哥白尼天文学——行星

哥白尼天文学——行星

至此，哥白尼发展出的概念图式还是跟托勒密的一样有效，但肯定不会更有效，它好像还麻烦一些。只有把行星加到哥白尼的宇宙中去，他的革新的真实基础才会变得明显起来。例如，考虑对逆行运动的解释，哥白尼曾在他的导论性的第一卷的第5章末尾不加讨论地暗示了这一解释。在托勒密体系中对每颗行星的逆行运动是这样解释的：行星置于大本轮上，大本轮的中心则由行星的均轮带动环绕地球。这两个圆的组合运动产生了第二章[1]讨论过的那种特殊的环形图案。哥白尼体系不再需要大本轮。行星在恒星中间的逆行运动或西向运动只是一种视运动，它像太阳在黄道上的视运动一样，是由地球的轨道运动产生的。根据哥白尼的说法，托勒密用大本轮来解释的这种运动其实是地球的运动，由于地上的观测者以为自己是静止的才把它归于行星。

图32（a）和图32（b）描述并解释了哥白尼观点的主要内容。前一幅图显示以恒星天球作为固定背景，从运动的地球上看到的一个运动着的外行星的相继视位置；后一幅显示内行星相继的视位置。图中仅画出了轨道运动；略去了地球的周日旋转，因为它会引起太阳、行星、恒星一起快速向西的视运动。在两幅图中，地球在以太阳为中心的圆形轨道上的相继位置都用点E1，E2，……，E7表示；行星相应的相继位置用P1，P2，……，P7表示；延长地球到行星的连线直至与恒星天球相交，得到行星相应的视位置，用1，2，……，7表示。在两种情况下内层的行星总是在其轨道上运行得更快些。对这两幅图的检查显示，行星在恒星中间的视运动从1到2和从2到3是正常的（向东的）；然后变成逆行（向西运行）从3到4和从4到5；最后再次转向，从5到6和从6到7为正常运动。当地球完成它轨道余下的部分时，行星继续正常运动，当行星和地球正好在太阳两侧正对时，行星向东运行的速度最快。

因此，在哥白尼的体系中，从地球上看，行星大部分时间都是向东运行；只有当地球以更快的轨道运动赶超外行星时，或者是内行星赶超地球时，才会发生逆行。逆向的运动只出现在地球离逆行的行星最近的时候，这与观测是相符的。至少外行星是在向西运动的时候最亮。这样，行星的第一类主要的不规则运动不用本轮就得到了定性的解释。

图33表示的是哥白尼的方案如何解释另外一类行星运动主要的不规则性——行星沿黄道相继的运行时间不固定。图中假定行星（这里是外行星的情形）沿轨道向东每运行一圈，地球沿轨道向东走1¼圈。假设在这一系列观测开始时地球位于E1，行星位于P，则行星正处于逆行的中点，它在固定的恒星天球上投影为1。当行星沿轨道完整绕行一周回到P时，地球沿轨道前进了1¼周到达E2。因此行星的视位置为2，在起始点1的西边。它沿黄道的运动还未完成一个整圈，所以第一整圈所需时间比行星沿轨道旋转一周花的时间要长。

行星沿轨道绕行第二周，地球又前进了多于一周到达E3，而行星又回到P。这一次行星投影在位置3，处于位置2的东边。它在黄道上走了一圈多，而在自身轨道上只转了一圈，所以它在黄道上运行的第二圈非常快。行星运行又一圈后再次回到P，而它的视位置到了4，在3的东边，因此这次黄道运动又是很快的一圈。再运行一周，行星出现在位置1，在4的西边，因此最后一圈运行得较慢。行星在自身轨道上运行了四周，同时在黄道上也走了四圈。所以平均起来外行星在黄道上走一圈的时间与行星的轨道周期相等。但每一圈花的时间可能比平均时间长很多或短很多。类似的论据可以解释内行星运动类似的不规则性。逆行运动和绕黄道运行所需时间不固定这两大不规则性，在古代导致天文学家使用本轮和均轮来解决行星问题。哥白尼的体系解释了这两大不规则性，而且没有借助本轮，至少没有使用大本轮。而为了对行星运动做出哪怕只是近似的和定性的解释，希帕克斯和托勒密用了十二个轮——太阳和月亮各一个，其余五个“漫游星”各两个。哥白尼对行星的视运动完成了同样定性的解释，却只用了七个轮。他只需给已知的六颗行星——水星、金星、地球、火星、木星、土星各一个以太阳为中心的轮，再给月球一个以地球为中心的轮。对于只考虑行星运动的定性解释的天文学家而言，哥白尼体系肯定经济得多。(https://www.daowen.com)

