古希臘的科學 (六) 科學的最後守護者

托勒密:地心說的典範

托勒密 (Claudius Ptolemaeus,90年—168年 ) 生於上埃及 (Ptolemais Hermiou)。他總結了古希臘天文學的成就,寫成了《天文學大成》(Almagest) 十三卷。他是地心說 (geocentrism) 的提倡者,以嚴謹的數學體系說明太陽、月亮、行星在天空中的運動軌跡。後世一直把托勒密的宇宙體系奉為圭臬,直到哥白尼 (Nicolaus Copernicus,1473年2月19日—1543年5月24日 ) 的《天體運行論》(De Revolutionibus Orbium Coelestium) 出版後,阿里斯塔克斯的日心說才漸漸重新回到人們的腦袋之中。

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托勒密為了以地心說去解釋行星複雜的運動,引入了均輪和本輪 (deferent and epicycle) 的概念。我們現在知道,地球和其他七大行星一起繞著太陽轉動。因為各行星的軌道速率不同,當地球與其他行星運行至某些相對位置時就會出現所謂的「行星逆行現象」(retrograde motion)。托勒密知道如果地球是宇宙的中心,而且各行星以簡單完美的圓形軌道繞地球運行的話,是不會出現這種逆行現象的。因此,他提出,行星是在附在稱為均輪的主要繞地圓形軌道之上的本輪上,繞這個本輪的圓心運行的,而這一圓心就在均輪上繞地球運行。他以加入不同數量的本輪的方法,成功解釋了當時已知的五顆行星 ( 水星、金星、火星、木星、土星 ) 的運動。

後來,隨著天文觀測數據積累得愈來愈多,也愈來愈準確,人們發現只憑幾個本輪不足描述這些數據。於是,人們就開始加入更加多的本輪。可惜的是,他們始終未能擺脫「天體是完美的,圓形也是完美的,因此天體的運行軌跡必定是圓形的」這一思想,死守愈來愈複雜,偏差也愈來愈明顯的地心說。就這個問題,我與同學曾經研究過均輪和本輪的幾何特性,發現在某些條件下,均輪加上本輪的軌跡根本就是個橢圓形!而橢圓形的幾何學結構,古希臘人早在托勒密之前就已經掌握了。難道他們思考行星的運行軌跡時,沒有一刻閃過「噢!這不就是橢圓形!難道行星的軌跡會是個橢圓形?」這個念頭嗎?

托勒密的體系一直被羅馬天主教延沿用至十七世紀,甚至更近代的時間。所有違反地心說 ( 正確來說應該是「違反聖經教義」) 的理論都會被視為「異端邪說」,提倡者的書會被列為禁書,提倡者及其支持者會被送到宗教法庭審判、處刑。伽利略就是因為證實了地球環繞太陽運行 ( 對,是證實,不只是提倡 ) 而被判為有罪,軟禁至死。幸好克卜勒所在的德國遠離羅馬教廷的影響範圍,他可以自由地發表他的「行星運動三定律」(Kepler’s Laws of Planetary Motions)。後來英國的牛頓在1687年出版他的著作《自然哲學之數學原理》(Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica),證明了太陽與行星之間萬有引力作用的必然結果就是橢圓形軌道。圓形只是橢圓的一個特例而已。

不過,這些都不是托勒密的錯。我們不可以把這個錯誤歸咎於托勒密所提出的地心說。要知道,在托勒密的時代,天文觀測數據不足,而且精確度也很低。想像你是生活在那個時代的人,有兩個理論供你選擇,而且兩個理論解釋觀測結果的準確程度也大致相同。兩個理論的假設也同樣簡單,可是有一個與你的日常經驗一致:每天你都看見日月星辰環繞地球轉動。儘管發現了行星逆行現象,老實說你選擇地心說的機會也不會比日心說的為低吧。所以,雖然托勒密是錯誤的,但他嘗試以合理的數學方法去解釋宇宙這一舉動,卻是值得我們學習的。而且以現代天文學的角度,也不見得哥白尼的日心說正確到哪裡去啊。

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愛奧尼亞:古希臘文明之都

我在這幾篇文章中介紹的學者大都生活於地中海的愛琴海地區,稱為愛奧尼亞文明。當然,我所介紹的只是許多巨人們之中比較著名的,而他們提出的理論對後世的科學發展影響都比較深刻。

當時於埃及的亞歷山卓 (Alexandria) 建了一座曾經是世界上最大的圖書館,叫做亞歷山大圖書館。它由埃及托勒密王朝的國王托勒密一世 (Ptolemy I,約公元前367—283年,注意並非上述的天文學家托勒密 ) 在公元前3世紀所建造,後來慘遭火災,因而被摧毀。兩千多年前它到底是什麼模樣,現在已經無人知曉,現代人們只能從歷史文獻的零星記載中了解,只能從羅馬的「Tiberius Claudius Balbillus」碑文知道它確實存在過。亞歷山大圖書館創建當時大約是中國的竹簡流行,老子、孔子等諸子百家思想開始流傳的年代。

