天文學(xué)史上的水晶球體系

1、原載《天文學(xué)報(bào)》28卷4期（1987）天文學(xué)史上的水晶球體系天文學(xué)史上的水晶球體系江曉原一水晶球體系從形成到成為欽定水晶球體系從形成到成為欽定1水晶球體系的形成。同心天球體系的概念可以追溯到古希臘的Parmenides，甚至更早的Pythagas?！?〕〔2〕但真正建立起可以定量描述天體運(yùn)動(dòng)的體系是Eudoxus，他的工作在文〔2〕中保存了一個(gè)梗概，較詳細(xì)的內(nèi)容則見(jiàn)于公元六世紀(jì)時(shí)Simplicius對(duì)亞里士多德(Aristotle)《論

2、天》一書(shū)所作的注釋中。Eudoxus采用一套以地球?yàn)橹行牡耐那蚪M，通過(guò)各球轉(zhuǎn)軸的不同取向以及轉(zhuǎn)速(皆勻速)和轉(zhuǎn)向的不同組合來(lái)描述天體視運(yùn)動(dòng)。這一體系的建立在小輪理論的奠基人Apollonius之前百余年，比托勒密(Ptolemy)早四個(gè)世紀(jì)以上。后來(lái)小輪理論大行于世，Eudoxus體系遂湮沒(méi)無(wú)聞。直到十九世紀(jì)才有Schiaparelli作了系統(tǒng)研究〔3〕，發(fā)現(xiàn)Eudoxus體系已能描述行星的順、留、逆等視運(yùn)動(dòng)，其中對(duì)土星、木星很成功，

3、水星亦尚可，金星很差，火星則完全失敗。有的學(xué)者持論稍嚴(yán)，認(rèn)為只有土、木令人滿意?！?〕Eudoxus并未提出水晶球的概念。一般認(rèn)為他只是用幾何方法來(lái)表示和計(jì)算天象，不過(guò)這個(gè)結(jié)論是從Aristotle和Simplieius著作中的第二手材料得出的，由于Eudoxus原著皆已佚失，第一手材料不可得。Callippus對(duì)Eudoxus體系作過(guò)一些改進(jìn)，而Aristotle在兩人工作的基礎(chǔ)上建立了水晶球體系。他的發(fā)展大致可歸結(jié)為三方面：首先，他

4、把Eudoxus假想的球?qū)幼優(yōu)閷?shí)體，并認(rèn)為諸球?qū)咏杂刹簧粶?、完全透明、硬不可人的物質(zhì)構(gòu)成，水晶球之名即由此而來(lái)。日月行星和恒星則附著于各自的球?qū)由媳粩y帶著運(yùn)轉(zhuǎn)，整個(gè)宇宙是有限而封閉的，月球軌道以上的部分萬(wàn)古不變。這意味著新星爆發(fā)、彗星、流星等天象只能是大氣層中的現(xiàn)象。第二，Aristotle把Eudoxus原來(lái)各自獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)的諸球變成一個(gè)整體，其轉(zhuǎn)動(dòng)皆由最外層的天球傳遞下來(lái)。不過(guò)我們發(fā)現(xiàn)，在Aristotle原著中并沒(méi)有宗動(dòng)天這一球?qū)印?/p>

5、他的安排是：“第一天為恒星天……恒星天為總動(dòng)天”，并闡述說(shuō)：“第一原理或基本實(shí)是創(chuàng)作第一級(jí)單純永恒運(yùn)動(dòng)，而自己絕不運(yùn)動(dòng)，也不附帶地運(yùn)動(dòng)。……又因?yàn)槲覀円?jiàn)到了所說(shuō)不動(dòng)原始本體所創(chuàng)作的宇宙單純空間運(yùn)動(dòng)以外，還有其他空間運(yùn)動(dòng)——如行星運(yùn)動(dòng)——那也是永恒的?！薄?〕這段話并不難理解，“不動(dòng)原始本體所創(chuàng)作的宇宙單純空間運(yùn)動(dòng)”即指恒星天球的周日運(yùn)動(dòng)，由此帶動(dòng)其他天球運(yùn)動(dòng)?？梢?jiàn)恒星天球之上的宗動(dòng)天當(dāng)是后人所加，這一點(diǎn)值得注意。第三，由于各天球不再是獨(dú)

6、立轉(zhuǎn)動(dòng)，他不得不引入一系列“平衡天球”來(lái)抵消上一層天球的運(yùn)動(dòng)，“而使每一天球下層諸行星得以回復(fù)其位置”〔6〕。不過(guò)平衡天球?yàn)楹文芊崔D(zhuǎn)，他未說(shuō)明。2托勒密與水晶球體系。把托勒密(Ptolemy)的名字和水晶球體系連在一起，這在國(guó)內(nèi)外著作中都很常見(jiàn)，但這樣做是有問(wèn)題的。在《至大論》中，我們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何水晶球的觀念。他在全書(shū)一開(kāi)頭就前相當(dāng)普諞。二幾位著名近代天文學(xué)家對(duì)水晶球體系的態(tài)度幾位著名近代天文學(xué)家對(duì)水晶球體系的態(tài)度1哥白尼在這個(gè)問(wèn)題上的

