科学宇宙论的诞生——两球宇宙

科学宇宙论的诞生——两球宇宙

以上三节描述的观测是古代天文学家用于分析宇宙结构的重要资料。但是，就它们自身而言，这些观测并没有提供直接的结构化的信息。它们并没有告诉天体的构成或它们之间的距离；它们关于地球的大小、位置和形状没有给出任何明确的信息。报告这些观测的方法掩盖了事实，它们甚至都没有表明天体确实在运动。观察者唯一能确信的是天体与地平之间的角距离连续地变化。这种变化可以由地平的运动引起，也可能由天体运动引起。诸如日出、日落和恒星的周日运动等术语，严格地说并不只属于对观察的记录。它们是对于材料进行解释的一部分。尽管这种解释是如此地自然以至于它很少能够被排除在讨论观测所用的术语之外，但它确实超出了观察本身的内容。两个天文学家会对观察的结果完全赞同，但却在诸如恒星运动的真实性等问题上产生严重的分歧。

前面讨论的那些观测成了解开谜团的唯一线索，天文学家发明的理论都是尝试去解这个谜。这些线索在某种意义上是客观的，因为由自然给出；这类观察的数字结果很少依赖观察者的想象和个性（尽管材料有可能正是通过这些才被组织起来）。但从这些观察中得出的理论或概念图式确实取决于科学家的想象，它们完完全全是主观的。因此，前几节所讨论的观测可以由那些相信类似于古埃及人那样的宇宙结构观的人们收集起来并置于一个系统的形式中。观察自身并没有直接的宇宙论结论，在构造宇宙论时它们不必而且在过去数千年里也确实没有被非常严肃地对待。详细的天文观测为宇宙论思想提供主要的线索，这一传统从本质上讲是特别属于西方文明的。它可能是我们从古希腊文明那里继承过来的最有意义、最具特色的不寻常之物。

在我们关于希腊宇宙论思想的最古老的残篇记录中，明显有对恒星和行星之观测的解释的关注。公元前6世纪，米利都的阿那克西曼德教导说：

星星是气的压缩部分，形状是［转动着的］轮子，火充满其中，在某些点上通过小小的孔洞散播光芒……

太阳是一个28倍地球尺寸的圆，它像战车的车轮，轮边缘凹陷进去，其中充满了火，太阳使火在某些点上透过类似风箱喷口的孔洞放出光芒……

当火由以透出的孔洞被封闭时就会发生日蚀。

月亮的大小是地球的19倍；它与太阳一样像战车的车轮，轮边缘凹陷进去且充满了火，并且它是被斜向放置的，太阳也是这样；它有一个类似于风箱喷口的孔洞；月蚀取决于车轮的转动。1

在天文学上，这些概念比埃及人的更为先进。在与地球相类似的过程机制的帮助下，神消失了。恒星与行星的大小和位置被讨论，虽然给出的答案看起来非常初级，但在得到成熟和深思熟虑的解答之前，这些问题必须被提出来。在前引的残篇中，通过把天体看作旋转的车轮轮缘上的小孔，恒星与太阳的周日圆周运动被比较成功地说明了。对于蚀以及太阳的周年移动（后来由太阳圆周位置的倾斜来解释）的解释不太成功，但它们至少是个开始。天文学开始在宇宙论思想中起主要的作用了。

并不是所有的希腊哲学家和天文学家都同意阿那克西曼德的观点。他的一些同代人和后继者提出了其他的理论；但他们提出这些理论都是为解决同样的问题，并且在寻求解答时他们使用了相同的方法。对我们来说，重要的是这些问题和方法。这些竞争的理论没有必要去追溯；况且，它们也不可能被完全地追溯，因为历史记录过分不全以致只允许我们去猜测一下希腊最早期宇宙概念的演变。直到公元前4世纪，记录才变得可信，而且到了这个时候，由于经历了一个很长的演变过程，在宇宙论的基本要点方面已经达成了许多共识。对绝大部分希腊的天文学家和哲学家来说，从公元前4世纪开始，地球就是静止地悬在一个携带恒星而转动的更大球体之几何中心的小球。太阳在地球和恒星天球之间的广大空间中运动。在外天球之外什么也没有——没有空间、没有物质，什么都没有。这不是古时候唯一的宇宙理论，但它却拥有最多的追随者，并且，中世纪和近代世界从古代所继承的正是这个理论发展了的版本。

