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第1章 托勒密

托勒密是古希腊著名的天文学家、数学家、地理学家。他建立托勒密地心学说,著有《天文学大成》十三卷。另外还著有《光学》五卷,其中第五卷明确提出大气折射(蒙气差)现象。此外,他还有地理学、年代学和占星学等方面的著作。

一、生平简介

本书主要介绍的天文巨匠包括:托勒密、哥白尼、布鲁诺、伽利略、开普勒、牛顿、哈雷、康德、哈勃、梅西耶、威廉·赫歇尔、高斯、张斯、祖冲之、一行。

托勒密(约公元90-168年),约公元90年诞生于埃及的亚历山大里亚,父母都是希腊人。托勒密是古希腊著名的天文学家、数学家、地理学家。在公元168年去世,终年78岁。

公元127年,年轻的托勒密被送到亚历山大去求学。在那里,他阅读了大量的书籍,汲取丰富的知识,学会了天文测量和大地测量,为以后进行天文研究和创建托勒密地心学说打下了坚实的基础。直到151年,他都长期居住在亚历山大城。有关他的生平,史书上少有记载。

托勒密

二、科学成就

我们为什么说托勒密体系在天文学理论上享有崇高的历史地位呢?一方面,托勒密把自己的天文观测成果和地心体系总结成十三卷巨著《大综合论》,后来阿拉伯文译本改名为《至大论》。另一方面,托勒密的体系具有充分的包容性,由于较好地容纳了望远镜发现之前的天文观测,所以一直被作为最好的天文学体系,统治了西方天文学界千余年。

古时候的人,比较简单地把天看成是一个盖子,地是一块平板,平板就由四根柱子支撑着。在公元前4到前3世纪,对于天体的运动,希腊人有两种不同的看法:一种以欧多克斯为代表,他从几何的角度解释天体的运动,把天上复杂的周期现象,分解为若干个简单的周期运动;他又给每一种简单的周期运动指定一个圆周轨道,或者是一个球形的壳层,他认为天体都在以地球为中心的圆周上做匀速圆周运动,并且用27个球层来解释天体的运动,当时的人们都比较认同欧多克斯的观点。后来亚里士多德又发展了欧多克斯的理论,将天体运动的球层增加到56个。另一种以阿利斯塔克为代表,他认为地球每天在自己的轴上自转,每年沿圆周轨道绕日一周,太阳和恒星都是不动的,而行星则以太阳为中心沿圆周运动。但阿利斯塔克的观点在当时几乎没有人表示理解或接受,因为人们相信眼见为实,阿利斯塔克的观点却与人们通常看到的表面景象不同。

公元2世纪,托勒密提出了自己的宇宙结构学说“地心说”。其实,早在托勒密之前,亚里士多德就首创性地提出了地心说。亚里士多德在总结了古希腊的学说的基础之上,把地心说纳入整个宇宙论体系。亚里士多德宇宙观的核心是:地心与宇宙中心重合论;天地有别论。天是完善的圆形,他的宇宙是有限的、球状的和同心的,在此之外没有任何物体、位置、真空与时间。在亚里士多德看来,宇宙的运动是由上帝推动的。在阐述宇宙有限论时,亚里士多德把宇宙分为天地两层,静静地屹立在宇宙的中心,所以日月围绕地球运行,物体总是落向地面。地球之外只有9个等距天层:月球天、水星天、金星天、太阳天、火星天、木星天、土星天、恒星天和原动力天。他们是由里到外排列的,并且每个天层自己是不会动的,是上帝推动了恒星天层,恒星天层才带动了所有的天层运动。

托勒密全面继承了亚里士多德的地心说,并利用前人积累和他自己长期观测得到的数据,写成了8卷本的《伟大论》。在《伟大论》中,他发展了亚里士多德的9层天理论,将其扩大为11层,添加了最高天和净火天,并把原动力天改为晶莹天。在书中,托勒密是这样阐述天体运动的:各行星都绕在一个较小的圆周上运动,而每个圆的圆心则在以地球为中心的圆周上运动。绕地球的那个圆叫“均轮”,每个小圆叫“本轮”。同时假设地球并不恰好在均轮的中心,而偏开一定的距离,均轮是一些偏心圆;日月行星除做上述轨道运行外,还与众恒星一起,每天绕地球转动一周。托勒密本人声称他的体系并不具有物理的真实性,而只是一个计算天体位置的数学方案。但是,一方面,他的体系在航海上取得了实用价值;另一方面,地球不动的说法,对当时人们的生活是令人安慰的假设,也符合基督教信仰,所以被人们广为信奉。在当时的历史条件下,托勒密提出的行星体系学说,是具有进步意义的。首先,它肯定了大地是一个悬空着的没有支柱的球体。其次,从恒星天体上区分出行星和日月是离我们较近的一群天体,这是把太阳系从众星中识别出来的关键性一步。

