託勒密地心說真的是被哥白尼一擊擊潰的嗎？

2023-04-01 03:57:36

在16和17世紀，科學的迅速發展導致了前所未有的自然發現和認知過程。那時，物理學、數學、化學、生物學和天文學的突破為現代科學奠定了良好的基礎。在天文學領域，最有影響的學者是哥白尼，他創立了日心說。

基於對行星運動的持續觀察以及古羅馬、古希臘和伊斯蘭的經典世界理論，哥白尼推測地球、其他行星和恆星都圍繞太陽旋轉。通過這一假設，哥白尼成功地解決了經典地心模型引起的數學問題和矛盾，為現代天文學奠定了基礎。

事實上，哥白尼不是第一個提出地球和其他行星圍繞太陽旋轉的人，但是哥白尼非常及時地提出了一個新的日心說模型。第一個原因是歐洲天文學家試圖解決公元前二世紀託勒密地心模型引起的數學和觀測問題。第二個原因是哥白尼模型是第一個完整而詳細地描述宇宙運行的天文系統模型。哥白尼的地球模型不僅解決了地心模型的各種問題，而且提供了一種簡化的世界觀，可以描述宇宙的運行，而無需複雜的數學。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所認可。

葡萄牙宇宙學家和製圖員巴託洛梅·韋洛在1568年解釋了託勒密的地心說。資料來源:巴黎國家圖書館

託勒密模型

地心模型自古以來就被廣泛接受。它認為地球是宇宙的中心，所有的恆星和行星都圍繞著地球旋轉。在古希臘和古羅馬的晚期，亞里斯多德和託勒密將地心說規範化，並用數學來描述地心說。

地心說本質上可以歸因於兩個共同的觀察。首先，古代天文學家發現太陽、其他恆星和行星似乎每天都圍繞著地球旋轉。第二，從地球上的觀察者的角度來看，地球似乎並沒有移動，好像它是空之間的一個固定點。

大約在公元前3世紀，人們開始逐漸接受地球是球形的。在亞里斯多德的時代，地心說也吸收了這種認知，認為地球、恆星和行星都是球體，以完美的圓形軌道運行。

然而，直到公元前2世紀，埃及-希臘天文學家託勒密發表了他的論文《天文學大成》，地心說的細節才變得更加標準和嚴謹。考慮到從古巴比倫到那個時代的天文學知識，託勒密認為地球在宇宙的中心，恆星離宇宙的中心不太遠也不太近。

在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空。資料來源:美國航天局

為了解釋地心模型中的逆行現象，地心說認為每個行星都是同時繞著兩個圈運動的:第一個圈叫做「偶輪」，第二個圈叫做「圓輪」，圓輪的中心在偶輪上。偶數輪的中心不在地球上，引入偶數輪是為了解釋季節的不同長度。「本輪」的目的是解釋行星的逆行現象。當行星沿本輪的運動方向與普通車輪的運動方向相反時，天空中的行星似乎減速，逆行發生，然後再次向前移動。

然而，當前一輪和平均一輪不能解釋所有觀察到的行星運動。最明顯的是，逆行的行星環(尤其是火星)有時比預測的更大，有時更小。為了緩解這個問題，託勒密開發了一種幾何工具，Equant，它位於行星軌道的中心附近，因此行星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，行星的周轉周期似乎總是以一致的速度移動，但是對於其他位置的觀察者來說，行星並不以一致的角速度移動。儘管這一制度在羅馬、中世紀歐洲和伊斯蘭世界已經被廣泛接受了1000多年，但以現代標準來看，它實在太混亂了。

然而，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，並且還被用來編制未來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、伽利略和克卜勒倡導的日心說所取代。

喬治·特雷比佐德的《天文學大成》拉丁文譯本。來源:公共領域

哥白尼模型

16世紀，哥白尼開始設計日心說模型。像許多前輩一樣，哥白尼的工作是基於希臘天文學家阿提斯塔丘斯的工作，並向馬拉加學派和幾個來自伊斯蘭世界的著名哲學家致敬。16世紀初，哥白尼在一篇名為《評論》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其他學者中傳播他的文章。這份40頁的手稿描述了他基於七個基本原則的日心說。這七項原則是:

