早在阿波羅尼之前，人們就注意到五大行星不僅是運動的方向經(jīng)常發(fā)生變化，它們的亮度也會發(fā)生變化，阿波羅尼第一個指出，這個亮度變化是同心球理論的致命漏洞。按照同心球理論，五大行星與地球的距離是永遠(yuǎn)不變的，并且根據(jù)畢達(dá)哥拉斯學(xué)派的宇宙數(shù)字和諧的思想，這五大行星與地球的距離也應(yīng)該符合簡單的整數(shù)比的關(guān)系。但是，如果五大行星與地球的距離不變，那么為什么它們的亮度會發(fā)生變化呢？根據(jù)當(dāng)時人們普遍相信的理論解釋，五大行星發(fā)光是反射“天火”發(fā)出的光芒，因此它們的亮度只跟距離有關(guān)，即便是亮度要發(fā)生變化，也應(yīng)該是同時發(fā)生變化，而不應(yīng)當(dāng)是各自發(fā)生變化。

這的確是同心球理論無法解釋的一個現(xiàn)象，這個存在了將近一個世紀(jì)的理論遇到空前危機(jī)。阿波羅尼用他那顆非凡的數(shù)學(xué)腦袋，在同心球理論的基本框架下面又提出了另外一個模型，完美地解決了行星亮度變化的問題。阿波羅尼是這樣解釋他的理論的：

“各位，同心球也好，水晶球也好，其實都不對，行星的運動并不是被好多個互相嵌套的球帶著跑?！?/p>

“不是球那是什么？”

“是輪子！”

“輪子？”

“對，就是輪子。當(dāng)然，我指的輪子是一個虛擬的輪子，行星運動的軌跡是一個個的輪子。首先，每個行星本身都繞著一個中心點做勻速圓周運動，這個運動的軌跡形成的輪子我稱之為‘本輪’；而本輪的中心點又繞著地球做著勻速圓周運動，這個中心點的運動軌跡形成的輪子我稱之為‘均輪’，請看下面這張示意圖?！?/p>

圖3-1　本輪均輪示意圖

“看到了嗎？從地球望過去，行星就會做時而順行時而逆行的運動，并且我們還可以從該圖中看出，行星到地球的距離也是在不斷地變化著，這就是為什么行星的亮度也在不斷變化的原因。”

阿波羅尼說完，得意地一笑，他是有資本發(fā)出得意的笑聲的，因為阿波羅尼的思想整整超前了那個時代400多年。在此后的400多年中，與阿波羅尼具備同樣思想的天文學(xué)家并不多，本輪均輪理論也和同心球理論長期并存，并且一直處于下風(fēng)。這種局面終于在四個多世紀(jì)之后發(fā)生了徹底改變，這是因為又一個天才的出現(xiàn)。他是天文學(xué)界公認(rèn)的古代天文學(xué)的教父級人物，也是第一個能夠正確預(yù)報日食、月食以及行星排列圖形的天文學(xué)家，能做到這一點，在當(dāng)時的人類看來，就是有著近乎于上帝的能力。在他死后的整整15個世紀(jì)中，天文學(xué)的所有標(biāo)準(zhǔn)教科書都在教授他的理論，他就是克羅狄斯·托勒密（Claudius Ptolemaeus，約90年～168年）。

托勒密的祖籍是希臘，他深受古希臘文明的熏陶，精通古希臘人發(fā)展出來的天文學(xué)、數(shù)學(xué)、哲學(xué)、物理等學(xué)科。他本人是羅馬帝國的公民，生活在亞歷山大城。托勒密一生癡迷天文學(xué)，并且是真正的實干派，醉心于天文觀測，在他的觀測室中擺滿了別人或者他自己發(fā)明的各種天文觀測儀器。每到晴朗的夜晚，托勒密總是聚精會神地觀測五大行星的運動，認(rèn)真測量并記錄各種數(shù)據(jù)。除了觀測，托勒密對前人的理論也是如數(shù)家珍，但是，他對天體運動的觀測越深入，就越是對前人的理論感到不滿。他有一種迫切的使命感，覺得非常有必要總結(jié)前人的所有理論，然后再結(jié)合自己的實際觀測數(shù)據(jù)，完成一部古往今來蓋棺定論式的天文學(xué)著作。

托勒密首要思考的一個問題是：日月星辰每天都要東升西落，這是所有天體的共同規(guī)律，造成這個現(xiàn)象的數(shù)學(xué)原理到底是什么？托勒密遍查所有的典籍，按照最“正統(tǒng)”的理論解釋，原因是所有的天體都在一個每天轉(zhuǎn)一圈的“同心球”或者“本輪”上。他也查到前人一些不同見解，尤其是一個叫做阿里斯塔克斯（Aristarchus，約公元前310年～前230年）的古希臘天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家的大膽觀點引起了托勒密的特別注意。

