吴国盛：希腊天文学的起源
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作者简介：吴国盛，清华大学科学史系，北京 100084 吴国盛，1964年生，湖北广济人，清华大学科学史系教授、系主任，研究方向为西方科学思想史、现象学科技哲学。
人大复印：《科学技术哲学》2021 年 02 期
原发期刊：《中国科技史杂志》2020 年第 20203 期 第 397-405 页
关键词：希腊/ 天文学/ 宇宙论/ Greece/ astronomy/ cosmology/
摘要：古典时代的希腊人在天文学方面的成就，不是在观天方面提供更多的数据，而是把天文学造就成为科学。科学的第一个预设是，在表面上多样、复杂、变化的现象背后，有一个单一、简单、恒定的东西起支配作用。希腊天文学以两球宇宙论为基本框架，预设月上天属于恒定不变的领域，天界唯一的运动是均匀圆周运动。在此宇宙论框架下，不规则运动的行星成为问题，匀速圆周运动的叠加成为主要的拯救方案。行星亮度也成为问题，使得同心球理论最终被本轮-均轮模型所取代。
希腊天文学之父希帕克斯创立地心说
观天是人类文明的一大标志。所有的文明，高级的或低级的，都有自己的天文学传统。尽管人类看到的是同一个天空，但却创造了殊为不同的天文学。希腊天文学作为希腊科学传统的突出代表，是天文学作为科学的肇始。本文试追溯它的起源。
1
理性宇宙论：两球宇宙模型
原始天文学至少有三项工作：第一，绘制星空图，包括给恒星命名、组织星座并给星座命名；第二，研究日月五星的运动轨迹，或积累观测资料，或探求周期规律；第三，建立天象影响地界的规则。狭义的天文学指的是前两项，第三项被称为占星学。在历史上的大多数时期和大多数文明中，天文学和占星术不相区分。
希腊文明不是原生文明。它东边的两河文明，东南边的埃及文明，都是更为古老的文明。希腊人从埃及和两河文明那里学到了基本的天文知识，继承了两河文明对星座和天区的划分方式。当然，希腊人对于星座和日月五星使用了自己独特的称呼。太阳被称为赫利俄斯(Helios)，月亮被称为女神赛勒纳(Selene)，水星是信使赫尔墨斯(Hermes)，金星是爱神阿佛洛狄特(Aphrodite)，火星是战神阿瑞斯(Ares)，木星是神王宙斯(Zeus)，土星是神王克洛诺斯(Kronos)。给天体赋予神话色彩，是古代各民族的共同做法。
希腊古典时代也出现了专业的天文观测家，比如喜剧家阿里斯托芬的《鸟》中出现的天文学家默冬(Merton)。据说，默冬在第87届奥运会(公元前432年)上宣布了十九年七闰的历法规则。希腊人不是农耕民族，对太阳周期不太敏感。他们的历法采纳的是纯阴历，即单纯依据月相划分时间，但需要与太阳周期相协调。默冬发现，19个太阳回归年的长度正好等于235个朔望月(6940天)，因此，每19年(若每年12个月，则一共228个月)再加上7个月，就能够把年周期和月周期扯平。
希腊古典时期的天文观测没留下太多的历史记载，希腊人也没有发展出一套独特的占星术。希腊古典时代最重要的天文学工作不是增添了多少天文记录，而是创立了理性宇宙论，从而把天文学变成为一门科学。
在古典时期，其他民族的宇宙论均是神话宇宙论：把天象及其变化看成是神的行为。古典之前的希腊人和其他各民族一样，有自己色彩斑斓的星空神话。但是，从米利都学派开始，一种理性宇宙论出现了。
理性世界观的要害是“自然的发现”[1，2]，而所谓“自然”观不过就是承认事物有其“自己”。理性宇宙论究其实质，是发现了星空自身的逻辑。这个逻辑不依诸神的意志转移，当然也不以人类的意志为转移。
1.1
天球的引入
