一 水晶球體系從形成到成為欽定

　　1.水晶球體系的形成。

　　同心天球體系的概念可以追溯到古希臘的Parmenides，甚至更早的 Pythagoras。〔1〕〔2〕但真正建立起可以定量描述天體運動的體系是Eudoxus，他的工作在文〔2〕中保存了一個梗概，較詳細的內(nèi)容則見于公元六世紀時Simplicius對亞里士多德(Aristotle)《論天》一書所作的注釋中。Eudoxus采用一套以地球為中心的同心球組，通過各球轉(zhuǎn)軸的不同取向以及轉(zhuǎn)速(皆勻速)和轉(zhuǎn)向的不同組合來描述天體視運動。這一體系的建立在小輪理論的奠基人Apollonius之前百余年，比托勒密(Ptolemy)早四個世紀以上。后來小輪理論大行于世，Eudoxus體系遂湮沒無聞。直到十九世紀才有Schiaparelli作了系統(tǒng)研究〔3〕，發(fā)現(xiàn)Eudoxus體系已能描述行星的順、留、逆等視運動，其中對土星、木星很成功，水星亦尚可，金星很差，火星則完全失敗。有的學(xué)者持論稍嚴，認為只有土、木令人滿意?！?〕

　　Eudoxus并未提出水晶球的概念。一般認為他只是用幾何方法來表示和計算天象，不過這個結(jié)論是從Aristotle和Simplieius著作中的第二手材料得出的，由于Eudoxus原著皆已佚失，第一手材料不可得。

　　Callippus對Eudoxus體系作過一些改進，而Aristotle在兩人工作的基礎(chǔ)上建立了水晶球體系。他的發(fā)展大致可歸結(jié)為三方面：

　　首先，他把Eudoxus假想的球?qū)幼優(yōu)閷嶓w，并認為諸球?qū)咏杂刹簧粶纭⑼耆该?、硬不可人的物質(zhì)構(gòu)成，水晶球之名即由此而來。日月行星和恒星則附著于各自的球?qū)由媳粩y帶著運轉(zhuǎn)，整個宇宙是有限而封閉的，月球軌道以上的部分萬古不變。這意味著新星爆發(fā)、彗星、流星等天象只能是大氣層中的現(xiàn)象。

　　第二，Aristotle把Eudoxus原來各自獨立轉(zhuǎn)動的諸球變成一個整體，其轉(zhuǎn)動皆由最外層的天球傳遞下來。不過我們發(fā)現(xiàn)，在Aristotle原著中并沒有宗動天這一球?qū)印Ｋ陌才攀牵?ldquo;第一天為恒星天……恒星天為總動天”，并闡述說：“第一原理或基本實是創(chuàng)作第一級單純永恒運動，而自己絕不運動，也不附帶地運動。……又因為我們見到了所說不動原始本體所創(chuàng)作的宇宙單純空間運動以外，還有其他空間運動——如行星運動——那也是永恒的。”〔5〕這段話并不難理解，“不動原始本體所創(chuàng)作的宇宙單純空間運動”即指恒星天球的周日運動，由此帶動其他天球運動?？梢姾阈翘烨蛑系淖趧犹飚斒呛笕怂?，這一點值得注意。

　　第三，由于各天球不再是獨立轉(zhuǎn)動，他不得不引入一系列“平衡天球”來抵消上一層天球的運動，“而使每一天球下層諸行星得以回復(fù)其位置”〔6〕。不過平衡天球為何能反轉(zhuǎn)，他未說明。

　　2.托勒密與水晶球體系。

　　把托勒密(Ptolemy)的名字和水晶球體系連在一起，這在國內(nèi)外著作中都很常見，但這樣做是有問題的。在《至大論》中，我們沒有發(fā)現(xiàn)任何水晶球的觀念。他在全書一開頭就表示他的研究將用幾何表示(geometrical demonstrations)之法進行。在開始討論行星運動時他說得更明白：“我們的問題是表示五大行星和日、月的所有視差數(shù)——用規(guī)則的圓周運動所生成。”〔7〕他把本輪、偏心圓等視為幾何表示，或稱為“圓周假說的方式”。顯然，他心目中并無任何實體天球，而只是一些假想的空中軌跡。

　　Ptolemy另一部著作《行星假說》在希臘文手稿中僅保存下前一部分，但在九世紀的阿拉伯譯本中卻有全璧。阿文本中的后一部分通常被稱為“假說Ⅱ”。其中出現(xiàn)了許多實體的球，但又與Aristole的體系不同。這里每個天體有自己的一個厚球?qū)樱骱駥又g又有“以太殼層”(ether shell)，厚層中則是實體的偏心薄球殼，天體即附于其上。這里的偏心球殼實際上起了《至大論》中本輪的作用?！?〕不過“假說Ⅱ”在歐洲失傳已久，阿文譯本直到1967年才首次出版;況且其中雖有實體球殼，但與水晶球體系大不相同，因此Ptolemy的名字何以會與水晶球體系連在一起，和“假說Ⅱ”并無直接關(guān)系。其原因應(yīng)該另外尋找。

