科学，到底是什么？（7）_风闻

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。