Ptolemy.

托勒密的天文学大成 Almagest 将古希腊行星理论推向了巅峰。他使用极其复杂的数学模型完善了双球理论(主要是为了满足正圆轨道与旋转速度恒定的形而上学 constraints),并能相当精确的预测各种星象。

首先,托勒密基于 tropical periods 的观测数据 (源自欧多克索斯 Eudoxus of Cnidus,另一位柏拉图的学生),提出了一个符合直觉的宇宙模型:行星轨道按周期长短由近及远排列,形成以地球为中心的同心球层体系——从内到外依次为:月球 (1 个月)、水星 (1 年)、金星 (1 年)、太阳/黄道 (1 年)、火星 (2 年)、木星 (12 年)、土星 (30 年)。

这一排序中,太阳的特殊位置反映了柏拉图对对称性的追求——令其内外各分布三颗行星,而水星在内金星在外的顺序则包含幸运的猜测成分。赫拉克利德斯 提出的埃及系统 Egyption System 则将这两颗行星安排在绕太阳旋转的轨道上。

接下来,为了解释 variation in speed,行星的 retrograde 等问题,托勒密应用了 three artificial constructions:

  • Epicycle => retrograde. Planet rotates on a small circle, while the smaller circle rotates around the larger deferent circle.
  • Eccentric => variation in speed. Place the Earth off-center.
  • Equant => variation in speed. Locate an artificial Centre of Motion about which the speed is uniform.
Ptolemy 在形而上学上完美的地心模型中做了许多 compromises。这是否某种程度上也为后来的日心说做了铺垫呢?
Ptolemy 在形而上学上完美的地心模型中做了许多 compromises。这是否某种程度上也为后来的日心说做了铺垫呢?

此外,托勒密还测算了整个宇宙模型的半径。他先在其著作 行星假说 Planetary Hypotheses 中做出了「宇宙无虚空」的假设:各行星的 epicycle 相切但不重叠 (同样也是相当形而上的假设),在此基础上计算出宇宙半径 $=$ 19,865 倍地球半径。

虽然这一推算并不像埃拉托斯特尼对地球半径的推算那样精准 (现代数据是其 10 倍),但接近 2w 倍地球半径大小的宇宙,还是给当时的人们以巨大的冲击。

Sun leads the dance

托勒密模型中存在一些奇怪的,难以解释的巧合,它们都与太阳有关。

  • 对于 inferior planets 比如金星,水星,它们的轨道在黄道内;地球、本轮圆心 (center of epicycle) 与太阳一定共线:这是为了匹配 limited elongation 的数据。
  • 对于 superior planets 比如火星,木星与土星,它们的轨道在黄道外;本轮圆心-行星线一定平行于地日线:这是为了匹配行星逆行时冲日的数据。
  • 这意味着 inferior planets 的 tropical period 一定是 1 年 (本轮圆心在均轮上旋转同步与太阳在黄道上旋转),且 superior planets 的 epicycle period 一定是 1 年 (行星绕本轮旋转同步与太阳绕地球旋转)。

P.S. 行星的 epicycle period 与 synodic period 并不一致!

这些巧合揭示了太阳的某种特殊地位:地日连接线似乎控制着行星的运动方式。托勒密并未对这种现象作出解释,而之后基督教在吸纳亚里士多德-托勒密体系后简单的称其为「上帝的设计」。至于上帝为什么要如此设计?这就不在人类理解的范畴内了。