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一一 泰山北斗《至大論》(下)

——該談談托勒密了之二

《至大論》從第九捲起,轉入對行星運動的研究,用去五卷的巨大篇幅。如果說以前各卷的內容中,或多或少都有希帕恰斯的遺產,那麼在這後五卷中,托勒密豐富多彩的創造和貢獻是任何人都不會懷疑的。

在第九卷一開始,托勒密闡明了他所構造的地心宇宙體系,如圖1所示,這個體系從此成為歐洲和阿拉伯天文學普遍遵循的理論基礎,長達一千餘年。

圖1 托勒密的宇宙體系

這個體系從整體上看似乎相當一目瞭然,但實際上,要解決具體問題時就非常繁瑣複雜了。為了用數學方式具體描述各行星的運動及狀況,托勒密設計了如圖2所示的幾何模型,用於處理土、木、火三顆外行星的情況。在圖2中,O依舊表示地球,行星P在其本輪上繞行,本輪之心C在大圓(即均輪)上繞行,但是大圓之心雖為M,C點的運行卻只是從E看去才是勻速的。M點與O點及E點的距離相等,其長度為e,稱為偏心率(eccentricity)。對於外行星而言,e是一個經驗係數,可根據最後計算所得行星位置與實測之間的吻合情況進行調整。K為平近點角,連接O、M、E、A各點的直線為拱線(apsidal line)。對外行星而言,PC線與地球對平太陽位置的連線始終保存平行。為了確定外行星的各項參數,包括拱線方位在內,托勒密選用三項行星位置的觀測記錄,用類似以三次月食定月運動模型參數的方法來處理。

圖2 本輪與均輪

P:行星,繞行於本輪上C:行星本輪的圓心,繞行於均輪上O:地球M:均輪的圓心E:行星本輪圓心在均輪上的運行相對於E點才是勻速的e:偏心率

處理金、水兩顆內行星的模型與圖2稍有不同,對於拱線位置和e值等參數的確定,更多地依賴於對內行星大距(elongation,從地球上看該內行星與太陽的最大視角距)的觀測資料。

圖2中E點的引入,是一個非常引人注目的重要特徵,該點從中世紀以後通常被稱為「對點」(equant)。對點的引入大膽衝破了古希臘天文學中對勻速圓周運動(uniform motion)的傳統迷信——這種迷信純出於哲學思辨。事實上,運用圖2模型求得的行星黃經,與在開普勒橢圓模型中代入相同的偏心率e值後所得結果,誤差僅僅在10′以內。托勒密引入「對點」所體現的對勻速圓周運動信念的超越,使他在這一方面甚至走在了哥白尼前頭。對於圖2中的「對點」,如果認為在某種程度上已開了後世開普勒橢圓運動模型的先聲,也不能算過分誇張的說法。

運用幾何模型,逐個處理五大行星的黃經運動,佔去了《至大論》九至十一卷的大部分篇幅。到第十二卷中,托勒密緻力於編算外行星在逆行時段的弧長和時刻表,以及內行星的大距表。

在《至大論》第十三卷中,托勒密專門討論行星的黃緯運動。諸行星軌道面與黃道面並不重合,各有不同的小傾角,這一事實在日心體系中來看十分簡單,但要在地心體系中處理它就比較複雜。在《至大論》中,托勒密未能將這一問題處理好。他令外行星軌道面(也即均輪deferent所在的平面)與黃道面有一個傾角;又令本輪與均輪各自的平面之間有另一個傾角,這兩個傾角之值又不相等,這使問題變得非常繁瑣。

對於宇宙體系的結構及運行機制問題,托勒密在《至大論》中採取極為務實而明快的態度,他在全書一開頭就表明,他的研究將採用「幾何表示」(geometrical demonstration)之法進行。在卷九開始討論行星運動時他說得更明白:「我們的問題是表示五大行星與日、月的所有視差數——用規則的周圓運動所生成。」他將本輪、偏心圓等僅視為幾何表示,或稱為「圓周假說的方式」。那時,在他心目中,宇宙間並無任何實體的天球,而只是一些由天體運行所劃過的假想軌跡。

但是,當《至大論》問世之後,行星黃緯問題顯然仍舊縈繞在托勒密心頭。在他晚年的作品《行星假說》(Planetary Hypotheses)第一卷中,他改善了行星黃緯運動模型,關鍵的一步是令上述兩個傾角之值相等,這意味著本輪面始終與黃道面保持平行。而均輪面與黃道的傾角,則正好對應於後世日心體系中行星軌道與黃道面的傾角。《行星假說》第一卷中的行星黃緯運動模型,已是在地心體系下處理這一問題的最佳方案。

然而,此時在托勒密思想上,可能有一種帶有神秘主義色彩的傾向滋生起來。在《行星假說》第二卷對宇宙體系的討論中,每個天體都有自己的一個厚層,內部則是實體的偏心薄球殼,天體即附於其上。這裡的偏心薄球殼實際上起著《至大論》中本輪的作用。而各個厚球層(其厚度由該層所屬天體距地球的最大與最小距離決定)與「以太殼層」是相互密接的。此時托勒密改變了《至大論》中的幾何表示之法,致力於追求所謂「物理的」(physical)模式。這部分內容出現在只有阿拉伯文譯本的《行星假說》第二卷中,有人因此懷疑其中可能雜有後世阿拉伯天文學家的工作。

《至大論》在托勒密身後不久就成為古代西方世界學習天文學的標準教材。公元4世紀出現了帕普斯(Pappus)的評注本,以及亞歷山大城的塞翁(Theon of Alexandria)的評注本。約在公元800年出現阿拉伯文譯本。而此後出現的更為完善的譯本,則是阿拔斯王朝的著名哈里發阿爾馬蒙(Al-Ma\'mun)對於天文學大力贊助的結果。公元1160年左右,一個從希臘文本譯出的拉丁文譯本出現在西西里。而公元1175年出現的克雷莫納的傑拉爾德(Gerard of Cremona)從阿拉伯文譯出的拉丁文譯本,使得《至大論》開始重新被西歐學者所瞭解。

在此前漫長的中世紀,西方世界的天文學進展主要出現在阿拉伯世界,而阿拉伯天文學家是大大受益於托勒密《至大論》的。上述這些拉丁文譯本,則在下個世紀大大提高了歐洲天文學的水準。