西安酒店招聘:被冤枉的托勒密——天文学史中流行的一个谬误

被冤枉的托勒密——天文学史中流行的一个谬误 [图片]

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佛陀的泪珠 2010年06月30日 16:18 阅读(0) 评论(0) 分类：science 权限: 公开

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被冤枉的托勒密——天文学史中流行的一个谬误Comments>>

大多数人相信，科学是进步的，科学也是一直在进步的，一种新的学说能够替代旧有的理论，肯定在各个方面都比前面的要好。为了证明这种“进步”，人们往往会附会各种“有趣”的故事来加以佐证。托勒密和哥白尼之间，就被人们这样“证明”过，即使历史并非如此。

对天文学感兴趣的人大都会知道托勒密的名字，他是古希腊天文学的集大成者，他的著作《天文学大成》，这部著作在一千多年中都被奉为至典，阿拉伯天文学家称之为《至大论》（Almagest）。他的基本观点就是地心说，即五大行星和太阳、月亮都在围绕地球运动。古希腊人认为圆是最完美的图形，作为最完美的宇宙，其运动也应该是圆形的。托勒密发现，虽然七曜的轨迹不是圆形，却可以看作圆的组合：行星在一个小的圆上运动（称为本轮），而本轮的中心又在一个称为“偏心均轮”的大圆上运动。之所以叫做偏心均轮，因为地球并不是在均轮的中心上，而是略有偏在中心的一侧，另外还引入一个点叫“等分点”，位于均轮中心的另一侧，行星运动在均轮上并不是匀速的，但相对于等分点的角速度却是均匀的。这就解释了为什么行星的轨道和速度相对于地球不对称,当行星离地球较远时，速度也相对比较慢，反之则比较快。这个学说就是“托勒密体系”。

今天看来，托勒密的方法很繁琐，也不够美观，甚至当时的人也不太满意，因为托勒密的设计方案实际上违反了“匀速圆周运动”这个“完美原则”。托勒密本人对此也怀有歉意，但他仍然坚持了这个世纪，因为这样能够推算出行星的复杂运动，起作用比形式上的美观更为重要。

托勒密，古希腊天文学之集大成者。注意图中托勒密头上的王冠，这是因为画家将天文学家托勒密和当时希腊化时代埃及统治者托勒密王朝弄混了。

接下来，传说就出现了。传说随着时间的推移，陈旧的托勒密体系的误差越来越大，后人（阿拉伯和欧洲的天文学家）在本轮（小圆）之上有增加了更小的圆，然后又增加了更多的圆……1969年版的《大不列颠百科全书》（Encyclopedia Britannica）还说，到了13世纪的葡萄牙国王阿方索十世（Alfonso X）的时代，每一颗行星都需要40～60个小圆来进行轨道修正！传说当阿方索十世国王去看望正在编制《阿方索星表》（Alfonsine Tables）的天文学家时，这位领导风趣地说，如果上帝创造世界时他也在场，那么他一定会建议上帝做点改进。（”If I had been present at the creation of the world I would have proposed some improvements.”）

托勒密体系“圆环套圆环娱乐城”的方案失败了，于是需要一位英雄来救场，哥白尼的日心说就这样横空出世，他把宇宙的中心从地球（的旁边）移到最大最亮的太阳上，并且恢复了“完美的圆形”这一古希腊的最高准则。不过为了解决行星运动的不规则问题，哥白尼还是用到了一系列的本轮和小本轮，一共是34个圆。

30<40，现在流行的故事在这里开始欢呼，看，哥白尼体系多简单，哥白尼多伟大。

波兰钞票上的哥白尼头像

这个传说很“喜闻乐见”，却完全冤枉了托勒密。不错，哥白尼的日心说是科学和人类认识世界的一大胜利，但哥白尼的伟大，并不在于多少个“圆”。哈佛大学科学史系主任、天文学和天文学史教授欧文·金格里奇（Owen Gingerich）在闲暇之余，利用计算机计算了中世纪行星的位置，包括13世纪的《阿方索星表》和1532年的施特夫勒（Johannes Stöffler）的《星历表》（Ephemeridum opus），惊异地发现，这两份曾经得到广泛应用的星表竟然都是依据托勒密学说，其中绝对没有任何关于本轮叠加的证据。换句话说，托勒密体系直到哥白尼时代仍在应用，并没有比托勒密原本的版本多出点什么。

金格里奇进一步的研究表明，在没有计算机也没有计算尺的时代，《阿方索星表》的全部计算过程依赖于托勒密所发明的一个精巧的逼近法，以此来处理一个均轮上单一本轮的计算。而由于数学发展水平的限制，中世纪的数学家们根本不可能应付多重本轮的计算。

托勒密的行星运动模型

然而上面那个“传说”来自何处呢？金格里奇发现，其根源可能来自哥白尼在1514年前后所撰写的一份日心说初步介绍，即所谓的《纲要》（Commentariolus），这个小册子曾经从人们的视野中消失，在1880年左右才被重新发现。在这份《纲要》中，哥白尼在描述了行星运动的复杂性之后，曾经欣慰地说：“看哪！只需要34个圆就可以解释整个宇宙的结构和行星的舞蹈了！”这句话似乎是哥白尼在为自己的简化工作而欢呼，那么，作为被“革命”的对象，托勒密体系应该要用更多的圆吧。有了“新的一定比旧的好”的心理暗示，流言可能就这样悄悄地在酝酿中。