天體並不都圍繞一個點運行。地球的中心只是地月系統的中心。所有圍繞太陽運行的天體都圍繞太陽運行。宇宙中心附近太陽和地球之間的距離比恆星和太陽和地球之間的距離小得多。因此，不觀察恆星的視差星是不動的——它們的日常運動只是由於地球的日常旋轉，這導致地球在圍繞太陽的球體中移動，導致太陽每年明顯的遷移。地球有不止一種運動。地球圍繞太陽的軌道使得行星的運動方向看起來相反。此後，他繼續收集數據並進行更詳細的工作。1532年，哥白尼幾乎完成了他的偉大著作《關於健康球體的革命》。在這篇文章中，他以更詳細的形式和仔細的計算來支持他的七個要點。

地心模型和日心模型的比較。資料來源:history.ucsb.edu

如果水星和金星的軌道位於地球和太陽之間，哥白尼可以解釋它們外觀的變化。簡而言之，當水星和金星在太陽的兩邊時，它們會變得更小但更豐滿(更圓也更亮)。如果水星和金星與地球在太陽的同一側，它們看起來會更大，但它們會顯得「有稜角」(新月)。

日心說也解釋了像火星和木星這樣的行星的逆行，這表明地球不是一個固定的和不同的參考系統，而是一個移動的系統。這也解釋了為什麼火星和木星在某些時候比其他時候顯得更大。本質上，它們在大碰撞位置比在閉合位置更接近地球。

然而，哥白尼擔心發表他的理論會招致教會的責難(他的理論可能也有一些科學缺陷)。哥白尼直到1542年，也就是他去世的前一年，才把這篇論文送到紐倫堡出版。

歷史淵源

如上所述，哥白尼不是第一個相信日心說是宇宙中心的人。哥白尼還根據幾個先前的天文學家的工作提出了日心說。日心說雛形的第一個有記錄的例子可以追溯到古希臘和古羅馬時代，當時薩摩斯的阿里斯塔楚斯(約公元前3230年)出版了一本書，其中包含了他的同時代人(如阿基米德)引用的參考文獻。

阿利斯塔克在公元前3世紀計算了太陽、地球和月亮的相對大小。來源:維基百科共享資源

阿基米德在他的書《沙計算者》中描述了阿利斯塔克的另一項工作，他在書中提出了日心說模型的另一個假設。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。天球的中心是地球的中心，半徑是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。然而，薩摩斯的阿里斯塔楚斯提出了一些假設。作為這些假設的結果，宇宙比現在所稱的要大很多倍。他假設恆星和太陽是不可移動的，地球繞著太陽轉一圈，太陽在軌道的中間，恆星的天球中心和太陽在同一個中心。這個模型需要一個非常大的天球，因此他假設地球運動的圓的大小和恆星的天球的大小與它們到宇宙中心的距離成正比，就像球體的表面積與從表面到中心的距離成正比一樣。

這一假設產生了一個概念，即當地球圍繞太陽運行時，應該有一個與「固定恆星」相關的可觀察到的視差(例如，觀察到恆星的相對運動)。根據阿基米德的說法，阿利斯塔克認為固定恆星之間的距離實際上比人們通常認為的要長得多，所以沒有發現明顯的視差。

另一個是塞琉西亞的塞琉西(約公元前190-150年)，古希臘哲學家，他思考了日心說模型。塞琉西是居住在塞琉西帝國近東的希臘天文學家。他是阿利斯塔克日心說的支持者。據說他已經證明了日心說。

根據當時的數據，塞琉古可能已經通過確定地心模型的常數計算出了行星的位置，然後將它們應用到日心理論中(這可以通過三角學來實現)。塞琉古也可能通過潮汐現象推導出這個理論。他推測潮汐與月球有關，換句話說，地球圍繞地月系統的「質量中心」運行。

