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古希臘人通過長期的天文觀測,已發現水星、金星、火星、木星和土星在天空上相對於恆星背景而言,通常往往是在自西向東地穿行,這被稱為行星的「順行」,但有時也會作自東向西的穿行,這被稱為行星的「逆行」。此外,行星在順行轉為逆行或逆行轉為順行的過程中,常會在若干天內在恆星背景上某點靜止不動,這被稱為「留」。對於太陽和月亮,它們相對於恆星背景始終在自西向東穿行,但這種穿行有時快、有時慢,運動速度並不均勻。
對此,柏拉圖認定行星遵循著某種規律性,像恆星一樣沿著絕對完美的路徑運行。因此他給他的門徒們提出了一個任務:研究行星現在這個樣子究竟是由哪些均勻圓周運動疊加而成的。這就是著名的「拯救現象」方法。為了實現柏拉圖所要求的「拯救現象」,應用發達的幾何學,不同的古希臘學者對順行、逆行、留等現象提出了不同的解釋。
其中第一種解釋稱同心球體系,它是由位於希臘本土的柏拉圖學派的歐多克斯在公元前4世紀上半葉提出的。歐多克斯認為,除了最外層的恆星天球每天均勻地繞位於宇宙中央的地球轉動一周外,水星、金星、火星、木星和土星這五顆行星以及太陽和月亮的運動都分別可用一組同心球來表示。例如對於某顆行星M的同心球體系而言,它出4個同心球組成,行星M位於最裡面的一個同心球上,由此向外的每個同心球的軸都支撐在其外面的那個同心球上,各個軸之間又具有不同的傾角。
歐多克斯認為,同心球體系中的各個球在以不同的速度作勻速圓周運動,但組合起來卻構成了某行星在恆星背景上的順行、逆行、留等複雜的視運動。對於太陽、月亮的不均勻運動也可用類似的同心球體系來解釋。從數學上講,歐多克斯這—模型的實質是把任一曲線運動或不均勻運動用許多勻速圓周運動的疊加來表示。歐多克斯提出,太陽、月亮各需要3個球,五大行星每個各需要4個球,因此連最外面的恆星天球在內—共需要27個球。
歐多克斯只是把他的同心球體系當做解釋天體運動的輔助工具,而並不認為這些同心球是客現存在的物質實體。到了公元前4世紀下半葉,柏拉圖學派的著名學者亞里斯多德則把這些同心球當做實際存在的殼層,而且認為各組天球彼此相連,形成了一個總的同心球體系。為了使某一天體的特有運動不致直接傳給在它裡面的天體,他還在各組天球層之間插進一些反向運動的新的球層,以抵消上面那組天球所特有的一切運動。結果,亞里斯多德使天球層的總數達到55個之多。亞里斯多德還認為,所有這些天球都像水晶一樣透明,甚至比水晶更透明,從位於宇宙中心的地球上的人看去,根本無法覺察到這些天球的存在。亞里斯多德的這一理論常被稱為水晶球體系。
公元前3世紀,阿利斯塔克對行星的順行、逆行、留等現象提出了第二種解釋。亞歷山大帝國在其創建者亞歷山大大帝去世後便告分裂,他的幾位將領把帝國瓜分,其中託勒密·蘇特做了埃及王,史稱託勒密王朝。託勒密·蘇特和他的繼承者都十分重視科學,花費大量金錢在其首都亞歷山大城建立研究院式的學府,還設立了天文臺和圖書館,並招聘許多希臘學者前往進行自然科學研究,從而形成了古希臘天文學中成果最豐碩、延續時間最長的亞歷山大學派。
亞歷山大學派的天才學者阿利斯塔克巧妙地測定了太陽、月亮、地球三者的距離和大小之比,儘管他的測量誤差很大,但他還是發現了太陽遠比地球要大得多,他認為如此碩大的太陽不應該繞著小小的地球轉動,並進而提出了古代的日心地動說:太陽位於宇宙中心安然不動,地球和諸行星都在以不同的速度圍繞太陽轉動,行星在恆星背景上的順行、逆行、留等現象是地球和行星共同圍繞太陽轉動而產生的合成效應。地球除繞日轉動外,本身還每天繞其自轉軸自轉一周,天體的東升西落正是由此而造成的。
公元前三世紀末,著名數學家和天文學家阿波羅尼對行星的順行、逆行、留等現象提出了第三種解釋。這種解釋可稱之為本輪均輪說。阿波羅尼認為地球位於宇宙的中央,行星P在一個小圓(稱本輪)上繞中心O作勾速圓周運動,而該本輪的中心則又在一大圓(稱均輪)上繞地球作勻速圓周運動。兩種運動的合成構成了行星順行、逆行、留等複雜的視運動的現象。
公元前2世紀,著名天文學家、亞歷山大學派的依巴谷對太陽在恆星背景上穿行速度(即太陽的周年視運動)的不均勻性作出如下解擇:太陽實際上是在正圓軌道上作勻速運動的,但由於地球並不正好位於此軌道的中心,而是離中心略有偏離,也就是說太陽是在一個偏心的圓軌道上繞著地球轉動,所以從地球上看去,太陽的周年視運動才是不均勻的。這種解釋被稱為偏心圓模型。