理性宇宙论的第一个标志是“天球”概念的引入。天球概念反映了对天空的一种确定性和恒久性的理解，这种理解是理性思维的根本标志。在神话宇宙论中，天象的周期性变化并不被看成是同一件事情的周期循环，而是被看成天体周期性的生灭。比如在埃及神话里，太阳神阿蒙-腊有两条船，一条是白天在天河上行驶，一条是晚上在暗河上行驶。有了天球的概念，太阳在天空中的运动就是一个单一的运动。再比如，在有些神话中，星辰每天早上在东方被创造出来，傍晚在西方被毁灭，第二天再次在东方被创造出来。有了天球的概念，天上的星辰就不是每日死而复生，而是保持自己的“同一性”。东升西落，只是它们相对于我们人类而言显得在变化，实际上，作为被镶嵌在天球上的天体，它们自身并不变化。
在缺乏天球概念的许多文化中，人们很长时间不知道晨星和昏星实际上是同一个金星，在希腊神话中就是如此：晨星被称为Phosphorus，昏星被称为Hesperus。但是，到了古典时期，伴随着天球概念的出现，公元前6世纪的毕达哥拉斯学派认识到这是同一颗星[3]①。按照毕达哥拉斯学派的看法，金星出现在太阳的东边(长庚星)还是西边(启明星)是它自身在天际运行的结果。
到了雅典三巨头时代，天球的概念得到了当时学者们的公认。其他民族，埃及也好、两河文明也好、中国文明也好，都没有明确的天球概念。他们或者视天为一个半球，或者认为“天了无质”，根本没有形状可言。
1.2
地球的引入
与天球概念相伴随的是地球概念的出现。地球概念的出现是一个伟大的思想成就。直到20世纪，人类才有可能飞到太空中看到或者拍下大地的整体形状，证实大地的确是一个球体，可是，早在公元前6世纪的毕达哥拉斯学派和巴门尼德已经提出了地球概念。他们之所以能够做到这一点，是因为他们对纯粹理性的信仰和运用。
地球概念当然有一些经验依据。希腊民族是一个海洋民族。海洋民族比较容易感觉到海平面其实并不平。在晴朗的天气下，目送亲友远航的人会注意到，最先消失在眼界中的是船板，而帆和桅杆最后消失。这就说明海面是不平的。如果海面处处都是不平的，那么大地整体上就可能是一个弯曲的形状。然而，这种海上目送的经验，并不足以得出大地为一个球体的结论。
让大地成为地球，首先要有一种看待大地的整体眼光。大地是单数还是复数?大地是有限还是无限的?大地是有形还是无形的?地球概念必定已经假定了：大地是一个单数，是有限的整体，是有明确形状和边界的。这些思想应该来自希腊神话。
天空易于作为整体看待，而大地不然。每一个人都可以获得头顶星空的整体形象：“天似穹庐、隆盖四野”，但大地并不能给人一目了然的形象。在许多古老的神话里，大地之神并不是主神。苏美尔的神话里，地神排在天神、风神、水神、月亮神、太阳神之后。埃及神话里根本没有为大地专设一个神。只有希腊神话才有明确的大地神“盖娅”女神，而且是初始女神：混沌生盖娅，盖娅生诸神。
从神话开始，希腊人就以整体的眼光看待大地。希腊诸神是有形体的。不同于基督教的上帝，希腊诸神与人类同形同性，区别在于一是不死，二是身体完美。神是有形体的，天和地也是有形状的。
米利都学派的泰勒斯最早把大地看成是一个浮在水上的扁平圆盘，阿那克西曼德把大地想象成一个鼓。阿那克西曼德虽然没有提出“地球”概念，但他却已经提出了“天球”概念，从而完成了一个重大的逻辑飞跃：让“地鼓”居于圆球宇宙的中央。不仅如此，他还提出，由于地鼓居于宇宙的中心，因而是不运动的，因为它离天球上每一个天体都保持相同的距离，所以没有任何理由往任何一个地方运动。
居于圆形天球中央的“地鼓”逻辑上应该也是一个球，否则不能满足天球整体上的“球对称”。这一逻辑步骤在毕达哥拉斯学派那里彻底完成。毕氏学派拥有了完整的天球-地球的两球宇宙模型。