傳說亞歷山大圖書館是希臘的文化知識中心,藏書達七十萬卷,當年托勒密一世更不惜以利誘、欺騙、賠償等方法在世界各地收集書本,可見當時社會對文化知識的重視程度。

亞歷山大圖書館興盛達數百年之久,托勒密時代是它的全盛時期。然而亞歷山大圖書館的消亡卻充滿了神秘。根據為數不多的史料記載,現今人們只知道它先後毀於兩場大火。於公元前47年,凱撒 (Julius Caesar,約公元前100—44年 ) 在征服埃及亞歷山大一戰中,焚燬了位於布魯卻姆 (Brucheium) 的總館,館內珍藏過半被毀。其後安東尼 (Mark Antony,約公元前83—30年 ) 曾將由柏加曼城 (Pergamum) 圖書館掠奪之書籍20萬卷贈予埃及女王克莉歐佩特拉 (Cleopatra,公元前69—30年 ),以賠償凱撒所焚燬之損失,但不久後又再次被毀。

在公元紀元後,亞歷山大圖書館日漸式微,其藏書中的一部分被運至羅馬,以充實羅馬圖書館的館藏。然而,在後來亦毀於三世紀末葉羅馬皇帝奧勒利安 (Aurelian) 統治時期發生的內戰。至公元391年,位於六翼天使神廟的分館也毀於基督教徒之手,亞歷山大圖書館的藏書和建築至今無一倖存。

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隨著西里爾主教 (Cyril,375—444年 ) 指使暴民摧毀亞歷山大圖書館,殘忍地殺死古希臘文明的最後一位捍衛者海芭夏 (Hypatia,350—415年 ) 之後,歷史正式進入代表著人類科學智慧空白時期的「黑暗時代」。隨之而來的是宗教控制人民的思想,由那時起,人們失去了思想、言論、宗教自由。公元415年,西里爾指使暴民把海芭夏從馬車上拖下來,撕掉她的衣服,用鮑魚殼把她的肌肉削下來,並燒毀她的屍體。海芭夏的名字漸漸被世人遺忘,而後來西里爾卻受封為聖徒。這個世界從來就是如此的荒謬,不堪入目。

由海芭夏之死,到哥白尼、伽利略及牛頓的時代,足足有千多年的空白。我們能夠追回這些已經錯失的時間嗎?抑或在此之前,人類就已經自我毀滅了,消失於這個浩瀚無邊的宇宙之中?歷史是我們的鏡子,我們在鏡子裡頭看見自己。

阻礙科學進步的並不是理論本身,而是自我封閉、死守教條的傾向。現代科學的發展步伐,比過去任何一個時代都要來得急促。我寫這篇文章的目的,一方面希望令讀者明白西方文明的源頭;另一方面,我更希望現在的學生,特別是香港的學生,能夠向這些巨人們學習,學習他們的科學精神。

並不是人類的未來靠下一代,而是人類有沒有未來,全看我們如何把知識薪火相傳。

—— 《古希臘的科學》全文完 ——

*本文的封面圖片為拉斐爾 (Raffaello Sanzio) 在1509年所畫的作品《雅典學院》(The School of Athens)。畫裡正中間的兩個人,左邊的是柏拉圖 (Plato),右邊的是阿里士多德。柏拉圖手指向天,認為智慧來自理想形式的世界;阿里士多德手指向地,認為知識應來自觀察及經驗。兩師徒對世界的看法各異,但他們互相尊重。在畫中還畫有畢達哥拉斯、亞歷山大、色諾芬、海芭夏、蘇格拉底 (Socrates)、赫拉克利特、第歐根尼、亞基米德、托勒密和拉斐爾自己等等。

By David Yu

David Yu is the father of Simba and an Astrophysicist. He obtained his PhD in Astrophysics from the Max Planck Institute of Extraterrestrial Physics, Germany. He was formerly a postdoc at the KTH Royal Institute of Technology, Sweden, and is currently a lecturer at the University of Hong Kong. He served as the host of the RTHK TV31 programme Science Night, the Depute Editor-in-Chief of the Taiwanese Science Magazine Physics Bimonthly, and the Science Consultant of Stand News. The books he authored include Dr David’s 21 Mysteries of The Universe (2021), Space – A Down-to-Earth Astrophysicist (2021), Time – A Spacetime Journey of Astronomy and Physics (2019), and Secrets from the Stars (2017).

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