但哥白尼体系这种表面上的经济在很大程度上只是一种幻觉，尽管它是一种宣传上的胜利，而新天文学的支持者少不了要强调这一点。我们还没有开始跟哥白尼行星天文学真正的复杂性打交道。出现在《天球运行论》第一卷，又屡屡出现在现代对哥白尼体系的初等解释中的七圆体系确实极为经济，但却并不管用。它对行星位置的预测精度无法同托勒密体系相比。它的精度只比得上托勒密体系的简化十二圆版本——哥白尼只是对行星运动的定性解释比托勒密更经济。但是，为了对行星位置的变化做出较好的定量解释，托勒密已经不得不加入小本轮、偏心圆和偏心匀速点，把原本的十二圆体系搞得错综复杂。为了从他那基本的七圆体系得出能与托勒密相当的结果，哥白尼也只好求助于小本轮和偏心圆。他的完整的体系就算没有托勒密那么笨重也好不到哪去。二者都使用了超过30个轮子，在经济性上差不多。两个体系在准确性上也没有多大差别。等哥白尼添加完轮子，他那笨重的日心体系也只能达到跟托勒密体系一样的精度，并不能得出更精确的结果。哥白尼其实并没有解决行星问题。

完整的哥白尼体系在《天球运行论》的后几卷中给出。还好我们只需描述增加的复杂性的种类。例如，哥白尼体系并非真正彻底的日心体系。为了解释冬季太阳穿行于黄道十二宫时速度的加快，哥白尼把地球的圆形轨道改成了偏心圆，将圆心从太阳上拿开。为了解释古代和当时的观测中太阳运行的其他不规则现象，他又设定这个偏移了的圆心是运动的。地球的偏心圆圆心在另一个圆上，第二个圆的运动持续地改变地球偏心的范围和方向。最终计算地球运动的体系大致可由图34（a）表示。图中S为太阳，固定于空间中；绕太阳缓慢运动的点O是一个缓慢转动的圆的中心，这个圆带着地球偏心圆的圆心OE运动；E是地球本身。

其他天体的视运动也得用差不多这么复杂的方法来解释。对月球哥白尼共用了三个圆，第一个以运动的地球为中心，第二个的中心在第一个的圆周上运动，而第三个的中心又在第二个的圆周上。对火星以及其他行星中的大多数，他运用了类似图34（b）所示的体系。火星轨道中心OM与地球轨道中心OE不重合，并与之一起运动；行星位于M，不是在偏心圆上，而是在一个本轮上，本轮向东旋转，与偏心圆同一方向且周期相同。复杂程度还不止于此。为了解释各行星在南北方向偏离黄道的现象，还需要更多的装置，这跟托勒密体系完全相当。

哥白尼为计算行星位置而应用这种连锁圆周的复杂体系，以上虽然只是粗略的描述，却揭示出《天球运行论》中第三处重大的不协调，这也是对哥白尼毕生工作的极大讽刺。《天球运行论》的前言一开始就强烈指责托勒密体系不精确、不简洁、不一致，但是哥白尼的书尚未结束，就自己暴露出完全相同的弱点。哥白尼体系既不比托勒密体系更简洁，也不比它更精确。而且哥白尼建立体系的方法同托勒密的方法一样，似乎不大可能得出行星问题的哪怕一个相容解。《天球运行论》本身也跟这个体系唯一幸存的早期版本（在哥白尼的早期手稿《提纲》中提出）不一致。即使是哥白尼也无法从他自己的假说中推出连锁圆周的唯一组合方案，他的继承者们也没能办到。古代传统的这些特征曾经促使哥白尼尝试一种彻底的革新，但它们并没有被这个革新所清除。哥白尼抛弃托勒密传统是因为他发现“数学家做的（天文）研究自相矛盾”，还因为“倘若他们的假设并非误导，基于它们的所有推论应该得到证实才对”。假如有另一位哥白尼，一定会用同样的论据反过来指责他。