公元前5世紀，來自迦太基的羅馬哲學家馬丁斯·五車二認為金星和水星圍繞太陽旋轉，以解釋它們在外觀上的差異。在中世紀早期的9世紀，許多匿名評論家討論了五車二的模型。哥白尼還提到五車二的模型對他的工作有影響。

在中世紀晚期，尼科爾·奧雷斯姆主教(1320-1321382)討論了地球繞其軸旋轉的可能性。1440年，庫薩的紅衣主教尼古拉斯(約1401464年)寫了一篇題為《論習得的無知》的論文，指出是否有任何理由斷定太陽(或其他點)是宇宙的中心。

印度天文學家和宇宙學家也暗示了古希臘、羅馬晚期和中世紀提出的日心說宇宙的可能性。公元499年，印度天文學家阿雅巴塔出版了他的書《阿雅巴提雅》，在書中他提出了一個地球繞其軸旋轉的模型，並給出了每顆行星相對於太陽的運動周期。此外，他還精確地計算了行星的周期、日蝕和月蝕的時間以及月亮的運動。

Ibn al-Shatir的mercury可視化模型通過引入幾個回合和使用tutsi對方法可以解決託勒密模型的偏心問題，不再需要託勒密引入的equant方法。來源:維基百科共享資源

在15世紀，尼拉坎塔·索馬亞吉出版了《阿雅巴沙》來評論阿雅巴塔。Nilakantha Somayaji提出了一個部分以太陽為中心的行星模型:行星圍繞太陽旋轉，太陽圍繞地球旋轉。在坦陀羅(1500年)中，他進一步修改了行星系統的數學模型，認為地球繞著自己的軸旋轉。

此外，日心說模式在中世紀的伊斯蘭世界也有支持者，其中許多人啟發了哥白尼。在10世紀之前，託勒密的模型被西亞和中亞的天文學家所認可。然而，隨著時間的推移，質疑地心說基本原則的手稿開始出現。

例如，10世紀的伊朗天文學家阿布·賽義德·阿爾-西伊齊(Abu Sa'id al-Sijzi)利用地球繞自身旋轉軸旋轉的假設來解釋地球上晝夜的交替以及恆星相對於地球的旋轉。在11世紀早期，埃及阿拉伯天文學家阿爾哈曾寫了一篇題為「對託勒密的懷疑」(約1028年)的文章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:維基百科公共資源/sigismund vondo bschü tz

大約在同一時間，伊朗哲學家阿布·雷漢·比魯尼(約973 -1048)討論了地球繞自身軸旋轉的可能性，儘管他認為這是一個哲學問題，而不是數學問題。在馬拉加和烏魯格貝(也稱為撒馬爾罕)天文臺，從13世紀到15世紀的幾代天文學家討論了地球自轉的問題，並提出了許多類似於哥白尼所使用的證據和觀點。

日心模型的影響

儘管哥白尼擔心他的論點會引起蔑視和爭議，但事實上日心說的發表只引起了宗教的溫和譴責。隨著時間的推移，許多宗教學者試圖推翻哥白尼的模型。然而，僅僅幾代人之後，哥白尼的理論就被廣泛接受，許多有影響力的捍衛者也收穫了。

伽利略也是日心說的捍衛者之一。他用望遠鏡觀察天空，並修正了新模型中的一些缺陷。此外，伽利略還發現了一些支持日心說的證據。例如，伽利略發現了木星周圍的衛星、太陽黑子和月球表面的缺陷——所有這些都可以用來表明行星不是完美的球體。儘管伽利略對哥白尼的支持導致了他的軟禁，但其他天文學家很快就追隨了伽利略的工作。

德國數學家和天文學家克卜勒也引入了橢圓軌道來完善日心說模型。在此之前，日心說模型使用的圓形軌道不能解釋為什麼行星圍繞太陽的速度不是恆定的。克卜勒解釋了上述問題，認為行星會在橢圓軌道的某些點加速，在某些點減速。