1969年版的《大不列颠百科全书》做出了这样的结论：“在存在了一千年以后，托勒密体系失败了；它的几何学上时钟般的结构变得让人感到难以置信的繁琐，效能上也没有令人满意的改进。”但当金格里奇向编辑们求证这个条目的真实性时，编辑们却闪烁其辞，说这一条目的作者早已去世，“本轮上加本轮”的出处究竟是哪里，他们一点线索也没有。

实际上，后人可能误会的哥白尼在《纲要》中所表达的欣喜，他可能并不是为自己在圆的数目上“打败”了托勒密体系而欢呼，而是说，尽管天上的现象看起来很复杂，但用他的日心说理论，不但可以自然地解释行星运动的复杂现象，而且用34个圆（具有古希腊所认为的圆的完美性）就可以定量地建立计算模型。他在为自己解释了“上帝的意图”而欢呼！

哥白尼体系自有它的伟大之处，因而迅速得到有见识的天文学家的认同。在哥白尼体系中，太阳这个“光明之源”位于中心位置，行星（包括地球）按照轨道的大小和运动速度的快慢排列起来，形成了有序的体系，使宇宙呈现和谐的特性。托勒密体系中难以解释的水星和金星为什么只能出现太阳附近，而火星等经常会出现“逆行”等问题，在哥白尼体系中都成为自然的结果，宇宙规律如此简单明晰！

因此爱因斯坦赞叹道：“哥白尼的这个伟大的成就，不仅铺平了通向近代天文学的道路；而且也帮助人们在宇宙观上引起了决定性的变革。一旦认识到地球不是世界中心，而只是较小的行星之一，以人类为中心的妄想也就站不住脚了。这样，哥白尼通过他的工作和他的伟大的人格，教导人们要谦虚谨慎。”（《在哥白尼逝世410周年纪念会上的讲话》）

今天我们知道，哥白尼最初所设计的“日心说”其实也并不是十分完美，他不但继承了“均轮—本轮”的思路，沿袭了匀速圆周运动的思想（实际上伽利略也有同样的想法），直到开普勒推算出了火星轨道应该是椭圆，哥白尼体系才在实用效果上战胜了托勒密体系。哥白尼体系的确立，并不仅仅是哥白尼的功劳，也是第谷、开普勒、伽利略等一批杰出的天文学家的贡献。

关于托勒密体系“圆环套圆环”的谬误传说的流行，可能就是这样一个“善良的附会”和“美丽的误会”。但对于托勒密和中世纪兢兢业业的天文学家们来说，可真冤枉死了！

主要参考资料：

欧文·金格里奇. 无人读过的书——哥白尼《天体运行论》追寻记. 王今，徐国强，译. 北京：三联书店，2008年4月.

（本文已发表于《现代物理知识》2010年第2期）

霍金的警示Comments>>

当目睹家园树倒在地球拆迁队的残暴推土机之下的时候，纳美人一定会将满腔怨恨投射到那些把潘多拉星球的方位传播到茫茫宇宙的族人身上，如果真有纳美人这么干的话。当然实际上电影里并没有这样的角色。不过，如果同样的事情发生在地球人的身上，人类倒是可以给自己的怒火找一个宣泄的对象：就是那些提出、推动和从事METI（Messageto the ExtraTerrestrial Intelligence，“向地外文明发送信息”的缩写）的科学家们。的确，当那些科学家们兴致勃勃地把地球的位置、人类的特征等等信息投向太空的时候，谁能保证来的就是和平的橄榄枝，而非轰鸣的宇宙舰队？在最近美国Discover频道播出的影片中，物理学家、宇宙学家、以及有时候是梦想家的斯蒂芬·霍金——这是霍金在这一名为《与霍金一起了解宇宙》系列影片中的开场白——便公开表达了对于后一种可能性的忧虑。

不过在进一步阐述霍金的忧虑之前，还是先让我们来看看METI是什么吧。

METI

起初，人类相信脚下的土地是宇宙的中心，自己则是上帝唯一的选民。然而随着科学不断蚕食宗教的领地，人们开始被迫承认地球仅仅是宇宙中极其渺小的一点，人类自身也远不可能是宇宙中唯一的智慧生物。许多严肃的科学家认为火星上很可能就有生命，而当科幻作家威尔斯描写火星人入侵地球的作品《大战火星人》在电台播出的时候，更是一度造成社会性的恐慌。

但事实上，与这些乐观主义者的预期相反，人类从来没有得到过任何经得起考验的证据来证明外星生命真的存在。著名物理学家费米在一次闲聊中提出，“如果外星人存在，它们在哪儿？”，这一问题后来被称为费米佯谬，因为宇宙如此浩瀚，人类几乎不可能是唯一的智慧生命——霍金在影片中也表达了同样的观点——但为什么人类没看到过它们呢？

