託勒密地心說真的是被哥白尼一擊擊潰的嗎?

十六、十七世紀，科學的迅速發展引領了前所未有的自然發現和認知過程。當時物理學、數學、化學、生物學以及天文學的突破為現代科學才打下了良好的基礎。在天文學領域，被認為最具影響力的學者就是創造了日心說的哥白尼。

基於對行星運動的持續觀測和古羅馬、古希臘以及伊斯蘭的經典世界理論，哥白尼推測地球和其它行星、恆星都圍繞著太陽運轉。通過這種假設，哥白尼成功解決了經典地心模型所導致的數學問題和矛盾，為現代天文學奠定了基礎。

實際上哥白尼並不是第一個提出地球和其它行星都圍繞著太陽運轉的人，但是哥白尼非常及時地提出了一個新穎的日心模型。第一個原因是當時歐洲的天文學家正在努力解決公元前二世紀託勒密地心模型所產生的數學和觀測問題。第二個原因是哥白尼的模型是第一個完整且詳細地描述宇宙運行的天文系統模型。哥白尼地模型不僅僅解決了地心模型的各種問題，還提供了一種不需要複雜數學就能描述宇宙運轉的簡化宇宙觀。隨著時間的推移，這個模型得到了有影響力的人的支持，日心說逐漸被天文學家認可。

葡萄牙宇宙學家和製圖師 Bartolomeu Velho 在 1568 年對託勒密地心說的闡釋。來源Bibliothèque Nationale, Paris

託勒密（地心說）模型

地心說模型自從遠古時代就被廣泛接受，它認為地球是宇宙的中心，所有恆星和行星圍繞著地球運轉。到了古希臘和古羅馬時代晚期，亞里斯多德和託勒密將地心說正規化，用數學來描述地心說。

地心說本質上可以歸功於兩種常見的觀測結果。第一，古代天文學家發現太陽、其它恆星、行星似乎每天都圍繞著地球運轉。第二，從位於地球上的觀測者來說，地球似乎並沒有運動，好像是空間中的固定點。

大約在公元前三世紀，人們開始逐漸接受地球是球形的。亞里斯多德時代，地心說也吸納了這種認知，認為地球、恆星、行星都是球體，並且以完美的圓形軌道運動。

但是直到公元前二世紀，埃及-希臘天文學家託勒密發表了他的論文《Almagest》，才將地心說的細節變得更加標準和嚴謹。考慮到從古巴比倫到當時的天文學認知，託勒密認為地球處於宇宙的中心，並且恆星都離宇宙中心不太遠也不太近。

2009年底和2010年初，火星「逆行」—— 一種似乎在天空中向後移動的現象。來源：NASA

為了解釋地心模型中的逆行現象，地心說認為每一個行星都在同時進行著兩個圓周運動：第一個被稱作「均輪」，第二個被稱作「本輪」，並且本輪的圓心在均輪上。均輪的圓心並不在地球上，被引入用來解釋季節的不同長度。「本輪」的目的是用來解釋行星的逆行現象，當行星沿本輪運動方向與均輪運動方向相反時，天空中的行星似乎變慢了，發生逆行，然後又再次向前移動。

不過，本輪和均輪並不能解釋所有觀測到的行星運動。最明顯的是，行星逆行(特別是火星)的環有時候比預測的大，有時候小。為了緩解這個問題，託勒密發展了一種位於行星軌道中心附近的幾何工具——equant，這樣行星就以均勻的角速度運動。

對於站在行星軌道中心附近的觀察者來說，行星的本輪似乎總是勻速運動，但是對於其它位置的觀察者來說，行星就不是以均勻的角速度運動。雖然這套體系在羅馬、中世紀歐洲和伊斯蘭世界中被廣泛接受了大約一千多年，但是從現代標準來看，它實在是太冗雜了。

不過託勒密發展的地心說確實以很高的精度預測了行星的運動，還被用來編制未來1500年的星圖和天文圖。直到16世紀，託勒密地心說才逐漸被哥白尼、伽利略和克卜勒推崇的日心說取代。

George Trebizond 的 《Almagest》拉丁文譯本。來源：Public Domain

哥白尼（日心說）模型

16世紀，哥白尼開始設計日心模型。和許多前輩一樣，哥白尼的工作建立在希臘天文學家Atistarchus的工作基礎上，並且對馬拉加學派和幾個來自伊斯蘭世界的著名哲學家表達了敬意。16世紀初，哥白尼在一篇名為Commentariolus (「Little Commentary」)的文章中總結了他的觀點。