7、態(tài)度。最近有人提出，哥白尼(Copernicus)主張以太陽(yáng)為中心的—同心水晶球體系。不僅各行星皆由實(shí)體天球攜載，而且諸天球?qū)訉酉嘟樱錆M行星際空間〔20〕，理由是Copernicus那張著名的宇宙模式圖〔21〕多了一個(gè)環(huán)。我們認(rèn)為這一說(shuō)法未免穿鑿附會(huì)，很難成立。理由有四：①由于行星與太陽(yáng)的距離有一個(gè)變動(dòng)范圍，因此圖中兩環(huán)之間的空間完全可以理解為行星的活動(dòng)范圍；又因該圖只是示意圖，也就沒(méi)有必要給出精確的比例。②如果對(duì)圖的解釋有歧義，那顯

8、然原書(shū)的文字論述更重要，但Copernicus在這一章中根本未談到過(guò)實(shí)體天球，文〔21〕全書(shū)的其他部分也沒(méi)有任何這類主張。相反他一直使用“軌道”(bitalcircles)一詞，還談到“金星與火星軌道之間的空間”〔22〕，這些都是與實(shí)體密接天球完全不相容的概念。Rosen也曾指出，Copernicus即使使用“sphaeta”、“bit”等詞，多數(shù)情況下也是指二維圓環(huán)，即天體的運(yùn)行軌道?！?3〕③Copernicus既然主張日心地動(dòng)，地

9、球已成行星之一，那么如果設(shè)想既有公轉(zhuǎn)又有自轉(zhuǎn)的地球是被一個(gè)實(shí)體水晶球所攜載，無(wú)論如何無(wú)法與人們的直接感覺(jué)相一致。除非認(rèn)為地球及其上的萬(wàn)物都被“澆鑄”于水晶球體之內(nèi)，如同琥珀中的小蟲(chóng)那樣才行。④Copemicus在《要釋》中說(shuō)得更明確：“Callipus和Eudoxus力圖用同心球來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但他們未能解釋行星的所有運(yùn)動(dòng)，……因此看來(lái)還是使用大多數(shù)學(xué)者最后都接受了的偏心圓和本輪體系為好?！薄?4〕2第谷對(duì)水晶球體系的打擊。第谷(Tyc

10、ho)并不主張日心地動(dòng)之說(shuō)，但他卻給水晶球體系以致命打擊。1572年超新星爆發(fā)，他用各種方法反復(fù)觀測(cè)，斷定該星必在恒星空間，而按水晶球體系的理論，這種現(xiàn)象只能出現(xiàn)在月球下界。不過(guò)翌年他發(fā)表其觀測(cè)工作時(shí)，尚未與水晶球體系決裂。〔25〕1577年又出現(xiàn)大彗星，TYcho的觀測(cè)無(wú)可懷疑地表明：該彗星在行星際空間，且穿行于諸行星軌道之間。于是他斷然拋棄了水晶球，發(fā)表了他自己的宇宙新體系(1588)。他明確指出：“天空中確實(shí)沒(méi)有任何球體?！?dāng)然

11、，幾乎所有古代和許多當(dāng)今的哲學(xué)家都確切無(wú)疑地認(rèn)為天由堅(jiān)不可人之物造成，分為許多球?qū)?，而天體則附著其上，隨這些球運(yùn)轉(zhuǎn)。但這種觀點(diǎn)與事實(shí)不符。”〔26〕Tycho反對(duì)水晶球的三條主要理由后來(lái)開(kāi)普勒(Kepler)曾概述如下：①彗星穿行于諸行星軌道間，故行星際空間不可能有實(shí)體天球。②如真有層層水晶球，則必有巨大折射，天象將大異于實(shí)際所見(jiàn)者。③火星軌道與太陽(yáng)軌道相割(這是Tycho體系的特點(diǎn))，表明沒(méi)有實(shí)體天球?！?7〕Tvcho對(duì)超新星和彗星

12、的觀測(cè)是那個(gè)時(shí)代對(duì)水晶球教條最有力的打擊。對(duì)于其他反對(duì)理由，水晶球捍衛(wèi)者皆可找到遁詞，比如折射問(wèn)題，可以推說(shuō)天界物質(zhì)未必服從地上的光學(xué)定律；火日軌道相割問(wèn)題可以用否認(rèn)Tycho體系的正確性來(lái)回避；對(duì)日心地動(dòng)說(shuō)與水晶球的不相容也可仿此處理。但對(duì)于Tycho提供的觀測(cè)事實(shí)，就很難回避。SChiaramonti為此專門(mén)寫(xiě)了兩部著作(1621，1628)，竟想釜底抽薪，直接否認(rèn)Tycho的觀測(cè)結(jié)果。3、開(kāi)普勒、伽里略和其他人。開(kāi)普勒(Keple