这就是我从此以后将称其为“两球宇宙”的模型，它包括一个为人而设置的内在球和一个为恒星设置的外在球。当然，这个术语已经过时了。正如我们在下一章将会看到的，所有那些相信地球和天球的哲学家和天文学家同时也假定了某些附加的宇宙论设计，借以安置环绕在两球之间的空间之中的太阳、月亮和行星。因此，两球宇宙并不是一个真正的宇宙论，而只是宇宙论的结构框架。但这个结构性框架容纳了自公元前4世纪到哥白尼时代1900年间大量不同且具争议的天文学和宇宙论方案。出现了许多两球宇宙模型。但自从它第一次确立之后，两球框架本身几乎从未被质疑。差不多两千年来，它支配了全部天文学家和绝大部分哲学家的想象力。这就是为什么我们从考虑两球宇宙入手来讨论西方主要的天文学传统的原因，尽管它只是一个框架，但却是从一个又一个天文学家提出的各种行星运行机制中抽象出来的。

两球框架的起源并不明确，但它所具有的说服力的根源却很清楚。天球离埃及人和巴比伦人的圆盖形的天空只有一小步，而且天空看起来的确像一个圆顶。埃及人给予天空的那种拉伸，在一个不依靠像尼罗河这样的河流而生存的社会中消失了，而留下了一个半球形。将地球之上的圆顶和与之对称的下面的圆拱结合起来，就给了宇宙一个恰当和令人满意的闭包。结果形成的天球的转动被恒星自身所给出。正如我们立刻就要看到的，外层天球稳定的每23小时56分一次的旋转，就产生了我们已经描述过的周日循环。

此外，对球形宇宙的偏好还有一个本质上是美学的根据。由于恒星看上去跟我们目力所及的东西一样遥远，并且它们一起运动，人们很自然会设想它们就是嵌在宇宙的外表面并随它一起运动。而且，由于恒星完全有规律地永恒运动，所以这些恒星附于其上的表面本身也应具有完全的规律性，并且也应该永远以同样的方式运动。还有什么图形会比球形更能满足这些条件吗？它是唯一一个具有完全对称的表面，而且是极少数在自身中永恒运动即在它运动的每一时刻都处在完全相同的空间之中的形体。一个永恒和自足的宇宙还能以其他形式被创造出来吗？这就是希腊哲学家柏拉图（公元前4世纪）在他的《蒂迈欧篇》中所使用的基本论据，这是一篇创世的寓言故事，宇宙在这里作为一个动物、一个有机体出现。(https://www.daowen.com)

首先，［造物主］的目的是要使动物尽可能具有完美的整体和完美的部分；其次，它应该是独一无二的，不会留下任何残余使创造另一个同样的世界成为可能；并且它应该不会衰老［永恒］也不受疾病的困扰［不朽］……因此，他将世界做成一个球形，就像被车床旋削了一样地圆，使它在每一个方向上的端点都与中心保持相同的距离，它在所有图形中最完美、最像其自身；因为他认为相似要比不相似更为合理。他的工作完成了，出于许多原因他把整个表面弄成光滑的：首先，由于没有外物可看，这个活物不需要眼睛；无音可听不需要耳朵；没有用于呼吸的外部大气；由于除了他就没有任何东西，所以也就没有任何出自他或进入他的东西，因而那些用于进食和排泄的器官也没有用了。按照设计他被创造成这个样子，他自己的排泄物供给他的食物，他所做的一切和所忍受的一切都在其自身之中由他自己发生。造物主认为一个自给自足的存在比缺乏某些东西的存在更为出色。由于不需要做什么或防范什么，所以创造者认为不必给予他双手：他也不需要脚和代步工具；但适合于他球形形状的运动被指派给了他，……他被创造成以相同的方式在相同地点运动，在其自身的界限之内做圆周转动。2

古代某些关于大地球形论证属于同一类型：人类居住的地方地球应该显示出曾经用来创造宇宙的同一完美的形状，有什么比这更恰如其分的呢？但许多证明更为具体，并且为我们所熟知。驶离海岸的船只，其船体比桅杆顶部更早地消失；站在更高的地方比站在低的地方能看到更多的船只和海面（图10）。月蚀时地球在月亮上的阴影有着圆形的边缘。（对月蚀的这一解释甚至在公元前4世纪之前就已流行，技术性附录的第三部分有讨论）。这些论据依然很难回避或反驳，而且在古代，它们的（论证）效果被天地之间的类比所放大：一个反映了地球形状的天界看起来特别恰当。其他的论证也得自两球的相似性和对称性的安排。举例来说，地球的中心位置保证了它在球形宇宙之中的静止性。一个处在球心的物体能往什么方向落呢？对中心来说根本就没有“下”，每一个方向都是“上”，因此，地球必须悬在中心，当宇宙绕其旋转时它永远地固定在那里。

