俞云伟
桂子山谈天:(3)西方天文学源流
2020-4-6 10:33
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现代自然科学包括天文学均起源于西方,所谓西方确切地讲专指欧洲,而欧洲文化传统的源头则来自于古希腊和古罗马。非常有意思的是,古希腊和古罗马核心区域的地理环境其实并不具备形成强大农耕文明的大河平原条件,因此并不属于我们通常所讲的四大文明古国。然而,古希腊所在巴尔干半岛和小亚细亚之间的爱琴海恰好具有星罗棋布的岛屿,使得古希腊人具有了天然的航海优势,正好可能在古埃及和古巴比伦两大文明中间起到一定的连接作用,因而也必然很早受到两大文明的影响。而与此同时,古希腊人又不是没有根基的海洋民族,其本身也具有较为悠久的文化(克里特文明和迈锡尼文明),因而具备吸纳其它文化的自身条件。尤其是在公元前4世纪,出生于马其顿的亚历山大大帝在一统巴尔干半岛后,以雷霆万钧之势横扫波斯、驰骋中东、马踏埃及,兵锋直指印度河,一举把三大文明区域收入囊中,建立起了一个横跨欧亚非的庞大帝国。作为亚里士多德的学生,亚历山大对不同地区的文化抱有宽容的态度。因此,不难想象在兼容并蓄之后亚历山大帝国的文化所能够达到的繁荣程度,这完全可以体现在坐落于埃及的亚历山大图书馆的巨大藏书量上。同时,亚历山大大帝的征服过程也使希腊文化得以广泛传播,形成了一个泛希腊化的世界。尽管随着亚历山大大帝的去世,其庞大的帝国很快就陷入了分崩离析的景况,但不同文化间的接触和融合却不可逆转,对后世造成了不可磨灭的影响。基于这些地理和历史因素,古希腊文明一定程度上或许可以被认为是古埃及和古巴比伦文明的继承者和发扬者。当然,学习和继承的过程应该很早就发生了,并持续了数个世纪。

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总体上讲,古埃及和古巴比伦文明的成熟年代很可能非常早(至少7000年前),但是它们的文化基本已消散在历史的烟云中,很少能被今天的我们直接了解。哪怕是对于古希腊的著作,我们很多也只能看到来自于文艺复兴时期的版本。人们基本上同意,大概在5000年前古埃及便已开始采用了四分历,即知道一年的长度为365.25天。金字塔的建造也很可能运用了大量天文学的知识(比如确定方向)。古巴比伦人也对太阳、月亮和五大行星的运行周期都有很精确的掌握,并很早就开始使用置闰月的方法。他们还提出了星期的概念,并把一天分为12个小时,一小时60分,一分60秒,等等。据信,古埃及人和古巴比伦人在几何学和代数学方面具有很高的造诣,这对于天文学测量来说是十分重要的。所有这些知识被古希腊人继承和发扬后,使他们能够做出一系列重要的发现。

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被誉为古希腊及西方第一个自然科学家和哲学家的泰勒斯(公元前7至6世纪,中国春秋时期)便是在学习了古埃及和古巴比伦的知识后将一年的长度修定为365天。他还利用几何学方法估量了太阳及月球的大小,还预测到了公元前585年发生的日食。古希腊最伟大的天文学家、数学家之一喜帕恰斯(公元前2世纪,中国西汉时期)测量得到了一年的长度为365天5小时55分12秒,非常接近于现代的测量值。同时,他还最早发现了岁差。为了研究天文学,喜帕恰斯创立了三角学和球面三角学,详细掌握了月亮的运动规律,能以前所未有的准确度预报日食和月食。他还留下大量的观测资料,其中包括西方历史上的第一部星表(含1022颗恒星)。遗憾的是,喜帕恰斯本人的著作并未能流传下来,人们对他的了解实际上均是来自于托勒密的著作。托勒密是出生于后希腊时代(公元2世纪,中国东汉时期)的一位学贯古今的大学者,他一生著述甚多。托勒密以古巴比伦的星座体系为蓝本,将全天星空划分为四十八个星座,结合希腊神话故事给它们取定了名称,成为现今流行的星座体系的基础。结合自身的大量天文观测,托勒密把古希腊人全部的天文学知识汇编成了13卷《天文学大成》。该书成为其后14个世纪天文学的圣经,基督教传统里的准则和法则。

