一个点叫“等分点”,位于均轮中心的另一侧,而且行星运动在均轮上并不是匀速的,但相对于等分点的角速度却是均匀的。这就解释了为什么行星的轨道和速度相对于地球不对称,当行星离地球较远时,速度也相对比较慢,反之则比较快。这个学说就是“托勒玫体系”。

托勒玫地心说由于吸收了依巴谷有关偏心圆轨道的见解,而很好地解释了太阳在天穹上周年视运动的不均匀性;由于吸收了阿波罗尼的本轮-均论说,并使用大量观测资料来拟合行星在天穹上的不均匀运动,所以又可以定量地预报行星未来的位置。该学说既能解释天文观测资料,又能在当时的观测精度下预报日、月、行星的行踪,所以它是一个成功的理论,堪称世界上第一个较科学的宇宙结构学说,是人们对宇宙认识的伟大成就。

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