虽然这些出自对称性的论证在今天看来有些奇怪（对于不足以令人相信的结论的论证通常确实看上去奇怪），但它们在古代、中世纪以及近代早期的思想中极为重要。像柏拉图那样关于对称性的讨论，显示了两球宇宙论的适当性；它解释了为何宇宙被造成球形。正如我们将要在第三和第四章发现的，更为重要的是，两球的对称性提供了天文学、物理学和神学思想之间重要的联结，因为它对于它们都是必不可少的。在第五章中我们会看到，哥白尼在一个他所构建的包含了作为运动行星的地球在内的宇宙中，徒劳地企图保留古代宇宙论中基本的对称性。但我们现在更多地关注两球宇宙的天文学功能，并且在这里情况是完全清楚的。在天文学中，两球宇宙论发挥着作用，而且发挥得很好，也就是说，它精确地解释了本章前面所描述的那些天象观测。

图11显示了在一个更大的恒星天球中心的地球，它的尺寸被放大了。一个地球上的观察者处在箭头所指的位置O，只能见到半个球面。他的地平由一个与地球上他所在的点相切的平面（图中阴影所示）所限定。如果地球相对于恒星天球非常之小，那么这个切面会将外天球分成两个几乎精确相等的部分，一部分对于观察者是可见的，而另一部分被地球表面所遮挡。从微小的地球上看过去，任何永久地镶嵌在外天球上的物体，比如恒星，都会保持相同的相对位置。如果天球绕通过径向正相反的两点N和S的轴稳定地旋转，那么所有的恒星将会跟它一起运动，除非正处在N点或S点。由于对图中的观察者来说S点不可见，所以N就是他的天空中唯一的不动点，是他的天极，并且它事实上处在他的地平正北点上方正好45°的位置，这正是对于中北纬度的O点的观察者来说它应该在的位置。

在O点的观察者看来，外层天球上N点附近的目标在绕天极的圆周上缓慢地旋转；如果天球旋转一圈用时23小时56分，这些目标就像恒星一样在同样的周期内完成它们的循环；它们在此模型中就代表恒星。离极点足够近的所有恒星，处在图中的圆CC之内，就是拱极星，因为天球的旋转从不会将其带到地平之下。天球每旋转一周，那些远离N点处于圆CC和II之间的恒星会与地平线成一定角度地升落，但是非常靠近圆II的恒星很少在南地平线上看到，而且转瞬即逝。最后，靠近S点位于圆II之内的恒星是O点的观察者永远都看不到的；这些恒星总是被他的地平所遮挡。不过，它们会被位于内球上其他点的观察者见到；S点至少是一个有可能被见到的天空中的固定点，另一个极点。我们称之为南天极，而在N的可见点是北天极。

如果图中的观察者由O点向北移动（也就是向着内球上北天极正下方的一点移动），那么他的地平面必定会随之移动，当他接近地球的极点时，地平面越来越与恒星天球的轴相垂直。因此，当观察者向北运动时，天极必定显得离地平的正北点越来越远，直到最后它会到达他的头顶的正上方。与此同时，总是与地平最北端的点相切的圆CC，必定扩大致使越来越多的恒星成为拱极星。由于当观察者北移时圆II也在扩大，看不见的恒星必定也在增加。如果观察者向南运动，那情况就刚好相反，天极越来越接近地平的北点，圆CC和II也会缩小，直到观察者到达赤道时它们正好分别框住了北天极和南天极。图12显示了这两种极端的情况，一个观察者处于地球的北极，一个观察者位于地球的赤道。第一种情况下，地平是水平的，北天极在观察者头顶的正上方，在天球的上半部分的恒星沿与地平圈平行的圆持续地旋转；下半球中的恒星根本看不到。在第二幅图中，地平圈是垂直的，南北天极被固定在地平的南北两点，所有的恒星都能在此时或彼时被看到，但所见到的恒星轨迹没有一颗超过半圆。

除了最后这些极端的例子在古代没有被观察到之外，两球宇宙模型中的恒星运动与我们先前讨论的对真实的恒星的观察结果非常地一致。对于两球宇宙论而言，没有比这更为令人信服的证据了。