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《天文学大成》中对后世影响最大的内容之一便是本轮均轮学说(地心说)。为了理解这一学说,我们不得不先了解一下古希腊人对于宇宙的早期认识。生活于公元前6世纪的毕达哥拉斯是一位对希腊文化造成重要影响的哲学家。他所开创的学派奉行数字神秘主义,认为“数是万物的本质”和整个宇宙是数及其关系的和谐的体系。他们对于圆周具有执着信念,认为球和圆是最完美与和谐的形体。毕达哥拉斯学派提倡天文学家的研究目的是创造可以模拟天体运动现象的几何模型。他们通过观察月食发生时地球的投影而认识到地球是圆的,他们还认为太阳、月亮和行星的运动都是匀速圆周运动或是匀速圆周运动的组合。这些观念成为了西方天文学家宇宙观中的一个核心理念。受此影响的柏拉图(公元前5到4世纪,中国战国时期)建立起了第一个几何宇宙模型。在这个模型中,地球处在宇宙的中心,恒星处在宇宙边界的天球上。在地球和天球之间,太阳、月亮和五大行星围绕着地球,它们一方面随着天球每日绕动一周,另一方面又在各自的圆轨道上做匀速运动。柏拉图的追随者欧多克索斯(公元前4世纪)则进一步提出了一个更为复杂的模型,认为太阳、月亮和五大行星的运动应由多个同心球的匀速转动结合而成,太阳和月亮为三个,五大行星为四个。柏拉图和欧多克索斯之所要对行星运动做出这样一些复杂的安排,原因是它们在天上的运动轨迹并不简单,其最大特点是存在逆行现象,无法被简单的圆周运动所解释。但是,这些同心球模型虽然可以一定程度上解释实际观测,不过仍然存在诸多的问题。无论如何,欧多克索斯的同心球模型是建立数学化天文理论的第一次尝试,意义深远。正是在这样的背景下,阿波罗尼乌斯、喜帕恰斯和托勒密等人建立和发展出了本轮均轮模型。在该模型中,地球位于E点,行星位于P点,围绕地球的大圆是均轮,围绕Q点的是本轮(Q点处并无物体)。在必要的时候,还可以在本轮之上再增加本轮。因此,对于每一颗行星,我们总可以设计出一组“本轮-均轮”的体系,通过调适这些圆周运动的相对大小和相对速度,来解释行星的不规则运动,使其时而后退、时而停留。对于太阳和月亮,因为没有逆行现象,所以只需要一个均轮就可以了。本轮均轮模型相比于同心球模型,其哲学思想是一脉相承的,不过在方法论上做出了巨大的创新。一定程度上,本轮均轮模型就类似于一种多项式展开,我们总可以通过多项式的组合为一个实际的函数给出足够精确的拟合,尽管这种拟合未必具有明显的物理意义。因此,本轮均轮模型的实际应用性很强,这也是它能够始终被人们所接受的重要原因。

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公元前37年继古希腊而建立的罗马帝国是欧洲历史上一个非常重要的时期。但是,古罗马人对自然的原有认知似乎并不十分发达,他们所采用的努马历是完全的阴历,一年总共只有354天。所以后来成为罗马第一个皇帝的凯撒在公元前46年废除了努马历,采用了更先进的儒略历(儒略是凯撒的名)。儒略历规定一年为365天,其中奇数月31天,偶数月30天,但为了保证总天数正确二月只有29天。凯撒还用他的名“儒略”(Julius)命名了他所出生的七月(即英语July)。凯撒死后,他的义子屋大维继位为皇帝。屋大维学习他的父亲,也将其出生的八月改名为他自己的封号奥古斯都(即英语August),同时还把八月由原来的30天改成了31天。这个多出来的一天是从那个无辜的二月中移过来的,从此二月就只有了28天。儒略历规定每4年设置一个闰年,通过增加一天来弥补每年对回归年近6个小时的不足。这增加的一天就补偿给了二月。不过,这种置闰法实际上是多补了11分14秒,上千年后就会造成不小的误差。因此到了1582年(此时罗马帝国早已灭亡),罗马教皇格里果里十三世颁布了“格里历”,规定不能被400整除的年份不再置闰年以减小误差,这就是现在世界通行的公历。

