古希臘時期的天文學

第一節 古希臘時期的天文學

無論是現代人或古人對世界的組成及起源都充滿好奇，並期待能 尋找最佳的解答。抬頭所見的深邃穹蒼更是人們想像力馳騁的園地，

也是值得極盡智慧去探索的密境，人類一直都嘗試著能闡述終生仰望 浩瀚無涯的宇宙天際。

人類若不發明一個宇宙論是不會持久地生存的。(孔恩，

2003，p6)

早期人類日出而作，日落而息，滿天星辰的固定東昇西落，每年 固定時節出現，天空是如此規律而完美，給了人類和萬物最大的指

引，結合觀星與生活發展文明，天文、幾何、算術和曆法等由此而來，

探討各種現象背後成因的科學與哲學也在古希臘的城邦中蓬勃發展。

畢達哥拉斯（Pythagoras of Samos，約 580-500 B.C.）是當時的數 學家與哲學家，足跡遍及歐洲和非洲大陸，在他的眼中萬物皆為「數

（number）」。從美麗的希臘神殿與雄偉的埃及金字塔，或是生命世界 的點滴，他看見各式各樣繽紛事物中共同的實體，即是「數」。畢達 哥拉斯堅定的信念成為畢達哥拉斯學派的教義，也因為對一般民眾而 言太難理解，所以畢氏學派關上大門，成為一門秘宗。

希臘三哲—蘇格拉底（Socrates，469-399 B.C.）、柏拉圖（Plato，

約 428-348 B.C.）和亞里士多德（Aristotle，384-322 B.C.），為一脈相 傳的師徒關係。其中柏拉圖對幾何深信不疑，他認為宇宙的架構和幾 他的「目的論（Teleology）」。在感官經驗中，重物均往地球表面掉落，

因此地心是萬物的目的，即為萬物的中心。物體的材質（matter）決 定了它變化的形式（form），根據經驗，重元素土和水會朝向地心運 動，而輕元素火和氣則遠離地心，因此他將宇宙分成月下區和月上 區，由於組成材質不同，月下區具有變化，月上區則是永恆不變的。

當時的宇宙圖像更是百家爭鳴，其中主流則為與人類經驗相符的

「地心」宇宙，有了亞里士多德目的論的背書，地心說在古希臘時代 迅速茁壯。最早為「兩球宇宙」模型（圖 2-1），地球是靜止的，懸在 一個攜帶恆星由西向東轉動的更大球體的幾何中心，太陽在地球和恆 星之間廣大的空間中運動，天球以外沒有物質、沒有空間，什麼都沒 有。這不是古時候唯一的宇宙理論，卻擁有最多的追隨者。

這就是我從此之後將稱其為「兩球宇宙」的模型。……

兩球宇宙並不是一個真正的宇宙論，而只是宇宙論的結構框 架。但這個結構性的框架容納了自公元前 4 世紀到哥白尼時 代 1900 年間，大量不同且具爭議的天文學和宇宙論方案。（孔 恩，2003，p27）

兩球宇宙的起源已不明確，但是它所具有的說服力根源卻很清 楚，對於球型宇宙的喜好和美學的根據，以及柏拉圖關於對稱性的推 崇，顯示了兩球宇宙的優越性。觀察者位於地球，太陽在恆星天球提 供的背景上進行規律運動，而且只有將地球放在宇宙中心，才能得出 這樣簡化的描述。

圖 2-1：兩球宇宙

兩球宇宙在實際應用上存在著盲點，天空中有五顆星在某些時段 內會做不規則的運行，與其他時段相比，彷彿向後退了，此種行星的

「逆行（retrogression）」現象顯示它們可在空中隨意遊行，因此這五 顆星─水星、金星、火星、木星和土星─被取名為行星（planet，原 意為漫遊者）。許多先哲針對行星問題提出質疑，為了解釋這些無規 律性而做出的不懈努力，造就了具有準確性和說服力的幾種行星理 論。

據說在公元前 4 世紀早期，柏拉圖就曾問道：「通過假設 什麼樣的均勻而有秩序的運動可以解釋行星的視運動呢？」

（孔恩，2003，p54）

圖 2-2：歐多克斯的同心球宇宙模型示意圖

由於兩球宇宙並未提供關於行星位置和運動的訊息，因此柏拉圖 的學生—歐多克斯（Eudoxus of Cnidus，約 410-355 B.C.）發展了「同

心球宇宙」理論（圖 2-2），包含七大星體（太陽、月球與五大行星） 數學家阿波羅尼（Apollonius of Perga，262-190 B.C）和西帕克斯

（Hipparchus，190-120 B.C.）以同心天球的特性為基礎，發展了新的 數學機制，一個稱為本輪（epicycle）的小圓（又可稱作周轉圓），繞 著另一個旋轉的均輪（deferent）（又稱大圓）的圓周上一點，做均勻 速率的旋轉，行星位於本輪上，而均輪的中心就是地球的中心（圖

圖 2-3：本輪—均輪系統

由於觀察者和行星都處在同一個平面上，即黃道面上，所以觀察 者看到的僅僅是行星以黃道作為背景的位置變化（圖 2-5）。所以當行 星從 M1運動到 M2時，看到的行星沿著黃道向東運動，此時為「順 行」；行星接近 M2時，看起來行進變慢了，在位置 2 上停留片刻，我 們便為「留」；當行星從 M2到 M3時，行星向西「逆行」，與其他時 刻運行的方向相反，到達位置 3 時速率變慢又為「留」；離開 M3後行 星向 M₄行進，又回復向東的運動。

圖 2-4：本輪—均輪系統解釋行星逆行。

3 1 4 2

M

E 2 3 4

V

V

V

E

P

P

在這些努力中最傑出的就屬天文學家托勒密（Claudius Ptolemy，

90-168）的工作了，他的《天文學大成（Almagest）》濃縮了古代天文 學的成就，是第一部為所有天體運動提供完整、詳盡和定量解釋的系 統，不僅取代了前人，所有天文學的後繼者都藉由模仿他來開展工 作。「托勒密系統（Ptolemaic system）」是指解決行星問題的一種傳統 天文學方法，不是單指托勒密本人提出的特殊解答。

點上（圖 2-6）。《天文學大成》裡大部分由三角、圖形、公式和證明 組成，充滿複雜的計算和觀測數據表，整合本輪、均輪、偏心圓和偏 心勻速點，設計精巧的系統無人能出其右，是一項令人驚訝的成就。

圖 2-6：偏心圓與偏心勻速點示意圖

幾何中心

偏心勻速點

地球 θ

θ

S

S

S