托勒密的地心说：通识物理中的宇宙模型

从很早的时候开始，人类中的智者就在思考一些重要的问题，比如：地球在宇宙中所处的位置、日月星辰为什么总是东升西落等等，他们通过观察和经验，并结合一些神灵意识，逐渐形成了一些早期的天文学理论。需要特别强调的是：这些天文学理论虽然存在很多错误，但大多并非迷信和想象，而是科学观察和研究的结果。

公元前400 多年，古希腊哲学家柏拉图根据对日月星辰做环绕运动的直观认识，给他的学生们提出了一个问题：是否能用匀速圆周运动的组合去描绘所有天体的运行轨迹？针对这个问题，柏拉图的学生欧多克斯第一个致力于建立一个宇宙的几何模型，他开始尝试用以地球为中心的同心球壳来解释附着于球壳上的天体运动。欧多克斯的研究成果虽然很有限，但这个“同心球壳”的创意却很好地启发了著名古希腊哲学家亚里士多德。公元前300 多年，亚里士多德系统地提出了“地心说”的设想，他认为：宇宙是一个有限的球体，地球位于宇宙的中心，包括太阳和月亮在内的其他天体都在各自的天球轨道上，围绕着地球做匀速圆周运动。地球之外有9个等距天层，由里到外的排列次序是：月球天、水星天、金星天、太阳天、火星天、木星天、土星天、恒星天和原动天，此外空无一物。而且亚里士多德认为天体自己是不会运动的，在九重天球的顶层“原动天”，住着一位神灵般的“第一推动者”，也就是后来教会所宣扬的“上帝”，如图1.1 所示，正是上帝推动着所有天体围绕地球旋转。当然，上帝的形象和名称并不是亚里士多德提出的，但在当时，亚里士多德的地心说宇宙模型还是为教会有关“上帝创造人类”的宗教教义提供了充分的“科学”依据。不仅如此，亚里士多德还把我们的世界分为“月下世界”和“月上世界”。就像在中世纪油画作品中表现的那样，凡人生活在肮脏、世俗的“月下世界”，而神灵则居住在神秘、高贵，并且充满“以太”的“月上世界”。这样的神学观点为教会的权威找到了理论支持，因而符合教会的宗教利益，并最终被教会所利用，当然这并非亚里士多德的本意。

图1.1　亚里士多德的“九重天”宇宙模型

公元140 年，古希腊著名学者托勒密总结了前人在过去400 年间的成果，发表了他的13卷巨著《天文学大成》，在书中他进一步完善了亚里士多德的设想，提出了形态比较完整的“地心说”（有人也据此认为托勒密才是地心说的提出者）。在当时，地心说不仅由学术权威提出，还符合人们对日月星辰从东方升起、西方落下的直观体验，同时还与教会的宗教教义契合，因此在当时得到了教会的支持和守护，并被人们广泛认可。然而，地心说很快就面临了重大的理论挑战。如前面所述，地心说假设所有的天体都绕地球做匀速圆周运动，所以理论上天体应永远和地球保持同一距离。可是人们在实际的天文观测中发现：行星的亮度会发生变化，日食有时是全食有时是环食，再比如很多天体（火星）的运行都有一种忽前忽后、时快时慢的现象。这些现象充分说明天体到地球的距离是不断变动的，而这与地心说的匀速圆周运动理论产生了矛盾。为了解决这个问题，托勒密提出了一个牵强附会的“本轮均轮”学说，如图1.2 所示：他将天体绕地球公转的轨道称为“均轮”，并在每个均轮上又为天体设计了运动的“本轮”。这样一来，每个天体在沿着均轮做绕地公转运动的同时，还会像卫星一样绕着均轮上一个移动的中心（也就是本轮中心）做旋转运动，从而给人们一种错觉：虽然从均轮中心的地球看来，天体会出现忽前忽后、时快时慢的现象，但在本轮中心看来，天体仍然在做匀速圆周运动。这个设计虽然十分复杂，但却巧妙地解释了地球上所看到天体出现忽前忽后现象的原因，这不仅弥补了地心说的一些理论漏洞，还令人更加信服，地心说也由此流传长达1300多年。(www.xing528.com)

图1.2　托勒密的本轮均轮学说

地心说作为人类世界第一个完善的宇宙模型，尽管其“地球是宇宙中心”的基本观点就是错误的，但它的历史功绩不应抹杀。地心说的进步性主要体现在两个方面：首先，地心说认为地球是“球形”的，并区分了行星和恒星，还着眼于探索和揭示行星的运动规律，这标志着人类对宇宙认识的一大进步。其次，地心说运用数学工具来计算行星的运行轨迹，不仅亚里士多德首次提出了“天球轨道”的概念，托勒密还设计出了“本轮均轮”。这使得人们能够对行星的运动和位置进行定量计算，从而帮助人们在一定程度上预测天象，所以在人类的生产实践中也起过一定的积极作用。