费米佯谬有许多解释。有些人认为，其实外星人一直在向我们发送信号，只是我们没在听。这一想法催生了后来的SETI（Search forExtraTerrestrial Intelligence，搜寻地外文明），基本做法是通过射电望远镜监听太空中的无线电信号。而另一些更加激进的人则认为，外星人并不知道人类的存在，所以一直没有和我们接触。这就是METI的由来。

自上个世纪七十年代开始，有过四次较大的METI项目，但每一次都有人站出来反对。而这一回霍金在Discover频道的公开表态，更是重新把对于METI项目的争议推到了风口浪尖上。

霍金的忧虑

在我们的语言中有诸如虎啸山林的说法，但像牛羊之类的动物却没有相似的待遇。这当然不是人类的偏心，而是因为食草动物和食肉动物有着完全不同的行为特征：没有攻击性的食草动物通常不会主动暴露自己的方位，而只有具备强大攻击性的食肉动物才会肆无忌惮地夸示自身的存在。这是弱肉强食的丛林法则的简单推论。

如果把宇宙也看作一个原始丛林，那么人类显然还没有到达足以食肉的层次。最明显的理由是，人类还没有发展出真正可行的载人太空航行技术，而任何一个能够飞来地球的外星种族，至少在这一点上要遥遥领先于人类。

因此霍金这样表达他的忧虑：“如果外星人拜访我们，我认为结果可能与哥伦布当年踏足美洲大陆类似。那对当地印第安人来说不是什么好事。”的确，考虑地球历史上发生过无数次的情况，一个落后的文明在接触到先进文明的时候，往往都会遭遇毁灭性的打击。印加人、阿兹特克人……类似的名单可以开列出长长的一串，因此完全有理由认为，外星人也会对人类采取同样的行为。前面提到的《大战火星人》中表达过同样的观点，类似的担忧也在后来者的作品中不断重复。

不过，宇宙是否真是一个弱肉强食的丛林，这一点并非没有争议。同样是科幻作家，莱姆在其名著《索拉利斯星》中就提出，外星生命是与人类完全不同的存在，人类所追求的一切，也许在外星生命看来毫无意义。另一些科幻作品则表达了更加乐观的看法，比如天文学家卡尔·萨根，在其著作《接触》中就设想了一种善意的外星生命，人类与它们的接触不但没有任何坏处，而且它们为人类带来了珍贵的礼物。

另一方面，即使是考察人类的历史，只要跳出西方中心论的视角，我们也能找到相反的例子。最著名的莫过于郑和的六下西洋。坐拥当时世界上最为强大的舰队，郑和带给沿岸原住民的并不是西方人的那种征服与毁灭，而是来自帝国的礼物。同样是历史，我们为什么不能认为外星人的心胸更加宽广呢？

确实丛林里有可能生活着善良的大灰狼，虽然那往往只在童话故事里出现。不过，有一个问题却是最坚定的“外星生命友善论”的支持者也无法忽视的：哪怕整个丛林里全都是善良的大灰狼，只有一只是邪恶的，可偏偏就是这一只，听到了小红帽的呼救怎么办？谁又能保证邪恶的大灰狼真的一只都不存在呢？

潘多拉的箱子

你的面前有两个箱子。一个里面装了一百万，另一个里面是空的。你可以不打开任何一个箱子，那么你将得到十万元的奖励。而如果你选择了其中一个箱子打开，并且刚好是一百万的那个，那你就可以得到这一百万；但如果是空的，那么你连十万都得不到。现在，你会如何选择？

在这个问题面前，人类基本上可以分为两种类型。一种是拿着到手的10万块钱，并在以后的日子里怀念“当时有一个机会摆在我的面前，我却没有好好珍惜”；另一种则是不顾一切去开箱子，选中者欣喜若狂，未选中的则被历史遗忘。

当然随着两边的钱数不同，两种选择的人数比例也会发生变化。比如说，只要一块钱的代价就可能获得一百万的收益，或者需要一百万的代价才能获得一块钱的收益，两种情况下人的选择会完全不同。但问题恰恰在于，很多时候，两者的价值对比远不是一和一百万这么一目了然。怎么选择要不要考研？怎么选择该不该买房？很多情况下，选择本身掺杂了太多的价值取向，以至于无法得到一个放之四海而皆准的答案。

METI的情况也是如此。这一项目的最坏结果是什么？也许是地球毁灭、人类灭亡；而好的结果则可能是令人类摆脱困扰我们的问题，或者让我们掌握宇宙的终极秘密。但这两者能比较吗？人类灭亡的风险会有多大？获得终极秘密的几率又有多大？我们是否应该承受人类灭亡的风险，去追求宇宙终极的秘密？或者放弃虚无缥缈的妄想，继续小心隐藏自己的存在？

来自霍金的告诫是不要主动和外星人接触。但即使每个人都认可这位宇宙学泰斗的分析，但人类依然还有好奇的天性。在潘多拉的箱子面前，总有人不甘心现有的收获，还是忍不住想要打开它。

因为有人守护箱子，人类才得以延续；但因为有人打开箱子，人类才得以进步。