1514年，哥白尼開始在他的天文學家和學者同事間傳播他的文章副本。這份長達四十頁的手稿描述了他基於七個基本原則發展出的日心說的想法。這七個原則為：

天體並非都圍繞一個點運轉

地球的中心只是地月系統的中心

所有球體行的天體都圍繞著太陽運轉，並且太陽在宇宙中心附近

地球和太陽之間的距離遠小於恆星到太陽和到地球距離，所以沒有觀測到恆星的視差

恆星是不可移動的——它們每天的運動只是由於地球每天的自轉引起的

地球在圍繞著太陽的球體中運動，導致了太陽每年明顯的遷移，並且地球有不止一個運動

地球繞太陽的軌道運動使行星的運動方向看起來相反

此後，他繼續收集資料，進行了更詳細的工作。1532年，哥白尼差不多完成了他巨著De revolutionibus orbium coelestium (On the Revolutions of the Heavenly Spheres)。 文章中，他以更詳細的形式和仔細地計算來支持他的七個主要的論點。

地心模型和日心模型的比較。來源：history.ucsb.edu

如果水星和金星的軌道位於地球和太陽之間，哥白尼就可以解釋它們外觀的變化。簡單地說，當它們和地球處於太陽的兩邊時，水星和金星更小，但是更加飽滿（更加圓、亮）。如果它們和地球處於太陽的同一側時，水星和金星顯得更大，但是會呈現「角狀」（新月形）。

日心說還解釋了像火星和木星這樣的行星的逆行運動，這表明位於地球上並不是一個固定不同的參考系，而是移動的。這也解釋了為什麼火星和木星在某些時候會比其它時候顯得更大。從本質上講，它們在大衝的位置上時比在合的位置上時更靠近地球。

然而，哥白尼擔心發表他的理論會招致教會的追責（也有可能擔心他的理論存在一些科學缺陷），哥白尼到去世的前一年，也就是1542年，才將論文送紐倫堡出版。

歷史淵源

上文說過，哥白尼並不是第一個認為日心是宇宙中心的人，哥白尼也是基於前幾位天文學家的工作提出的日心說。關於日心說雛形的第一個有記載的例子可以追溯到經典古希臘古羅馬時期，當時Samos的Aristarchus（約公元前310-230年）出版了包含他同時代人（如阿基米德）引用的參考文獻的著作。

Aristarchus在公元前3世紀計算了太陽、地球和月球的相對大小。圖片來源：Wikipedia Commons

阿基米德在其著作《The Sand Reckoner》中描述了Aristarchus的另一項工作，他在其中提出了日心模型的另一種假設。正如他所解釋的：

現在你知道「宇宙」是大多數天文學家給天球起的名字，天球中心是地球的中心，半徑為太陽中心和地球中心之間的距離。這是目前公認的說法…正如你從天文學家那裡聽到的。但是，Samos的Aristarchus提出了一些假設，這些前提導致的結果是，宇宙比現在所謂的大很多倍。他假設，固定恆星和太陽不可移動，地球繞著太陽進行圓周運動，太陽位於軌道的中間，固定恆星的天球的中心與太陽位於同一中心，這個模型要求一個非常大的天球，以至於他假設地球運轉的圓的尺寸和固定恆星的天球的尺寸和它們到宇宙中心的距離成比例，就像球體的表面積與表面到中心距離成比例一樣。

這個假設產生了一個概念，即當地球圍繞太陽運動的時候，應該存在一個與「固定恆星」有關的可觀測視差（例如觀察到恆星的相對運動）。根據阿基米德說的，Aristarchus認為固定恆星的距離實際上比人們通常認為的遠得多，因此沒有發現明顯視差。

另一位是思考過日心模型的是一個古代希臘哲學家，Seleucia的 Seleucis （約公元前190-150年）。Seleucis是居住在Seleucid 帝國近東的希臘天文學家，他是Aristarchus日心說的支持者，據說他已經證明了日心說。

根據當時的資料，Seleucus 可能是通過確定地心模型的常數，然後將它們運用到日心理論中，計算行星位置（可能是利用三角法來做到這一點的）。Seleucus 也可能是通過潮汐現象推出的理論，他推測潮汐和月球有關，換言之地球繞著地月系統的「質心」在運動。

公元前5世紀，來自Carthage的羅馬哲學家Martianus Capella（Martianus Capella）認為金星和水星繞著太陽運轉，來解釋它們外表上的差異。Capella的模型在中世紀早期被許多9世紀的匿名評論員討論過，哥白尼也提到過 Capella 的模型對自己的工作有影響，

