希臘古代天文學
正文
從泰勒斯開始到托勒密為止的近八百年間，希臘天文學得到了迅速的發展，著名天文學家很多。從地域來說，先後有四個活動中心，形成了四個學派，即：小亞細亞的米利都，從泰勒斯開始形成了一個愛奧尼亞學派（公元前七世紀至公元前五世紀）；義大利南部的克羅托內，畢達哥拉斯創立了畢達哥拉斯學派（公元前六世紀至公元前四世紀）；希臘的雅典，從柏拉圖開始，有柏拉圖學派（公元前四世紀至公元前三世紀）；埃及的亞歷山大，本城和若干地中海島嶼上的相互有聯繫的天文學家們形成亞歷山大學派（公元前三世紀至公元二世紀）。托勒密就屬於這個學派，也是整個希臘古代天文學的最後一位重要的代表。就內容來說，可以柏拉圖為界，劃分兩個時期。在柏拉圖以前，雖然也有一些重要的發現，如月光是日光的反照、日月食的成因、大地為球形和黃赤交角數值等，但還是以思辨性的宇宙論占主導地位。從柏拉圖開始有了希臘天文學的特色：用幾何系統來表示天體的運動。柏拉圖學派創立了同心球宇宙體系，而亞歷山大學派則發展出本輪、均輪或偏心圓體系。這些都屬於以地球為宇宙中心的地心體系。與此同時，還有另一方面的重要發展，即從赫拉克利德到阿利斯塔克的日心體系。公元前二世紀喜帕恰斯在觀測儀器和觀測方法方面都作了重大改進，他把三角學用於解決天文問題。公元二世紀托勒密繼承前人的成就，特別是喜帕恰斯的成就，並加以發展，著《天文學大成》十三卷，成為古代希臘天文學的總結。古代希臘天文學的成就主要表現在五個方面。地球的形狀和大小 愛奧尼亞學派認為大地是個圓盤或圓筒；畢達哥拉斯學派則認為大地是個球形；亞里士多德在《論天》（明末中譯本名《寰有詮》）里肯定了這一看法之後，地為球形的概念即成定論。埃拉托斯特尼用比較科學的方法得出了很精確的結果，他注意到夏至日太陽在塞恩（今亞斯文）地方的天頂上，而在亞歷山大城用儀器測得太陽的天頂距等於圓周的1/50。他認為這個角度即是兩地的緯度之差，因而地球的周長即是兩地之間距離的50倍。這兩地之間的距離當時認為是5,000希臘里，所以地球的周長為 25萬希臘里。據研究，1希臘里(Stadia)=158.5米，那么地球周長便是 39,600公里，可以說相當準確。100多年以後,住在羅得島上的波西東尼斯又利用老人星測過一次地球的周長，得出為18萬希臘里，沒有埃拉托斯特尼的準確，但為托勒密所採用，而成為一段時期內公認的地球周長的數值。
日、月的遠近和大小 畢達哥拉斯認為，月光是太陽光的反射；月亮的圓缺變化是由於月、地、日之間相互位置的變動，月面明暗交界處為圓弧形，表明月亮為球形，並推想其他天體也都是球形。亞里士多德接受了這一論斷，並且進一步提出“運動著的物體必是球形”這一錯誤命題來作為論據。阿利斯塔克第一次試圖用幾何學的方法測定日、月、地之間的相對距離和它們的相對大小。他的論文《關於日月的距離和大小》一直流傳到今天。在這篇論文中，他構想上、下弦時，日、月和地球之間應當形成一個直角三角形，月亮在直角頂上。通過測量日、月對地球所形成的夾角，就可以求出太陽和月亮的相對距離。他量出這個夾角是87°，並由此算出太陽比月亮遠約18～20倍。
喜帕恰斯繼續做阿利斯塔克測量日、月大小和距離的工作，他通過觀測月亮在兩個不同緯度地方的地平高度，得出月亮的距離約為地球直徑的倍，這個數字比實際稍小一點。
日心地動說 畢達哥拉斯學派的菲洛勞斯認為日、月和行星除繞地球由西向東轉動外，每天還要以相反的方向轉動一周。這是不諧和的。為了解決這種不諧和的問題，他提出地球每天沿著由西向東的軌道繞中央火轉動一周。和月亮總是以同一面朝著地球一樣，地球也是以同一面朝著中央火，而希臘人是住在背著中央火的一面。地球和中央火之間還有一個“反地球”，它以和地球一樣的角速度繞中央火運行，因此，地球上的人是永遠看不見中央火的。
按照菲洛勞斯的理論，中央火是宇宙的中心。處在它外面的地球，每天繞火轉一周，月球每月一周，太陽每年一周，行星的周期更長，而恆星則是靜止的。這樣的見解要求地球每天運行一段行程後，恆星之間的視位置應該有所改變，除非恆星跟地球的距離是無限遠。畢達哥拉斯學派認為天體與中央火的距離應服從音階之間音程的比例，也就是說恆星與地球的距離是有限的；可是，從來沒有觀測到在一天之內恆星之間的視位置有什麼變化。為了消除這一矛盾，畢達哥拉斯學派另外兩位學者希色達和埃克方杜斯提出地球自轉的理論，認為地球處在宇宙的中心，每天自轉一周。其後，柏拉圖學派的赫拉克利德繼承了希色達和埃克方杜斯的觀點，以地球的繞軸自轉來解釋天體的視運動，同時又注意到水星和金星從來沒有離開過太陽很遠，進而提出這兩個行星是繞太陽運動，然後又和太陽一起繞地球運動。