除了在天文学方面的造诣,托勒密在地理学上也做出了出色的成就,写成《地理学指南》八卷。其中六卷都是用经纬度标明的地点位置表。托勒密认为,地理学的研究对象是整个地球,主要研究其形状、大小、经纬度的测定以及地图投影的方法等。他制造了测量经纬度用的类似浑天仪的仪器(星盘)和后来驰名欧洲的角距测量仪。

在数学方面,他用数学圆周理论解释了天体运动,还创建了托勒密定理,论证了四边形的特性。

托勒密对物理学的重要贡献是共五卷的《光学》一书。其中第一卷讲述眼与光的关系,第二卷说明可见条件、双眼效应,第三卷讲平面镜与曲面镜的反射及太阳中午与早晚的视径大小问题,第五卷试图找出折射定律,并描述了他的实验,讨论了大气折射现象。他研究了光在平面镜上的反射和光从一种介质进入另一种介质的时候发生折射的现象。认为光线在折射时入射角与折射角成正比关系。托勒密还做了定量的实验,给出了光从空气进入水中的折射数据表。

托勒密有四本重要著作:《天文学大成》《地理学》《天文集》和《光学》。

《天文学大成》共13卷。第1—2卷论述地球为球形,居宇宙中心静止不动,其他天体绕它旋转,还介绍了数学基础知识。第3卷论述太阳运动理论。第4—5卷论述了月球运动理论,包括他所发现的出差。第6卷讨论日月食的计算。第7—8卷讨论恒星位置,并列有一个1022颗星的星表。后5卷利用本轮、均轮详细讨论行星的运动。本书是希腊天文学的一次总结,在中世纪是欧洲和阿拉伯的天文学家的经典读物。书中的天文体系流行了1000多年之久,直到15世纪才被哥白尼推翻。

《地理学》中将整个世界画在了27张纸上,此后的1800年间托勒密的著作成为了之后地图集制作中的参照典范。在书中,托勒密充分地解释了怎样从数学上确定纬度和经度线。然而,没有一条经线是用天文学方法确定的,仅仅少数的纬度线是这样计算的。他将陆上测量的距离归算为度,就在这无把握的网格上定出地区的位置。海面上的距离,简直是猜测出来的。他把加那利群岛放到它们真正位置以东7°去了,因而整个的网格定位都是错误的。

《天文集》是占星学方面的书籍,这本书很长,而且内容全面。在书中托勒密假定能存在某种形式的、来自天体的自然辐射影响着人类。现在占星学的大多数概念和争议都可以追溯到这本著作。在今天,托勒密的著作中,还容易得到和广泛被阅读的就是这本《天文集》。

《光学》是托勒密的最后一本著作。书中提出和说明了各种基本原理,但他对折射的了解似乎是纯经验的。他绘出了光线以各种入射角从光疏媒介进入水的折射表。

1楼昵称:开心果

托勒密的天体模型之所以能够流行千年,是有它的优点和历史原因的。托勒密的天体模型的主要特点是什么呢?

2楼昵称:妞妞

绕着某一中心的匀角速运动,符合当时占主导思想的柏拉图的假设,也适合于亚里士多德的物理学,易于被接受。

3楼昵称:豆豆

用几种圆周轨道不同的组合预言了行星的运动位置,与实际相差很小,相比以前的体系有所改进,还能解释行星的亮度变化。

4楼昵称:草根

地球不动的说法,对当时人们的生活是令人安慰的假设,也符合基督教信仰。在当时的历史条件下,托勒密提出的行星体系学说,是具有进步意义的。首先,它肯定了大地是一个悬空着的没有支柱的球体。其次,从恒星天体上区分出行星和日月是离我们较近的一群天体,这是把太阳系从众星中识别出来的关键性一步。

托勒密对世界情况比他的前辈熟悉得多,埃拉托斯特尼的地图东面只到印度的恒河为止,但是托勒密知道有马来半岛和“蚕丝之国”——中国。托勒密采用了波昔东尼斯测定的地球周长的较小数值,这就使得他所有用弧度表现的陆向距离都夸大了,因为他把每一弧度的距离定为500希腊里,而不是600希腊里。这样一来,托勒密关于地理位置的计算就很不准确。他算出的从欧洲横跨大西洋到亚洲的距离,比真实距离小得多。哥伦布用的世界地图是托勒密在2世纪时绘制的。地图上的世界不包括美洲大陆、澳洲或太平洋。托勒密标出的亚洲位置比它实际的更近(向西)。这就使哥伦布产生从西班牙向西面驶往亚洲印度的企图,结果使哥伦布到了美洲,发现了新大陆。

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