中世紀晚期，Nicole Oresme主教（約1320—1325年至1382年）討論了地球繞其軸心旋轉的可能性。1440年，Cusa 紅衣主教 Nicholas（約1401年至1464年） 寫了一篇名為《De Docta Ignorantia 》(On Learned Ignorance) 的論文，表明是否有任何理由斷定太陽（或者其他點）是宇宙的中心。

印度天文學家和宇宙學家也暗示了在古希臘、古羅馬晚期和中世紀提出的日心系宇宙的可能性。公元499年，印度天文學家 Aaryabhata 發表了他的著作Aryabhatiya，文中他提出了一個模型，地球繞著軸旋轉，各個行星的運動周期是相對於太陽給出的。此外，他還精確計算了行星的周期、日月食的時間以及月球的運動。

Ibn al-Shatir的水星顯現模型，引入多個本輪，使用圖西對方法，可以解決託勒密模型的偏心問題，並且託勒密引入的equant 方法也不再需要。來源：Wikipedia Commons

15世紀，Nilakantha Somayaji 發表了 《Aryabhatiyabhasya》，來對Aaryabhata的《Aryabhatiya》進行評論。Nilakantha Somayaji 提出了一個部分日心行星的模型：行星圍繞著太陽運行，太陽又圍繞著地球運行。在 《Tantrasangraha (1500)》 中，他進一步修改了行星系統的數學模型，認為地球是繞著自己的軸在轉動。

此外，日心模型在中世紀的伊斯蘭世界中也有著支持者，許多人都曾激勵過哥白尼。在10世紀之前，託勒密的模型是西亞和中亞天文學家公認的標準。但是，隨著時間的推移，質疑地心說基本準則的手稿開始出現。

例如，10世紀的伊朗天文學家 Abu Sa』id al-Sijzi 利用地球圍繞著自身旋轉軸轉動的假設，解釋了地球的晝夜交替和恆星相對於地球的轉動。11世紀初期，埃及-阿拉伯天文學家Alhazen 寫了一篇題為《Doubts on Ptolemy 》（約 1028 年）來批評託勒密的模型。

烏茲別克斯坦 Ulug' Beg 天文臺的入口。來源 Wikipedia Commons/Sigismund von Dobschütz

差不多在相同時間，伊朗哲學家Abu Rayhan Biruni（約973年-1048年）討論了地球繞著自己的軸旋轉的可能性，儘管他認為這是一個哲學問題而不是數學問題。在 Maragha 和 Ulug』Beg (又名 Samarkand) 天文臺，13-15世紀間的幾代天文學家對地球自轉的問題進行了討論，提出的很多證據和觀點與哥白尼使用的證據和觀點類似。

日心模型的影響

儘管哥白尼害怕自己的論點會引起蔑視和爭議，但實際上日心說的公布僅僅引起了宗教溫和的譴責。隨著時間的推移，許多宗教學者嘗試推翻哥白尼的模型。不過僅僅過了幾代人的時間，哥白尼的理論得到了非常廣泛的接受，同時也收穫了非常多有影響力的捍衛者。

伽利略也是日心說的捍衛者之一，他利用望遠鏡對天空進行觀測， 修正了日新模型中的一些缺陷。此外，伽利略還發現了一些證據來支持日心說。例如，伽利略發現了圍繞木星的衛星、太陽黑子和月球表面的缺陷——所有這些證據都可以用來說明行星並不是完美的球體。儘管伽利略對哥白尼的支持招致了對他的軟禁，但其他天文學家很快就跟進了伽利略的工作。

德國數學家、天文學家克卜勒也引入橢圓軌道，來完善日心模型。在此之前，日心模型使用的圓形軌道無法解釋為什麼行星圍繞太陽運行的速度大小不是恆定的。克卜勒認為在橢圓軌道上的某些點上行星會加速，而某些點上會減速，以此來解釋上述問題。

此外，哥白尼關於地球在運動的思考持續激勵了對整個物理學領域的反思。以前人們認為運動需要外力來激發和維持，而哥白尼的理論則挑戰了這個傳統的觀點，對重力和慣性概念的建立起到了非常大的幫助作用。牛頓闡明了這些概念，並且牛頓的原理構成了現代物理學和天文學的基礎。

雖然日心模型取代地心模型的進程非常緩慢，但最終日心模型取得了勝利。日心模型帶來的影響可以說是一場革命。人類對宇宙的理解和人類在宇宙中的地位自哥白尼後，發生了翻天覆地的變化。

作者: universetoday

FY: 琪琪的粥

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