天文學史上的水晶球體系

1、原載《天文學報》28卷4期（1987）天文學史上的水晶球體系天文學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動的體系是Eudoxus，他的工作在文〔2〕中保存了一個梗概，較詳細的內容則見于公元六世紀時Simplicius對亞里士多德(Aristotle)《論

2、天》一書所作的注釋中。Eudoxus采用一套以地球為中心的同心球組，通過各球轉軸的不同取向以及轉速(皆勻速)和轉向的不同組合來描述天體視運動。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)早四個世紀以上。后來小輪理論大行于世，Eudoxus體系遂湮沒無聞。直到十九世紀才有Schiaparelli作了系統(tǒng)研究〔3〕，發(fā)現Eudoxus體系已能描述行星的順、留、逆等視運動，其中對土星、木星很成功，

3、水星亦尚可，金星很差，火星則完全失敗。有的學者持論稍嚴，認為只有土、木令人滿意?！?〕Eudoxus并未提出水晶球的概念。一般認為他只是用幾何方法來表示和計算天象，不過這個結論是從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Eudoxus體系作過一些改進，而Aristotle在兩人工作的基礎上建立了水晶球體系。他的發(fā)展大致可歸結為三方面：首先，他

4、把Eudoxus假想的球層變?yōu)閷嶓w，并認為諸球層皆由不生不滅、完全透明、硬不可人的物質構成，水晶球之名即由此而來。日月行星和恒星則附著于各自的球層上被攜帶著運轉，整個宇宙是有限而封閉的，月球軌道以上的部分萬古不變。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象。第二，Aristotle把Eudoxus原來各自獨立轉動的諸球變成一個整體，其轉動皆由最外層的天球傳遞下來。不過我們發(fā)現，在Aristotle原著中并沒有宗動天這一球層。

5、他的安排是：“第一天為恒星天……恒星天為總動天”，并闡述說：“第一原理或基本實是創(chuàng)作第一級單純永恒運動，而自己絕不運動，也不附帶地運動?！忠驗槲覀円姷搅怂f不動原始本體所創(chuàng)作的宇宙單純空間運動以外，還有其他空間運動——如行星運動——那也是永恒的。”〔5〕這段話并不難理解，“不動原始本體所創(chuàng)作的宇宙單純空間運動”即指恒星天球的周日運動，由此帶動其他天球運動?？梢姾阈翘烨蛑系淖趧犹飚斒呛笕怂?，這一點值得注意。第三，由于各天球不再是獨

6、立轉動，他不得不引入一系列“平衡天球”來抵消上一層天球的運動，“而使每一天球下層諸行星得以回復其位置”〔6〕。不過平衡天球為何能反轉，他未說明。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，這在國內外著作中都很常見，但這樣做是有問題的。在《至大論》中，我們沒有發(fā)現任何水晶球的觀念。他在全書一開頭就前相當普諞。二幾位著名近代天文學家對水晶球體系的態(tài)度幾位著名近代天文學家對水晶球體系的態(tài)度1哥白尼在這個問題上的

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

8、然原書的文字論述更重要，但Copernicus在這一章中根本未談到過實體天球，文〔21〕全書的其他部分也沒有任何這類主張。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，多數情況下也是指二維圓環(huán)，即天體的運行軌道?！?3〕③Copernicus既然主張日心地動，地

9、球已成行星之一，那么如果設想既有公轉又有自轉的地球是被一個實體水晶球所攜載，無論如何無法與人們的直接感覺相一致。除非認為地球及其上的萬物都被“澆鑄”于水晶球體之內，如同琥珀中的小蟲那樣才行。④Copemicus在《要釋》中說得更明確：“Callipus和Eudoxus力圖用同心球來解決這個問題，但他們未能解釋行星的所有運動，……因此看來還是使用大多數學者最后都接受了的偏心圓和本輪體系為好?！薄?4〕2第谷對水晶球體系的打擊。第谷(Tyc

10、ho)并不主張日心地動之說，但他卻給水晶球體系以致命打擊。1572年超新星爆發(fā)，他用各種方法反復觀測，斷定該星必在恒星空間，而按水晶球體系的理論，這種現象只能出現在月球下界。不過翌年他發(fā)表其觀測工作時，尚未與水晶球體系決裂?！?5〕1577年又出現大彗星，TYcho的觀測無可懷疑地表明：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：“天空中確實沒有任何球體?！斎?/p>

11、，幾乎所有古代和許多當今的哲學家都確切無疑地認為天由堅不可人之物造成，分為許多球層，而天體則附著其上，隨這些球運轉。但這種觀點與事實不符?！薄?6〕Tycho反對水晶球的三條主要理由后來開普勒(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，天象將大異于實際所見者。③火星軌道與太陽軌道相割(這是Tycho體系的特點)，表明沒有實體天球。〔27〕Tvcho對超新星和彗星

12、的觀測是那個時代對水晶球教條最有力的打擊。對于其他反對理由，水晶球捍衛(wèi)者皆可找到遁詞，比如折射問題，可以推說天界物質未必服從地上的光學定律；火日軌道相割問題可以用否認Tycho體系的正確性來回避；對日心地動說與水晶球的不相容也可仿此處理。但對于Tycho提供的觀測事實，就很難回避。SChiaramonti為此專門寫了兩部著作(1621，1628)，竟想釜底抽薪，直接否認Tycho的觀測結果。3、開普勒、伽里略和其他人。開普勒(Keple