科学,到底是什么?(7)_风闻
西方朔-2022-01-29 19:54
一
古希腊并没有天文学这样一个学科,而天文学家都自称数学家。这种状况一直延续到现代早期。哥白尼就自认为是数学家。他把自己的《天体运行论》看成是一部数学专著。
上一篇我们说古希腊天文学是应用数学,这是因为,古希腊天文学,本质上是一门关于“球面”的几何学。
天文学为什么是球面几何学呢?这里的关键,是要理解“天球”的概念。
根据直觉,人们很容易相信天是一个有形的圆顶,而大地及地上的人类就居于这个圆的中心位置。比如,中国古代诗歌里就有“天似穹庐,笼盖四野”的说法。
但是,从直观的圆顶得出整个天是一个圆球的结论,这是想象力的一次大爆发!
第一个产生天球想法的,是泰勒斯的学生阿那克西曼德。他认为地球是静止的,居于宇宙中心。而明确说出天球概念的是毕达哥拉斯学派。总的看来,地心思想在古希腊时代是占支配地位的。
从逻辑上讲,天球概念是与地球概念相配套的。阿那克西曼德虽然有天球的想法,但还没有地“球”的想法。他认为地球是一个鼓形。
最早提出地球概念的还是毕达哥拉斯学派。因为航海民族有这样的经验:船远去时,在视野中最先消失的是甲板,然后才是桅杆,这说明海平面其实是弯的。
除了经验理由,还有几何学上的理由---圆和球极具对称性,很完美,是最适合宇宙的形状。
不过,必须承认,把地球想象为一个球体,这的确是人类想象力的又一次大爆发!
因为,除了古希腊人,这个世界上同时代的所有民族,都没有想到大地可能是一个球体。事实上,两千多年后,麦哲伦的船队才真正证明了大地确实是圆的。
而在公元前5世纪前后,毕达哥拉斯学派就宣称大地是一个球体,让人不得不佩服:理性科学的确具有某些异乎寻常的洞察力!
毕达哥拉斯学派发展出了两球模型的宇宙论,即宇宙是一个天球包地球的架构。天球是一个空心的球壳,可以是多重的,可以一个套一个;星星都镶嵌在天球壳上,随天球运动。只有地球才是一个实心的球体。
为什么需要多个天球呢?因为天体有不同的运动,而不同的运动,就需要不同的天球来实现。
发现天体有不同的运动形式,对它们想方设法进行解释,就是古希腊天文学的根本目标。
二
按照亚里士多德后来的总结,古希腊人一直有“天尊地卑”的思想,天之尊就体现在天体都是不运动的,地之卑则相应地表现在地上的事物时刻都在运动变化。
可是,我们明明看见日月交替、斗转星移,怎能说天体是不运动的呢?这就是引入天球的妙处。
所有的天体都是镶嵌在天球上的,它们在天球上是不运动的,只是随着天球运动而已。天球则在做匀速圆周运动,乃是一切运动中最完美的。
天体是神圣的,这种神圣就体现在它是不动的;但因为它加入了天球运动,它就不是最神圣的,而是次神圣的。最神圣者乃是永恒不变的理性秩序。
不过,观测和研究天体运动这种次神圣的东西,有助于我们接近最神圣的理性秩序,这就是柏拉图给出的学习天文学的理由。
根据这种神圣的理念,古希腊人把天际搞得很纯粹,很干净。天体的数目不增不减,永恒如此;天体个个冰清玉洁、白璧无瑕。而看到的各种瑕疵,都被以这样那样的理由给解释过去了。比如,月亮表面不干净,是云层造成的;彗星、流星这种最明显的异常天象,被视为大气现象,不算天际现象。
古希腊人知道,天体有两类截然不同的运动。一类是诸恒星的运动,它们步调一致,一天绕地球一圈,用一个天球就可以实现,被称为恒星天球。另一类是行星的运动,它们有自己额外的运动。古希腊人认为行星有7个:太阳、月亮、水星、金星、火星、木星、土星。它们的周期各不相同。
这样,就只能给每个行星单独安排一个天球。于是到柏拉图时,古希腊天文学就形成了“8天球+地球”的层层相套的宇宙结构。从外到内依次是恒星天、土星天、木星天、火星天、太阳天、金星天、水星天、月亮天、地球。
三
宇宙的大局,就这样定下来了,但是细节问题才刚刚开始。
稍微认真观察就会发现,各个行星的周期运动并不均匀,更麻烦的是,有些行星的运动方向经常发生改变,有时往往会逆行一段。
如此混乱的天体运动,让古希腊人认为天体应该做匀速圆周运动的幻想遭受了沉重打击。这是一场堪比无理数危机的宇宙学危机。
柏拉图痛心疾首,向学园弟子们发出了“拯救现象”的指令:肉眼观察到的行星运动,与行星内在的品质不相符!这是一个急需解决的问题。十万火急!
幸运的是,这场危机很快被化解。立下大功的是弟子尤多科斯。他的基本解决方案被称为同心球模型。他让行星同时参与两个同心但不同轴的天球的运动,这两种运动可以叠加出一个环形的轨迹,这就能解释行星的逆行了。
行星还可以参与更多的同心球运动,这些同心球通过调整轴向和转速,可以模拟各种反常现象。尤多科斯的模型,现在有27个球。
同心球模型的确非常天才。他把行星的不规则运动,分解成规则运动的叠加,这几乎就是后世一切数学化的标准动作。伽利略的运动分解,牛顿的力分解,本质上都是如此。
“分解”加“叠加”这样一种还原论模式,一直统治着西方科学。而这样一种天才的科学研究模式,居然是创立于2000多年前。
不过,同心球模式还有一个致命缺陷---它让行星与地球距离保持不变,不能够解释行星亮度的变化。
之后,阿波罗尼提出的本轮--均轮模型解决了这一问题。这个模型让行星位于本轮上,让本轮的中心位于均轮上,让均轮的中心位于地球上。当本轮、均轮同时运动时,既可以逆行,也可以让行星--地球距离产生变化。
经过几代人努力,终于在2世纪的托勒密那里修成正果。他的集大成之作《数学汇编》,是古希腊数理天文学的一座丰碑。几百年后,这本书传到了阿拉伯,阿拉伯天文学家深深叹服,称其为“伟大之至”,后世遂把书名改为《至大论》。
明朝末年,这部著作也传到了中国。由于托勒密理论能够精确预言日月食,所以托勒密天文学成为少数很快被中国吸纳的西方理论之一。
近半个世纪,托勒密理论在科学思想史上的伟大意义,被极大地贬低了。哥白尼对于托勒密体系做出了一个伟大的修正,但毕竟只是一个修正而已。
《几何原本》是古希腊科学精神的典范,但是,它并不涉及经验观测。而托勒密的《至大论》则不然,它是数学演绎加现象观察的一个成功典范!
现代科学革命从继承了托勒密的哥白尼开始,绝不是偶然的。《至大论》为古代科学和现代科学搭起了桥梁。