宇宙模型的發展(一)

在二十一世紀的今天,地球環繞太陽公轉已經成為了公認的事實,甚至被認為是一種「常識」,不知道的人被認為是極端的無知,這種態度甚至「回溯」至古人,認為古人不能認知地球環繞太陽公轉是保守及不懂科學的表現。另一方面,當提及哥白尼的日心說時,卻百般的頌讚,把他提出的學說說成真理一般,哥白尼嚴然成為「正確」和「進步」的代名詞。但實際上,宇宙或太陽系模型的發展,比大部分人想像中複雜,亦比大部分人想像中精彩,古人擁抱的地心說模型並非毫不科學,哥白尼的日心說模型也不是毫無錯漏。就讓我們看一看,人類到底如何在不斷的摸索中去蕪存菁,慢慢建立正確的宇宙模型。

一切宇宙模型的開端 — 星體的行走路徑

當我們長期觀察天空時,我們首先會發現, 天空好像是一個大圓球,而我們就位於這個大圓球的正中心z,而這個球便稱為「天球」( 雖然我們已知天球實際上並不存在,但它使用起來相當方便,故在現代形容天體的位置時依然被沿用。)。 而當我們忽略星體每天的東升西降運動後,我們會發覺天絕大部分星體看起來都固定在天球上,並不會在天球上移動。這些星星就是組成各個星座的「恆星」。而「天球+恆星」則組成了整個天空的一個大背景。但相對這個不變的大背景,有七顆星體會不斷改變自己在天球上的位置,這七顆星體分別就是太陽,月亮及金木水火土五大行星(天王星海王星等行星因為太暗的關係,肉眼難以看到),在中國古代通稱為「七曜」。(這也是日本稱呼「星期X」為「Y曜日」的由來。但另一方面,中國到民國時期才開始使用「星期」。)

在這七個會移動的星體中,太陽及月球的視運動比較簡單:太陽約每365.25天由西向東環繞天球一周,所行的路徑稱為「黃道」;月球約每27.3天由西向東環繞天球一周,所行的路徑稱為「白道」。可是,其他五顆行星的視運動則複雜多了。五大行星大部分時間都是由西向東移動,這時候的視運動稱為「順行」;但在某些時候卻看似不動,稱為「留」,甚至倒著由東向西移動一段距離,這時候的視運動稱為稱為「逆行」。 以火星作例子,下圖為2003 年火星逆行前後的路徑。 220px-Apparent_retrograde_motion_of_Mars_in_2003

基本上五顆行星都會依從著「順行 –> 留 –> 逆行 –> 留 –> 順行」的方式在天球上移動。 因此任何合格的宇宙模型都必須能解釋為何五大行星會有這種「古怪」的視運動。而第一個能解釋這種路徑的成熟模型,就是托勒密的地心說模型。

被污名化的宇宙模型  — 托勒密地心說模型

220px-Ptolemaeus

托勒密,公元前一世紀的希臘裔羅馬天文學家,長期居於埃及的希臘化城市亞歷山卓,名字雖與當時的埃及王室相同(托勒密王朝),但大概不是王族。他影響後世最深的著作是《天文學大成》,乃集當時西方天文學知識大成的巨著。它的出現甚至令當時西方世界的人基本只使用他而不再使用其他較舊的天文學著作,以致舊著作大量失傳。由此可知,《天文學大成》的影響之廣。而《天文學大成》的內容正是以地球為宇宙中心的宇宙模型。

那到底托勒密的模型如何解釋行星的逆行現象?這裡就要簡介一下兩個古天文學的概念:「本輪」及「均輪」。

image

在托勒密的模型中,五大行星並不是直接環繞地球作圓周運動,而是按著「本輪」作圓周運動;而這個本輪的圓心則按著「均輪」作圓周運動,間接令行星環繞地球轉動。這個本輪及均輪的組合,令行星的綜合路徑不再是簡單的圓周運動。在精確度要求不是非常高的情況下,托勒密就利用均輪及本輪的設計解釋了為何五大行星會有逆行的現象,並能用這個宇宙的模型去預測各個行星的位置。
geocentric1

geocentric2

(事實上,托勒密的模型不單能解釋行星逆行的現象,而且還能解釋行星在天球上的移動速度不一,水星及金星為何必定在太陽附近,四季的長度並非完全平均等問題,但在這就不詳細解釋了,有興趣的朋友可自行維基。)

托勒密模型的預言到底有多準確呢?這裡給出兩個事實,你就可以想象托勒密模型有多準。第一個事實是,托勒密發表了《天文學大成》後,他的學說在1300年間並沒有受到真正具意義的挑戰,千多年來的學者均是在托勒密的基礎上修正他的模型,但直至克卜勒之前,並沒有人(包括哥白尼!下一篇文章將會提及)能另闢蹊徑而在精確度上勝過托勒密模型及它的子代。第二個事實是,現代的星空星體投射器(除了完全電腦化的版本外)要模擬各行星的軌跡時,依然是使用托勒密模型的均輪本輪原理作模擬投影。

為托勒密平反 — 托勒密模型的科學性

托勒密的地心說宇宙模型是否科學?各位的第一印象應該是:「怎麼可能?它根本不對!」但這個印象是錯鋘的。托勒密的宇宙模型絕對可以稱為科學理論!因為它完全滿足「科學理論」的三大條件:可預測性,可證偽性,可重複性。

可預測性:托勒密的宇宙模型可以用作預測行星的運行路徑,亦可預測行星在未來的位置。事實上,在準確度要求不太高的情況下,托勒密的模型成功正確預言了各行星在其出版後超過一千年的位置。
可證偽性:托勒密的宇宙模型留有被證偽的空間,當它預測行星的位置與實際有差別時,它並沒有什麼「自圓其說」的說法;事實上,就是由於它的預測與實際有差別,才會慢慢被更能準確預測行星位置的日心說模型取代。
可重複性:不論由誰去利用托勒密的宇宙模型去預測行星的位置,他都會複得相同的答案。

由此可見,托勒密的地心說模型,是地地道道的科學理論。當然,它是一個已被推翻的理論,但「科學」及「正確」其實並沒有直接的關係,「科學」只是要求理論必須合乎證據,合乎現實,而當新的證據出現而與舊理論不符時,舊理論就應該讓位給更能解釋理據的新理論,如此而已。中世紀後期的天主教會阻止日心說的發表,的確是保守的表現,但這與托勒密無關,更與托勒密模型無關,不應因此而抹殺托勒密在天文學的貢獻。

下一篇文章將會介紹日心說的出現及其相關的證據及改善過程。

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