公元393年,基督教成为罗马的国教,从此在思想和文化方面更趋于保守。公元395年,罗马帝国实行东西分治,西罗马帝国的首都仍在罗马,而东罗马帝国(拜占庭帝国)的首都则位于小亚细亚的君士坦丁堡(今土耳其的伊斯坦布尔)。两者不仅在政治上独立,在宗教上面也存在巨大的差别。虽然同属基督教世界,但西罗马奉行天主教,东罗马则为东正教。公元476年,西罗马帝国灭亡,西欧进入了长期的封建割据状态,思想上完全受到罗马教会的钳制,古希腊古罗马以来的很多文化传统逐渐失去了踪迹,史称中世纪。总体来说,古罗马人对于自然哲学或理性哲学的兴趣似乎远不及古希腊人,因而对于罗马帝国时期及其后中世纪的天文学我们并没有太多需要论述的。

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从11世纪末开始,西欧各国在其后的200年间陆陆续续发动了九次十字军东征,客观上促进了西欧与东罗马帝国的交流,从而了解到了保留在东罗马帝国的古希腊文化以及阿拉伯文化。12世纪,印刷术的引入和大翻译运动的兴起更是导致了古希腊文化更广泛的传播。为了应对亚里士多德思想的复兴,在天主教内部也出现了经院哲学流派,逐渐实现了哲学和神学的相对分离。这些变化都促使欧洲在14世纪进入了文艺复兴运动的新时代,黑暗的中世纪渐将结束。1453年,东罗马帝国被奥斯曼帝国灭亡后,大量东正教的教士来到欧洲,更是直接加速了古希腊文化的复兴过程。这期间,德国天文学家约翰·缪勒把托勒密《天文学大成》的希腊文原本翻译并精简成了拉丁文本。他还加入他自己的观测结果,重新计算了托勒密的所有观测。这项工作直接开启了天文学研究传统在欧洲的复苏。波兰天文学家哥白尼在研习《天文学大成》的过程中,逐渐认识到并越来越不满足于本轮均轮学说的缺陷和繁复。通过不断的观察、思考和计算,他最终提出了一个石破天惊的论断,即认为宇宙的中心不是地球而是太阳,完成了他的伟大著作《天体运行论》。哥白尼“日心说”对托勒密“地心说”的替代从宗教角度而言完全是大逆不道、不可容忍的。但是,从科学角度而言,“日心说”却无疑是美妙和有力的,它可以以一种异乎寻常的简洁来解释行星的逆行现象。严格来讲,我们似乎不能说哥白尼的“日心说”和托勒密的“地心说”之间是完全对立的,是一种暴力的革命。或许,从思考方式来看,它们更像是一种继承和发展的关系。不过,无论如何,哥白尼所强调的“现象引导天文学家”的方法论终使其摆脱了长期以来束缚人们思想的一些不必要的哲学和宗教理念,真正体现了人类对自然现象的纯粹理性思考。因此,《天体运行论》一书的发表被认为是近代自然科学诞生的标志。

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当然,哥白尼的思想中实际上仍然还存在着诸多与地心说和宗教理念剪不断理还乱的联系。作为一名虔诚的天主教徒,他提出日心说的初衷也是为了感受天主管理下的宇宙所有的庄严秩序。所以,日心说要最终成为一种现代科学理论还有赖于更多人的探索和完善。首先出场的是伽利略,他是第一位使用望远镜观察星空的天文学家,他因此而发现银河其实由无数颗恒星所组成,太阳上面有黑子,月亮表面不平整,金星和月亮一样有盈亏,木星还有四个卫星(木星卫星中最大的四个,现称伽利略卫星)。所有这些发现都使大家认识到,天上的那个世界并非如古代哲学家所想象的或宗教所宣扬的那样神圣和完美,而是看上去与我们的现实世界一样都是自然的一部分。当时的人们评价说“哥伦布发现了新大陆,伽利略发现了新宇宙”。伽利略的这些发现对教会所坚持的“地心说”产生了强烈的冲击,而有力支持了“日心说”。接着,德国天文学家开普勒通过分析其导师第谷所留下的大量行星观测记录,天才般地发现了行星运动三定律,即,(1)椭圆定律:行星绕太阳的轨道都是椭圆,太阳在椭圆的一个焦点上;(2)面积定律:行星和太阳的连线在相等的时间间隔内扫过相等的面积;(3)调和定律:行星的公转周期平方和它们轨道半长轴的立方成正比。这三个定律的发现极大地丰富了日心说的内涵,使其具有了一种无可辩驳的精确描述。当然,也完全破除了从毕达哥拉斯以来对正圆轨道的执着信念。由于这项成就,开普勒被人们誉为“天空的立法者”,这是多么崇高的评价!站在开普勒等巨人的肩膀上,伟大的牛顿最终在1687年发表了万有引力定律,使自然之光第一次冲破黑暗照耀人间!那么,在这个地方,每一位学习物理的朋友或许都可以好好回忆一下我们是如何使用比耐公式得到平方反比引力场中的轨道定律的。

