文档介绍：原载《天文学报》28卷4期(1987)
天文学史上的水晶球体系
江晓原
一水晶球体系从形成到成为钦定
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同心天球体系的概念可以追溯到古希腊的Parmenides,甚至更早的 Pythagoras。〔1〕〔2〕但真正建立起可以定量描述天体运动的体系是Eudoxus,他的工作在文〔2〕中保存了一个梗概,较详细的内容则见于公元六世纪时Simplicius对亚里士多德(Aristotle)《论天》一书所作的注释中。Eudoxus采用一套以地球为中心的同心球组,通过各球转轴的不同取向以及转速(皆匀速)和转向的不同组合来描述天体视运动。这一体系的建立在小轮理论的奠基人Apollonius之前百余年,比托勒密(Ptolemy)早四个世纪以上。后来小轮理论大行于世,Eudoxus体系遂湮没无闻。直到十九世纪才有Schiaparelli作了系统研究〔3〕,发现Eudoxus体系已能描述行星的顺、留、逆等视运动,其中对土星、木星很成功,水星亦尚可,金星很差,火星则完全失败。有的学者持论稍严,认为只有土、木令人满意。〔4〕
Eudoxus并未提出水晶球的概念。一般认为他只是用几何方法来表示和计算天象,不过这个结论是从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对Eudoxus体系作过一些改进,而Aristotle在两人工作的基础上建立了水晶球体系。他的发展大致可归结为三方面:
首先,他把Eudoxus假想的球层变为实体,并认为诸球层皆由不生不灭、完全透明、硬不可人的物质构成,水晶球之名即由此而来。日月行星和恒星则附着于各自的球层上被携带着运转,整个宇宙是有限而封闭的,月球轨道以上的部分万古不变。这意味着新星爆发、彗星、流星等天象只能是大气层中的现象。
第二,Aristotle把Eudoxus原来各自独立转动的诸球变成一个整体,其转动皆由最外层的天球传递下来。不过我们发现,在Aristotle原著中并没有宗动天这一球层。他的安排是:“第一天为恒星天……恒星天为总动天”,并阐述说:“第一原理或基本实是创作第一级单纯永恒运动,而自己绝不运动,也不附带地运动。……又因为我们见到了所说不动原始本体所创作的宇宙单纯空间运动以外,还有其他空间运动——如行星运动——那也是永恒的。”〔5〕这段话并不难理解,“不动原始本体所创作的宇宙单纯空间运动”即指恒星天球的周日运动,由此带动其他天球运动。可见恒星天球之上的宗动天当是后人所加,这一点值得注意。
第三,由于各天球不再是独立转动,他不得不引入一系列“平衡天球”来抵消上一层天球的运动,“而使每一天球下层诸行星得以回复其位置”〔6〕。不过平衡天球为何能反转,他未说明。
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把托勒密(Ptolemy)的名字和水晶球体系连在一起,这在国内外著作中都很常见,但这样做是有问题的。在《至大论》中,我们没有发现任何水晶球的观念。他在全书一开头就表示他的研究将用几何表示(geometrical demonstrations)之法进行。在开始讨论行星运动时他说得更明白:
“我们的问题是表示五大行星和日、月的所有视差数——用规则的圆周运动所生成。”〔7〕他把本轮、偏心圆等视为几何表示,或称为