亚里士多德在《论天》第二卷中总结了大地球形的三大理由：第一，重物的向心运动达成平稳之后，必成球状，这是理论根据；第二，月食因为地球挡住太阳光而成，而月食的阴影呈弧形，这是一个感觉证据；第三，夜间由北方南行，会有新的星辰从地平线上升起，反之，会从地平线上消失，这是另外一个感觉证据。总之，到了亚里士多德的时代，天球-地球的观念已经成为公认的常识。
天球-地球模型被称为两球宇宙模型，是希腊理性宇宙论的基础。天球的概念代表了天界稳定不变的思想。这个思想，就其具体结论而言，是错误的。按照现代科学的认识，天界其实和地界一样，处在持续的变化之中。但是，就其思维方式而言，恰恰是科学思维方式的源头：科学的目标，本来就在于透过多样、复杂、变化的现象，看到背后单一、简单、不变的本质。对这种“不变性”的诉求，希腊人最早在天空中实现。尽管现代科学打破了希腊人天地二分、地变天不变的思想，但继承了现象-本质二分的思想，追求不变性仍然是现代科学的基本目标，只不过不变的不再是天界，而是天地通行的自然定律。
1.3
cosmos的引入
以天球套地球为基本架构，希腊人为宇宙构思了一个特殊的形象，这就是cosmos。
cosmos这个词一般中文译成“宇宙”，但其实很不贴切。一来西文的universe也译成“宇宙”，“宇宙”没有显示出cosmos和universe的区别；二来没有译出cosmos的内在含义。在希腊文里，cosmos是与chaos(混沌)相对的词，意为“秩序”“和谐”“整体”，中文里其实很难找一个与之相对应的词。现在也有些中国的希腊哲学史家把它音译成“科斯莫斯”。
cosmos有四个相互关联的意思。一是“整体”，表达了希腊人把宇宙看成是一个有限的球形体；二是“秩序”，表示这个有限的球体是有结构的，其中地球居中、其他天球层层相套，构成一个有心秩序；三是“和谐”，表明诸天球之间存在着某种数学上的特定比例；四是“完美”，表现了宇宙本身拥有一个极美的结构和形态：球体是美的，匀速圆周运动也是美的。在这四种意思中，“球”的形象贯穿始终。
希腊人把宇宙看成一个球形，主要是纯粹理性的考虑。比如亚里士多德认为，球体具有最大的包容性(相同的表面积，以球体所包围的体积最大)，因此最适合作为宇宙的形状。巴门尼德认为，球体只有一个表面，是“一”，所以最适合成为唯一宇宙的形状。柏拉图认为，所有的球都高度相似，因此最适合成为神创世界的形状(神是按照自身的样子创造世界的)。
除了这些理由外，球具有严格的“对称性”也是它成为最“美”形状的理由。圆球是希腊人几何偏好的集中体现，反映了古希腊人民独特的审美偏好。古典希腊有许多圆形建筑，比如神庙和剧场。
法国哲学史家韦尔南(Jean-Pierre Vernant，1914-2007)认为，几何主义不仅是希腊科学思想的特点，也是其政治社会思想的特色。几何主义与其他神话和宗教习俗中体现出的古代空间观念形成了强烈的对比[4]。这个思想很有启发性。
几何主义空间观念的特点是同质、平权的平等观念。希腊城邦制度是一种自由民平等相处、公正指向的政治制度。在这种政治制度下，决策和权力分配都要受一种公共的理性制约。这种公共理性是通过自由的平等的分享权力而体现。圆的几何学体现了对称、均衡、平等的政治理念，因而受到希腊人的喜爱。柏拉图在《高尔吉亚篇》中有一段对话谈道：“据博学者说，天和地、神和人相互联系，组成了一个共同体，它包含着友爱、秩序、节制和公正……卡利克勒，你如此渊博，竟没有注意到这一点。你忘记了，几何平等不论对人还是对神都具有强大的威力：所以你才轻视几何。”②由此可见，宇宙的几何构造有其城邦政治制度的渊源。
到了古典时代，cosmos的观念、球形宇宙、天球套地球的观念，已经在希腊城邦文明中深入人心。
2
行星问题