阿里斯塔克斯認(rèn)為，日月星辰之所以會每天東升西落，原因很簡單，那就是我們的大地，也就是“地球”每天都要自轉(zhuǎn)一周，從我們的角度看過去，就變成了日月星辰每天繞著我們轉(zhuǎn)了一周。然而，阿里斯塔克斯卻提不出什么證據(jù)來佐證他的這個觀點，之所以會有這樣的觀點，完全是出于一種數(shù)學(xué)考慮，他認(rèn)為用地球自轉(zhuǎn)來解釋日月星辰的視運動是最簡單和諧的。

托勒密是從阿基米德（Archimedes，公元前287年～前212年）的著作中讀到阿里斯塔克斯這個觀點的，托勒密深為所動。因為托勒密也深受畢達(dá)哥拉斯學(xué)派的影響，對數(shù)學(xué)也有著一種潔癖，深以為宇宙符合簡單和諧的數(shù)學(xué)美。然而，托勒密很快就否定了“地球自轉(zhuǎn)”這個可笑的想法，他是這么說服自己的：

“如果腳下的大地一直是在轉(zhuǎn)動的話，那么天上的云彩為啥不會集體向西飄去呢？我向上扔起一塊石子，它總是會落回我的手上，如果我是隨著大地一起轉(zhuǎn)動的話，那么拋出去的石子在落回來的時候，肯定要往西偏一個角度了。雖然從數(shù)學(xué)上來說，地球自轉(zhuǎn)是最簡單的解釋，但從物理法則上是完全說不通的?！?/p>

托勒密最終果斷地拋棄了地球自轉(zhuǎn)的想法，重新回到了“正統(tǒng)”的觀點上。在當(dāng)時的年代，托勒密的思考完全是合乎邏輯的，他無法想象，假如地球自轉(zhuǎn)，拋出去的石子怎么會落回原地？這是一種非常樸素自然的觀點。我想再次強(qiáng)調(diào)的是，古人的智商一點也不比我們低。你知道地球在自轉(zhuǎn)是從課本上學(xué)來的，可是你真的理解地球的自轉(zhuǎn)嗎？現(xiàn)在問你個問題：我們經(jīng)常聽說從中國坐飛機(jī)到美國和從美國飛回中國需要的時間不同，那么造成這個現(xiàn)象的原因是什么？我回答你：因為地球在自轉(zhuǎn)。如果迎著地球自轉(zhuǎn)的方向飛，當(dāng)然會早一點到達(dá)目的地，反過來自然要晚一點到達(dá)。如果你對我的這個回答頻頻點頭的話，那么我很遺憾地告訴你：你完全錯了。如果把你放到2000年前的古代，你必定可以從拋起來的石子落回原地這個現(xiàn)象上得出地球絕不可能自轉(zhuǎn)的結(jié)論。實際的情況是，坐飛機(jī)來回中美花費的時間和上面那個聽上去合理的地球自轉(zhuǎn)的解釋剛好相反，迎著地球自轉(zhuǎn)方向飛反而要花更多的時間，因為真正影響飛行時間的原因其實是大氣環(huán)流對飛行速度的影響。

一直要到托勒密死后1500年，才誕生了一位叫做伽利略的偉大科學(xué)家（Galileo Galilei,1564年～1642年），是他揭示出拋上天空的石頭依然落回原地的物理規(guī)律，那是一個了不起的發(fā)現(xiàn)。本書的后面會大篇幅介紹伽利略，現(xiàn)在你仍然需要點耐心，繼續(xù)聽我講托勒密的故事，人類的發(fā)現(xiàn)之旅遠(yuǎn)比你想象得更艱辛。

托勒密在認(rèn)真思考和總結(jié)了前人的思想后，畫出了一個基本的宇宙圖像。

圖3-2　托勒密的宇宙圖像

在這幅圖像中，托勒密闡述了他的基本宇宙觀：

1．球形的地球在宇宙的中心，靜止不動。

2．月亮和五大行星在本輪和均輪上做著運動。

3．太陽只有均輪沒有本輪。

4．水星和金星的本輪中心始終位于日地連線上，該連線一年中繞地球轉(zhuǎn)一圈。

5．火星、木星、土星到他們各自本輪中心的直線總是與日地連線平行，這三顆行星每年繞各自的本輪中心轉(zhuǎn)一圈。

6．恒星天每天繞地球轉(zhuǎn)一周。

7．日月和五大行星除了各自的本輪均輪運動外，還會跟著恒星天一起繞地球轉(zhuǎn)一周。

其實，畫一幅宇宙的圖像并不是什么真正了不起的事情，在托勒密之前，不知道有多少人畫過各種各樣的宇宙圖像，只要愿意，是個人就可以拿起樹枝在地上畫一個他心目中的宇宙圖像，并闡述自己的理由。人人都可以用哲學(xué)思辨的方式思考宇宙的圖像，然而普通人只能停留在思辨上，思辨并不能帶來真正的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。除了哲學(xué)思辨，我們更需要的是數(shù)學(xué)計算和觀測實證。托勒密的偉大之處就在于他不是僅僅停留在哲學(xué)思辨上，他為每個本輪均輪都根據(jù)自己的天文觀測詳細(xì)設(shè)計了大小、角度和速度值，并且以此來計算預(yù)測天體的位置。如果自己的預(yù)測和實際觀測到的現(xiàn)象不相符，他就會修正各種參數(shù)或者增加本輪的數(shù)量。隨著計算和觀測的深入，本輪的數(shù)量越加越多，到后來，本輪的總數(shù)已經(jīng)增加到了80個之多。然而，即便是有了80個本輪，羊皮紙都已經(jīng)被畫得沒法看了，天體位置的預(yù)測仍然有著不小的誤差，托勒密為此恨恨不已。

