站在今天的科學(xué)高度上，一些沒有深入了解過科學(xué)史的人，很容易認(rèn)為古代的學(xué)者都處在某種“天真無(wú)邪”的狀態(tài)下，他們仿佛天然就對(duì)某些今人看來(lái)的“神秘概念”確信不疑。基于這樣一種思維，一些人對(duì)于古代學(xué)者所做的工作往往持一種普遍低估的態(tài)度，他們會(huì)嘲笑亞里士多德不懂得在理想環(huán)境下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)；也會(huì)嘲笑托勒密的“地心說”不過是人類拘泥于神話故事的結(jié)果。

16世紀(jì)時(shí)代的托勒密“地心說”模型

可是，這樣的評(píng)價(jià)公平么？現(xiàn)在的中學(xué)生上物理課都會(huì)學(xué)到牛頓三定律，但是這真的意味著他們已經(jīng)在思維能力上超越古代學(xué)者了么？顯而易見，這基本上是不可能的。只有認(rèn)真回顧那些古代自然研究的經(jīng)典作品，才能意識(shí)到古人的推理和研究方法都自有一番非常成熟的道理。在本篇，筆者將展現(xiàn)古代西方天文學(xué)中的最重要的作品《至大篇》（Almagest，直譯過來(lái)就是“最偉大的那一篇文章”）是如何“有根有據(jù)地”證明地球處于宇宙中心的。

托勒密

為何大地是個(gè)球？

在很多人的印象中，西方中世紀(jì)的人們一直以為“大地是平的”，事實(shí)卻并非如此。其實(shí)在中世紀(jì)前幾百年的古希臘時(shí)代，人們便已經(jīng)“認(rèn)為”大地是個(gè)球了。要知道，他們的時(shí)代可沒有航天飛船能夠飛上太空，直接觀察地球。那么，古希臘人的這一觀念是從何而來(lái)的呢？

簡(jiǎn)單地說，這一說法大概最早可以追溯至畢達(dá)哥拉斯。畢達(dá)哥拉斯認(rèn)為球狀物才是一切形狀之中最為“完滿”的形狀，故而大地和天體都應(yīng)當(dāng)是個(gè)球。不過，這種說法難免會(huì)遇到這樣的質(zhì)疑：如果大地是個(gè)球，那么為何在地球“下方”的人不會(huì)墜落到空中呢？

當(dāng)然古人同樣也沒有今人所謂的“引力”理論，但是他們有另外一套類似的理論來(lái)解釋這個(gè)問題。對(duì)這一問題回答得最為圓滿的是亞里士多德。在他看來(lái)，整個(gè)世界如同雞尾酒一樣，輕盈的“物質(zhì)”懸浮在上層，而濁重的事物沉積在下層。土地因其濁重，便自然而然地沉積在“下方”，而人們因?yàn)樯眢w之中蘊(yùn)含了一定量的“大地”，自然而然地也附著在了地面之上。因此，在解決了類似引力這樣的理論關(guān)鍵難題之后，時(shí)人也就可以接受“大地是個(gè)球”的這樣說法了。

托勒密的《至大篇》正是建立在這樣一個(gè)宇宙論的基礎(chǔ)之上，并且對(duì)于“大地是個(gè)球”進(jìn)行了一番更為詳細(xì)的“實(shí)證”。在《至大篇》的前言，他便寫出了各種大地是個(gè)球的證據(jù)：

（1）世界各地的人們，并不能同時(shí)看到日月星辰的升起和落下，而在東方的人總是能夠更早地看到天體的升起，西方的人則會(huì)晚一些；（2）日月食的發(fā)生，各個(gè)地區(qū)觀測(cè)到的人也是不同時(shí)的，這條道理類似上一條道理；（3）那便是：不同地方按照一定“比例”存在著時(shí)間上的差距——實(shí)際上，在托勒密之前，人們便已經(jīng)觀察到了各個(gè)地區(qū)之間是有“時(shí)差”的。

以上只是托勒密提及的三條正向論證，同時(shí)他還繼續(xù)進(jìn)行了幾條“反證”：

（4）如果大地是平的，那么所有人都會(huì)同時(shí)看到的天體起落；（5）大地如果是個(gè)（軸心指向南北方向的）圓筒形，那么我們無(wú)論向北走或者向南走，星體的數(shù)量應(yīng)該不變，然而實(shí)際上是向這兩個(gè)方向前進(jìn)的時(shí)候，往往一方的可以見到的星辰越來(lái)越多，而另一方越來(lái)越少；（6）我們?cè)诤＿叺臅r(shí)候，能夠見到船的桅桿一點(diǎn)點(diǎn)從海平面升起。

通過正反兩面的證明，托勒密得出了大地在各個(gè)方向上都是具有弧度的結(jié)論，并且由此進(jìn)一步推理出大地應(yīng)當(dāng)是個(gè)“球”。

當(dāng)筆者最初看到托勒密論證過程的時(shí)候，感到十分的震驚，原來(lái)古希臘人已經(jīng)在一個(gè)很大的地域范圍內(nèi)觀測(cè)到了一些看似現(xiàn)代人才知道的常識(shí)——這要感謝亞歷山大帝國(guó)的建立，使得大范圍的觀測(cè)成為現(xiàn)實(shí)。然而，更讓筆者感到震驚的是，托勒密采用的研究方式并不是現(xiàn)代人所猜測(cè)的那么簡(jiǎn)陋，他的工作方式是先建立模型，然后尋找經(jīng)驗(yàn)上的材料來(lái)驗(yàn)證之。雖然托勒密未必有方法上的自覺性，然而在無(wú)意之中，他實(shí)際上已經(jīng)在采納現(xiàn)代的方法了。