除了希腊人之外，所有民族的天文学与其宇宙论都是脱节的。只有希腊人，把他们的天文学探索与宇宙论密切结合在一起。在埃及和巴比伦，无论天文观测有些什么新的发现，都不会影响他们的神话宇宙观。在中国古代也是一样，对天体运动的观测没有对采纳哪种宇宙论有决定性的影响。中国古代的盖天说、浑天说和宣夜说，从未从天文观测中得到加强或削弱。但是，希腊人的天文学与宇宙论密切互动：一方面，天文学以宇宙论为基本框架；另一方面，宇宙论按照天文观测进行调整。
2.1
理性宇宙论
希腊的理性宇宙论强调两点：第一，天界是稳定而恒久的；第二，宇宙充满了明快的美和秩序。
这两点都不为我们中国古人所认可。在中国文化看来，天地人三才互感互通，因而处在持续的互动和变迁之中。天是一个居支配性的意志存在，了解上天有助于协调和处理人间事务。这正是中国天文学的主要动机：为制定人间的礼治秩序服务。中国的天文学密切关注和记录天空的任何一种微小的变化，然后破解这种种“天象”包含的征兆和预示，以此制定国家政策、决定军国大事。中国天文学是天空博物学、星象解码学、政治占星术。当然，它也服务于普通人的日常生活，为普通人提供关于“天时”方面的指导。总之，中国天文学是“礼学”[5]。
中国天文学的主要目标并不是探究天际的客观规律。由于禀承天人感应的观念，中国人并不相信存在这样的“客观规律”。天象当然是符合天道的，但天道并不是完全独立于“人道”的一个客观的东西。比如，日全食在中国古代被认为是上天对皇帝德性有亏的一种警告，因而具有强烈的伦理含义。如果你认为日全食是一种“不以人们意志为转移”的客观自然现象，那它就起不到对皇帝进行规范的作用。反正好皇帝也好，坏皇帝也好，都会发生日全食。
只有认为天界代表着稳定不变的客观秩序的希腊人，才把他们的天文学变成了科学。
按照现代人的知识，天界实际上是有变化的。希腊人为什么会睁着眼睛说瞎话?实际上，一切的“看”都不是中性的“看”，都是有观念依赖的。人们只可能看见那些他们愿意看见的东西，而看不见他们未准备看到的东西。像太阳黑子从未出现在希腊人的记录之中，他们一定会认为那只是我们的眼睛看花了造成的。新星(新出现的恒星)一定也被他们当成是某种偶然现象而予以忽视。事实上，希腊人把一切来自上天的变化都归结为“大气现象”，认为它们是月下天的现象。彗星、流星、银河、星云，也许还有新星、超新星，都被认为是“气象”。西文气象学一词meteorology的词根meteor在希腊文里，指的就是流星和彗星。
总之，在希腊人看来，上天是完美的、不变化的。所有的星体都固定在天球上，随着天球而匀速转动。天体自身无生无灭、无运动变化。天体只是因为钉在天球上才随着天球运动。严格说来，只有天球运动，没有天体运动。而天球运动，采取了最完美的运动形式：匀速圆周运动，是一切运动中最不像运动的运动。天球的运动没有离开自己的位置，近乎不动。
如果上天只有恒星，而所有的恒星都固定在一个天球上，绕地球做匀速转动，那就万事大吉了。天空秩序井然、大美壮丽，我们除了张着惊讶的嘴仰望星空之外，也无事可做了。所幸或不幸的是，天上还有行星。
2.2
行星成为问题
在人类文明的早期，许多民族已经知道天上除了恒星还有7个特殊的天体：日月金木水火土。这7个天体的特殊在于，它们除了追随其他恒星每天绕地球转一圈之外，它们各自还有一个由西往东的反向周期运动。转得最快的月亮差不多每30天转一圈，太阳的周期差不多365天。金星和水星跟着太阳，虽然在太阳左右晃动(一会儿在东边一会儿在西边)，但平均也是一年绕地球转动一周。火星的周期是687天，木星的平均周期是12年，土星是29年。