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随着望远镜制造水平的不断提高,天文学家以及爱好者们得以更加精确地观察星空,甚至发现一些从未所知的天文现象。英国人威廉·赫歇尔是一位狂热的天文爱好者,并且他还非常善于设计和制造望远镜。1781年3月13日,他意外发现了一颗新的快速移动的天体,一开始他很审慎地将其称为彗星,虽然内心充满了怀疑。实际上,在赫歇尔之前,这个天体也曾被其他人看到过但似乎没有引起足够的重视。随着这个未知天体的轨道特征被逐渐确定后,人们逐渐认识到这是五大行星之外的一颗新的行星,后被命名为天王星。但是,经过更严格的比对,人们又发现天王星的运动似乎并不完全按照牛顿定律确定的轨道运行。于是大家怀疑,天王星出轨的原因应该是有一颗未知的行星在它的轨道外面拉着它。英国的亚当斯和法国的勒维耶分别在1845年和1846年计算获得了这个未知行星的轨道。根据他们的预言,人们果真找到了一颗新的行星,命名为海王星。海王星因此被称为是笔尖上发现的行星,它的发现充分展示了牛顿定律的正确性,展示了人类理性思想的光辉和力量。此后,鉴于同样的考虑,人们还试图在海王星以外和水星以内继续发现其他可能隐藏着的行星,并最终在1930年发现了冥王星。然而,在水星以内,虽然付出了巨大的努力,但始终一无所获。直到1915年,爱因斯坦用广义相对论成功解释了水星近日点的进动,从而最终终结了这项世纪探索。

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威廉·赫歇尔在发现了天王星后,受到了当时英国国王乔治三世的重视,成为了职业的天文学家,更是英国皇家天文学会的第一任会长。在他的一生中,以他的天赋和执着制造了一系列大望远镜,其自用的反射式望远镜最大口径达1.2米,为当时世界之最。他利用这些望远镜进行了很多开创性的观测,包括进一步发现了天王星和土星各自的两颗卫星和太阳的空间运动。并且,他以几十年如一日的毅力观测了117600颗恒星,用统计方法确认了银河系的扁平状圆盘结构,这是人类第一次用观测事实揭示银河系的形态。此外,赫歇尔还发现了双星、三合星和聚星848个。鉴于这些历史性的贡献,赫歇尔被后人尊为恒星天文学的创始人、恒星天文学之父。在威廉·赫歇尔之后,他的妹妹卡罗琳·赫歇尔和他的儿子约翰·赫歇尔也都成为了非常杰出的天文学家。赫歇尔家族的事迹是了天文学史上的一段佳话。

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除了恒星和行星这样一些点状光源,人们很早知道天空中实际上还存在着一些具有一定大小的亮斑,比如彗星。1758年8月28日晚,法国天文学家梅西首次在金牛座中发现了一个位置并不会发生变化的云雾状亮斑(所以并不是彗星),此后他又陆陆续续发现了一百多个。他为这些未知的天体列了一个表,后来被称为梅西耶星表(最终含110个天体)。梅西耶的发现也引起了赫歇尔的高度重视,他把这些天体命名为星云,并通过大量的观测将星云的数目增加到了2500个。而至于这些星云的本质属性,则成为了后世天文学家不断追寻的一个重要目标。


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