1515年的托勒密作品拉丁版

大地為何是不自轉(zhuǎn)的？

看過之前托勒密對(duì)“地球”的論證，很多人在感嘆托勒密的才智的同時(shí)，或許也會(huì)感到可惜——這樣一位智者將自己的才智浪費(fèi)在論證“大地不動(dòng)”之上了。實(shí)際上，如果繼續(xù)了解托勒密論證“大地不動(dòng)”的方式，我們?nèi)匀粫?huì)感嘆他的才智并沒有白白浪費(fèi)。

那么，他究竟是如何論證出“大地不動(dòng)”的呢？先讓我們回想一個(gè)基本的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)——當(dāng)我們坐在一輛敞篷跑車之中，這輛車在高速移動(dòng)的時(shí)候，會(huì)不會(huì)感到勁風(fēng)撲面？可是，“坐地日行八萬(wàn)里”的我們，為何沒有任何勁風(fēng)撲面的感覺？

實(shí)際上，在托勒密之前便有人開始測(cè)量地球的周長(zhǎng)了。公元前兩百年左右，埃拉托色尼就已經(jīng)得出了一個(gè)與現(xiàn)代測(cè)量非常接近的數(shù)值（不過有些誤打誤撞的成分在其中），盡管這個(gè)數(shù)值沒有被廣泛采納，但讓當(dāng)時(shí)的人們至少對(duì)于地球的周長(zhǎng)有了大致數(shù)量級(jí)上的概念。因此，托勒密就問道，假如大地是轉(zhuǎn)動(dòng)的，那么它的速度比當(dāng)時(shí)任何的交通工具都快，然而居住在地面上的人們?yōu)楹螌?duì)此毫無(wú)察覺？

實(shí)際上，托勒密沒有意識(shí)到，正是地球的自轉(zhuǎn)造就了大氣環(huán)流。在地面上生活的我們感覺不到是因?yàn)椤皯T性”的存在，在整體上我們與周圍的空氣在一起運(yùn)動(dòng)著。然而，在托勒密的時(shí)代，人們尚未對(duì)“慣性”這個(gè)物理學(xué)概念有明確的認(rèn)識(shí)，因此他對(duì)“地動(dòng)說”的反詰，在當(dāng)時(shí)看來(lái)是十分有力的。

大氣環(huán)流

這一認(rèn)識(shí)要到伽利略的時(shí)代才發(fā)生改變。伽利略就“慣性”理論曾經(jīng)提出了一個(gè)船的比喻，即如果從桅桿上撒手投下一顆石子，那么石子只會(huì)落在桅桿下，而不會(huì)落到船尾。然而，在托勒密時(shí)代，人們則會(huì)覺得這顆石子不會(huì)落到桅桿下，而會(huì)落向船尾。

大地為何不是公轉(zhuǎn)的？

此外，托勒密不僅不認(rèn)為地球會(huì)自轉(zhuǎn)，也不認(rèn)為地球會(huì)公轉(zhuǎn)。他是如何得出這樣一個(gè)結(jié)論的呢？

古希臘人雖然對(duì)于地球和太陽(yáng)之間的距離沒有清晰的概念，但是他們知道這段距離是非常長(zhǎng)的，那么假如地球公轉(zhuǎn)的話，這個(gè)“圓形軌道”的周長(zhǎng)也是天文數(shù)字，這就意味著地球是飛奔在宇宙之中的，然而為何人們卻絲毫沒有被甩出去的感覺呢？

今人當(dāng)然知道引力的存在，可是對(duì)于當(dāng)時(shí)的人而言，如果地球繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的話，那么也會(huì)打破亞里士多德關(guān)于輕元素漂浮在外，重元素沉積在內(nèi)的宇宙結(jié)構(gòu)，也就意味著當(dāng)時(shí)的“引力”理論之中產(chǎn)生了內(nèi)在的矛盾。

除此以外，還需要聯(lián)想到這樣一個(gè)經(jīng)驗(yàn)事實(shí)：我們?cè)谧嚨臅r(shí)候，窗外的景致是不斷變化的。于是托勒密就問了，假如地球是圍繞著太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的，那么為何我們看不到星空的圖案產(chǎn)生變化呢？即托勒密所說的，星星之間的“角距離”（Angular Distance）是不變的。

現(xiàn)代人當(dāng)然明白，這是因?yàn)樾切蔷嚯x地球太過遙遠(yuǎn)之故。星星的變動(dòng)位置其實(shí)真的發(fā)生了變化，可是這樣的位置變化，需要長(zhǎng)時(shí)間的、較高精度的天文儀器的協(xié)助。對(duì)于托勒密時(shí)代的人們而言，他們并沒有什么好辦法去測(cè)量肉眼難以察覺的變化。直到伽利略時(shí)代，在擁有了天文望遠(yuǎn)鏡之后，人們才發(fā)現(xiàn)行星在天空中的大小是有變化的，方才開始逐漸相信地球存在公轉(zhuǎn)的可能。

那么，托勒密又是如何論證出地球是宇宙的中心呢？其實(shí)道理也非常簡(jiǎn)單。既然地球既不自轉(zhuǎn)也不公轉(zhuǎn)，只是靜止地保持不動(dòng)，同時(shí)人們又觀察到所有的星體都在“圍繞”著地球運(yùn)動(dòng)，那么很自然地便會(huì)認(rèn)定地球就是宇宙的中心點(diǎn)了。

中世紀(jì)的人們想象中的托勒密在測(cè)量星空