问题在于，它们的反向周期运动都是不均匀的。太阳月亮的运动时快时慢。太阳在黄道上的运动，冬天要比夏天更快一些。金木水火土五星除了有时快时慢的问题外，还有逆行。也就是说，它们时而由西向东运动，时而逆行由东往西运动。日月五星7个天体，打乱了希腊宇宙的和谐和秩序，让希腊人大伤脑筋。他们称这7个天体叫做planetes(乱走一气的东西)。中国天文学家将之对译成中国天文学固有的“行星”，实际上并没有准确传达希腊文的语境和原意。需要特别指出的是，在希腊人看来，太阳和月亮也是“行星”，也是有别于恒星的不规矩、乱走一气的东西。
希腊人没有办法把这7个星也说成是大气现象，于是就遭遇了一个最大的问题：既然宇宙是cosmos，是有秩序、完美的整体，为何天上有7个不和谐的东西?这就是行星问题。
正是“行星”成为“问题”，才诞生了科学的天文学。
3
拯救现象：希腊数理天文学的开端
行星既然是“天体”，那就一定会遵循天界的运动法则：以天球的方式匀速圆周运动。现在我们“看到”的行星运动是混乱不规则的，那就说明“现象”和“本质”发生了分裂。我们需要透过现象看本质，这就是“拯救现象”。
3.1
拯救现象纲领
“拯救现象”据说是柏拉图向他的学生们提出来的，但不见于现存的《柏拉图全集》之中。公元6世纪的辛普里丘在他对亚里士多德《论天》的注释(流传至今)中提到，古代有天文学家传说，柏拉图曾经向他学园里的学生们提出了一个问题：“假定行星做什么样的均匀而有序的运动，才能说明它们的表观视运动。”[6]这个问题被后人称为“拯救现象”的研究纲领。
柏拉图学园里的学生欧多克斯(Eudoxus，公元前4世纪)是拯救现象纲领的第一个实践者，因而成为科学的天文学的开创者。
3.2
同心球理论
欧多克斯的方案是采取匀速圆周运动相叠加的方式，来模拟行星的不规则视运动。他让行星固定在一个天球上匀速转动，但是，这个天球的直径并不静止，而是固定在另外一个天球上，并且两个天球的直径成一定的角度。当两个天球同时匀速转动的时候，行星就同时参与了两个不同的匀速圆周运动。两个运动叠加的结果是，行星走一个“8”字形的路径。欧多克斯就这样解释了逆行现象。
把表面上的复杂、无规运动分解成简单、规则运动，这是典型的现代科学方法论。伽利略为了处理地面上复杂的运动，使用的就是这种分解法。比如抛物运动，可以分解成水平的匀速直线运动和垂直的加速运动加以处理。但是，这种科学方法论的创立者和最早实践者是古代希腊的欧多克斯。
欧多克斯的宇宙模型被称为同心球模型，因为行星参与的所有天球运动都有一个共同的球心，不同天球的区别只是在于它们的轴不同。欧多克斯为诸恒星准备了1个天球，为太阳和月亮各准备了3个天球，其他5个行星各准备了4个天球。欧多克斯的宇宙体系由总共27个天球组成。
太阳和月亮既有周日西向运动，又有沿黄道的东向运动，所以需要两个天球。月亮运动不时地偏离黄道，还需要一个球来模拟，所以共3个天球。太阳运动不可能偏离黄道(因为黄道就是根据太阳运动来定义的)，所以并不需要第3个天球。欧多克斯有可能想模拟一下太阳黄道运动的忽快忽慢特征，新加了第3个球。5个行星和日月一样，既有周日西向运动，又有黄道东向运动，故需要两个天球。此外，它们的逆行运动需要两个有轴向差异的天球来联合模拟，所以每个行星需要4个天球来模拟。
欧多克斯的天球体系看起来复杂，却具有清晰的数学简单性。实际上，他可以单独考虑每个行星是否需要再添加天球，以“拯救”那些新发现的不规则性。也就是说，这个体系具有可扩展性：面对新的观测证据，可以内部调整。
欧多克斯的宇宙体系具有现代科学必备的两大要素：第一，拥有一个数学模型，通过这个模型，可以解释也可以预测；第二，解释和预测均可以诉诸观测的检验，如果检验成功，就说明这是一个好的理论模型，如果不成功，就调整理论模型以适应观测。因此，我们可以说，欧多克斯的天文学是第一个真正意义上的科学理论，代表着真正的科学天文学的起源。
3.3
行星亮度问题