和赫拉克利德同時的亞里士多德反對這種觀點，他以沒有發現恆星視差，來反對地球繞中央火轉動的學說。他以垂直向上拋去的物體仍落回原來位置，而不是偏西的事實來反對地球自轉的學說。亞里士多德的這兩個論據，直到伽利略的力學興起和貝塞耳發現了恆星的視差以後，才被駁倒。雖然亞里士多德的觀點在很長時期內占了統治地位，但是，公元前三世紀的阿利斯塔克還是認為，地球在繞軸自轉的同時，又每年沿圓周軌道繞太陽一周，太陽和恆星都不動，行星則以太陽為中心沿圓周運動。為了解釋恆星沒有視差位移，他正確地指出，這是由於恆星的距離遠比地球軌道直徑大得多的緣故。
同心球理論 阿利斯塔克的見解雖富於革命性，但走在時代的前面太遠了，無法得到一般人的承認。當時盛行的卻是另一種見解，即以地球為中心的地心說，它一直延續到十六至十七世紀。在地心說的形成和發展過程中，許多希臘學者起了奠基的作用。畢達哥拉斯學派認為，一切立體圖形中最美好的是球形，一切平面圖形中最美好的是圓形，而宇宙是一種和諧(Cosmos)的代表物，所以一切天體的形狀都應該是球形，一切天體的運動都應該是勻速圓周運動。但是事實上，行星的運動速度很不均勻，有時快，有時慢，有時停留不動，有時還有逆行。可是柏拉圖認為，這只是一種表面現象，這種表面現象可以用勻速圓周運動的組合來解釋。在《蒂邁歐》(Timaeus)中,他提出了以地球為中心的同心球殼結構模型。各天體所處的球殼，離地球的距離由近到遠，依次是：月亮、太陽、水星、金星、火星、木星、土星、恆星，各同心球之間由正多面體聯接著。歐多克斯發展了他的觀點。歐多克斯認為，所有恆星共處在一個球面上，此球半徑最大，它圍繞著通過地心的軸線每日鏇轉一周；其他天體則有許多同心球結合，日、月各三個，行星各四個，每個球用想像的軸線和鄰近的球體聯繫起來，這些軸線可以選取不同的方向，各個球繞軸鏇轉的速度也可以任意選擇。這樣，把27個球（恆星1,日、月2×3，行星4×5）經過組合以後，就可以解釋當時所觀測到的天象。後來，觀測資料積累得愈來愈多，新的現象又不斷發現，就不得不對這個體系進行補充。歐多克斯的學生卡利普斯，又給每個天體加上了一個球層，使球的總數增加到34個。
歐多克斯和卡利普斯的同心球並非物質實體，只是理論上的一種輔助工具，而且日月五星每一組的同心球與另一組無關。可是到了亞里士多德手裡，這些同心球成了實際存在的殼層，而且各組形成一個連續的相互接觸的系統。這樣，為了使一個天體所特有的運動，不致直接傳給處在它下面的天體，就不得不在載有行星的每一組球層之間插進22個“不轉動的球層”。這些不轉動的球層，和處在它之上的那個行星運動的球層具有同樣的數目、同樣的鏇轉軸、同樣的速度，但是以相反的方向運動，這樣就抵消了上面那個行星所特有的一切運動，只把周日運動傳給下面行星。
亞里士多德體系不同於前人的地方還在於：他的天體次序是：月亮、水星、金星、太陽、火星、木星、土星和恆星天，在恆星天之外還有一層“宗動天”。亞里士多德認為，一個物體需要另一個物體來推動，才能運動。於是他在恆星天之外，加了一個原動力天層──宗動天。宗動天的運動則是由不動的神來推動的，神一旦推動了宗動天，宗動天就把運動逐次傳遞到恆星、太陽、月亮和行星上去。這樣，亞里士多德就把上帝是第一推動力的思想引進宇宙論中來了。
本輪均輪說 同心球理論除了過於複雜以外，還和一些觀測事實相矛盾：第一，它要求天體同地球永遠保持固定的距離，而金星和火星的亮度卻時常變化。這意味著它們同地球的距離並不固定。第二，日食有時是全食，有時是環食，這也說明太陽、月亮同地球的距離也在變化。
阿利斯塔克的日心地動說可以克服同心球理論的困難，但他無法回答上面提到的亞里士多德對地球公轉和自轉的責難。當時希臘人認為天地迥然有別，也阻礙人們接受地球是一個行星的看法。因此，要克服同心球理論所遇到的困難，還得沿著圓運動的思路前進。阿波隆尼構想出另一套幾何模型，可以解釋天體同地球之間距離的變化。那就是：如果行星作勻速圓周運動，而這個圓周（本輪，epicycle）的中心又在另一個圓周（均輪，deferent）上作勻速運動，那么行星和地球的距離就會有變化。通過對本輪、均輪半徑和運動速度的適當選擇，天體的運動就可以從數量上得到說明。
喜帕恰斯繼承了阿波隆尼的本輪、均輪思想，並且又進一步有所發現：太陽的不均勻性運動還可以用偏心圓(eccentrics)來解釋，即太陽繞著地球作勻速圓周運動，但地球不在這個圓周的中心，而是稍偏一點。這樣，從地球上看來，太陽就不是勻速運動，而且距離也有變化，近的時候走得快，遠的時候走得慢。
本輪均輪說到托勒密時發展到了完備的程度，他在《天文學大成》中作了概括。這種學說統治了天文學界一千四百多年，直到哥白尼學說出現以後，才逐漸被拋棄。
參考書目
M.R.Cohen and I.E.Drabkin,Source Book in GreekScience, Harvard Univ. Press, Cambridge, 1958.
O.Neugebauer, The Exact Science in Antiquity,Brown Univ. Press, Providence, Rhode Island,1957.