轉(zhuǎn)機(jī)來自一次偶然的發(fā)現(xiàn)。這一天，托勒密倘佯在浩瀚的古籍中，他打開一本已經(jīng)殘破不堪的古籍，發(fā)現(xiàn)其中記載了一位叫做依巴古的神童的生平，他僅僅活了19歲。但就是這位天才少年通過長期不懈的天文觀測，發(fā)現(xiàn)了很多讓現(xiàn)代人都驚嘆不已的天文學(xué)現(xiàn)象。比如，他通過各地對日食的觀察記錄（不同的地方月亮對太陽的遮擋程度不同，有的地方是全食，有的地方是偏食），計算出地球到月亮的距離是59～67個地球半徑，這與我們今天知道的60個地球半徑已經(jīng)非常非常接近，那可是在2100多年前?。《嬲鹜欣彰茏⒁獾氖且腊凸诺牧硪豁椫卮蟀l(fā)現(xiàn)：四季持續(xù)的天數(shù)不均勻。

按照正統(tǒng)的觀點，太陽繞著地球運動的軌跡是一個正圓，那么一年四季應(yīng)當(dāng)是完全均分的。依巴古對春分、夏至、秋分、冬至的時間點都做了精確的觀測記錄，這些時間點其實就是太陽在天空中視位置仰角來回擺動的變更點。例如你仔細(xì)觀察一顆樹的影子長短在一年中的變化，你會發(fā)現(xiàn)每天同一時間影子的長短都是不一樣的，從夏至到冬至，從冬至到夏至，總是逐漸變長再逐漸變短，而由至長點變短、由至短點變長的那個時刻正是冬、夏季節(jié)變化的分界點，或者你詳細(xì)記錄每天太陽升起的不同時間，也可以找到季節(jié)變化的臨界點。依巴古發(fā)現(xiàn)，秋天最短，是88.125天，冬天是90.125天，春天最長，是94.5天，夏天是92.5天。為什么會有這種現(xiàn)象呢？依巴古指出，這是因為地球不在太陽圓周運動的中心點上，而是在一個偏心的位置上。

圖3-3　依巴古指出地球處在偏心的位置

一語點醒夢中人，托勒密看到依巴古的這個發(fā)現(xiàn)后，猶如醍醐灌頂，他立即修正了自己的宇宙模型，把地球的位置從正中心挪開一點點，放到了一個偏心的位置上。做出這個小小的改變之后，奇跡出現(xiàn)了，計算值和觀測記錄的相符合程度大大地增加了，天體的一切運動似乎都回到了“合理”的范圍內(nèi)。在這個新模型中，托勒密對天體預(yù)測的精度大大增加，他為此興奮得手舞足蹈，終于可以動筆寫書了。

在公元2世紀(jì)中葉，托勒密的晚年，耗費了他一生心血的鴻篇巨著《天文學(xué)大成》終于完成。這是一部里程碑式的天文學(xué)著作，總共十三卷。第一卷，基本內(nèi)容概述；第二卷，預(yù)備知識；第三卷，太陽運動；第四卷，月亮運動；第五卷，測定和推算月地距離和日地距離；第六卷，日月食計算；第七、八卷，歲差、恒星星表；第九至十三卷，五大行星的運動。這部天文學(xué)巨著是人類歷史上第一部系統(tǒng)闡述天文學(xué)的著作，它是集古代天文學(xué)之大成之作，在此后的1500年中，它將成為無人敢于挑戰(zhàn)的成熟理論，同時也成為天文學(xué)的教科書。一本教科書1500年不改版，這在人類歷史上不敢說空前絕后，但肯定是極為罕見的了。

雖然我們現(xiàn)在都知道，托勒密的宇宙觀已經(jīng)被修正了，然而，這在當(dāng)時依然是人類智慧的偉大勝利。用托勒密的理論可以相當(dāng)準(zhǔn)確地預(yù)報日食和月食，誤差時間在一小時以內(nèi)，也可以基本預(yù)報五大行星的運動位置，誤差時間只在幾天之內(nèi)。

從畢達(dá)哥拉斯到托勒密，至此，古代天文學(xué)的發(fā)展基本上就劃上了句號，柏拉圖提出的“拯救現(xiàn)象”這一世紀(jì)難題也基本上得到了完美的解決。

我知道，此時你心里很有可能在想一個問題：那我們中國人呢？中國人創(chuàng)造了那么燦爛輝煌的中華文明，在這幾千年中，中國人又是如何思考我們的宇宙的呢？