像一切科学理论一样，欧多克斯的同心球模型有它的缺陷。它的主要缺陷是它无法解释行星的亮度变化。自古以来，人们就知道月亮和金星的亮度都有明显的变化。在同心球模型中，行星任何时候与处于宇宙中心的地球都保持相同的距离，行星的亮度变化只能归结为行星自身的变化，可是，在希腊人看来，行星作为天体是不可能有任何变化的。如果行星亮度有变化，那也只能是在地球上的人类看起来如此。最好最自然的解决办法就是，让行星离地球的距离发生改变。这样一来，行星亮度问题就成了欧多克斯模型的杀手。
对古代中国人而言，行星亮度根本就不是问题，就像行星逆行不是问题一样。所有的“问题”都来自背后的观念。希腊人的“宇宙”(cosmos)观念为希腊天文学制定了框架，也造就了问题。这些问题又成了推动希腊天文学发展的动力。难怪著名科学哲学家库恩要说，科学的发展一定是在范式之中的发展。没有范式，根本谈不上发展。
欧多克斯的同心球模型因为行星亮度问题而成为一个短命的模型，流行应该不超过半个世纪。他的学生卡里普斯为太阳和月亮各增加了2个天球，为水星、金星和火星各增加1个天球，使天球总数增加到34个。
亚里士多德差不多是欧多克斯的同代人，采纳了他的同心球模型。不过，亚里士多德把欧多克斯的27球宇宙数学模型改造成了一个物理模型。所谓数学模型是说，欧多克斯并不在意这27个球的物理材质是什么，甚至也不在意是否真的存在这27个物理球。物理模型则是说，这些球是物理上真实存在的。亚里士多德认为，有鉴于这些球全部都是层层相套，而且所有外层天球的运动肯定都会以物理的方式传递给内层天球，因此，一个物理上真实的同时又能够拯救现象的宇宙体系，一定要包含一些额外的天球，以抵销外层天球的运动，否则的话，外层天球的所有运动全部都传递给内层天球，行星运动就不可能如同它所是的那样运动。为此，亚里士多德添加了22个天球，主要功能是抵销上层天球的运动，形成了56个天球的同心球体系。由于亚里士多德的巨大权威，后世的宇宙体系都或多或少采纳了他的天球层层相套的同心球模型。
希腊古典时期的天文学和宇宙论更多带有定性色彩。精确定量的解释和预测行星行踪的是在希腊化时期。为了解决行星亮度的变化问题，希腊化时期的天文学家创造了本轮-均轮模型。其基本方案是，行星所在的天球称为本轮，本轮的中心置于另外一个称为均轮的天球之上。当行星同时参与两个天球的转动时，它离宇宙中心的距离会发生变化，这就解释了行星亮度的变化。
本轮-均轮模型在希腊化天文学家托勒密手里发展成了一个博大精深的天文学体系，成为古代世界最伟大的天文学体系。托勒密体系比同心球模型更加复杂，但其工作框架仍然是希腊古典时代发展出来的天球-地球宇宙论。通过天球的正圆运动及其组合来解释行星运动的做法，一直延续到哥白尼，直到开普勒才予以打破。
注释：
①第奥根尼·拉尔修则认为此项发现是由巴门尼德作出的。无论是老普林尼的观点，还是拉尔修的观点，都认可此一发现发生在公元前6世纪。
②柏拉图：《高尔吉亚篇》508A，转引自韦尔南《希腊思想的起源》，第115页。
参考文献：
[1]劳埃德.早期希腊科学[M].第1章，孙小淳译.上海：上海科技教育出版社，2004.
[2]吴国盛.自然的发现[J].北京大学学报(哲学社会科学版)，2008，(2)：59-67.
[3]Pliny the Elder.Natural History II:36-37[M].trans.by John F.Healy.Harmondsworth,Middlesex:Penguin Books,1991.15-16.
[4]韦尔南.希腊思想的起源[M].秦海鹰译.北京：生活·读书·新知三联书店，1996.
[5]吴国盛.科学与礼学：希腊与中国的天文学[J].北京大学学报(哲学社会科学版)，2015，52(4)：134-140.