　　然而，“假說Ⅱ”對中世紀阿拉伯天文學(xué)的影響卻不容忽視。阿拉伯天文學(xué)家曾提出過許多類似水晶球的體系。比較重要的有A1 Bat-tani，他主張Aristotle的體系。〔9〕稍后有Ibnal-Haythan，他對《至大論》中的幾何表示之法大為不滿，試圖尋求物理機制，因而主張類似“假說Ⅱ”中的體系。〔10〕Nasir ad-DinAlTusi則主張一種由許多大小不同的球相互外切或內(nèi)切組成的體系，各球以不同的方向和速度旋轉(zhuǎn)，他自認為這是前人未得之秘?！?1〕此外還有A1Kazwini、Abu’l Faraj和Al Jagmini等，都詳細討論過水晶球體系。

　　“假說Ⅱ”既與《至大論》大異其趣，偏偏又只保存在阿拉伯譯本中，而類似的體系在阿拉伯天文學(xué)中又如此流行，因此有人懷疑“假說Ⅱ”中可能雜有阿拉伯天文學(xué)家的工作。〔12〕這是有道理的。

　　3.水晶球體系成為教條。

　　水晶球體系所以會成為教會欽定的教條，主要和Albertus Magnus及T.Aquinas師徒兩人的工作有關(guān)。Albertus以Aristotle龐大的哲學(xué)體系為基礎(chǔ)，創(chuàng)立丁經(jīng)院哲學(xué)體系。〔13〕Aquinas則幾乎把Aristotle學(xué)說全盤與神學(xué)相結(jié)合。他也寫了一部對《論天》的注釋，巧妙地將Aristotle的天文學(xué)說與《圣經(jīng)》一致起來。〔14〕并特別引用Ptolemy的著作來證明地心和地靜之說。〔15〕

　　這里必須強調(diào)指出，Aristotle的學(xué)說直到13世紀初仍被教會視為異端，多次下令禁止在大學(xué)里講授。此后情況才逐漸改變〔16〕〔17〕，1323年教皇宣布Aquinas為“圣徒”，標志著他的學(xué)說得到了教會官方的認可，這也正是Aristotle學(xué)說——包括水晶球體系在內(nèi)——成為欽定之時。這一點在許多哲學(xué)史著作中都是很清楚的，但在科學(xué)史論著中卻廣泛流行著“亞里士多德和托勒密僵硬的同心水晶球概念，曾束縛歐洲天文學(xué)思想一千多年”〔18〕之類的說法，而且遞相祖述，這種說法有兩方面的問題。

　　首先，在13世紀之前Aristotle和Ptolemy的學(xué)說與其他古希臘學(xué)說一樣，在歐洲還鮮有人知，根本談不到“束縛”歐洲的天文學(xué)思想。即使從14世紀獲得欽定地位算起，能起束縛作用的時間也不到四百年。其次，水晶球體系是Aristotle的學(xué)說，雖然Aquinas兼采了Ptolemy的著作，但若因此就把水晶球的賬攤一份(甚至全部)到Ptolemy頭上，至少是過于簡單化了。特別是在科學(xué)史論著中，更以區(qū)分清楚為妥。

　　事實上水晶球體系與Ptolemy的幾何表示是難以相洽的。前者天球?qū)訉酉嘟樱翢o間隙;而后者是天體自身運動，在空間中劃出軌跡。C.Purbach在1473年已經(jīng)明確指出這一點，為了調(diào)和兩者，他主張一種中空的水晶球殼，其內(nèi)可容納小輪。〔19〕然而理論上的不相洽并不妨礙二者在實際上共存，天文學(xué)家可以一面在總的宇宙圖式上接受水晶球體系，一面用本輪均輪體系來解決具體的天文學(xué)計算問題，這種現(xiàn)象在水晶哉他蔡帚缽袖拋春少前相當普諞。

　　二 幾位著名近代天文學(xué)家對水晶球體系的態(tài)度

　　1.哥白尼在這個問題上的態(tài)度。

　　最近有人提出，哥白尼(Copernicus)主張以太陽為中心的—同心水晶球體系。不僅各行星皆由實體天球攜載，而且諸天球?qū)訉酉嘟?，充滿行星際空間〔20〕，理由是Copernicus那張著名的宇宙模式圖〔21〕多了一個環(huán)。我們認為這一說法未免穿鑿附會，很難成立。理由有四：

　　①由于行星與太陽的距離有一個變動范圍，因此圖中兩環(huán)之間的空間完全可以理解為行星的活動范圍;又因該圖只是示意圖，也就沒有必要給出精確的比例。②如果對圖的解釋有歧義，那顯然原書的文字論述更重要，但Copernicus在這一章中根本未談到過實體天球，文〔21〕全書的其他部分也沒有任何這類主張。相反他一直使用“軌道”(orbital circles)一詞，還談到“金星與火星軌道之間的空間”〔22〕，這些都是與實體密接天球完全不相容的概念。Rosen也曾指出，Copernicus即使使用“sphaeta”、“orbit”等詞，多數(shù)情況下也是指二維圓環(huán)，即天體的運行軌道?！?3〕③Copernicus既然主張日心地動，地球已成行星之一，那么如果設(shè)想既有公轉(zhuǎn)又有自轉(zhuǎn)的地球是被一個實體水晶球所攜載，無論如何無法與人們的直接感覺相一致。除非認為地球及其上的萬物都被“澆鑄”于水晶球體之內(nèi)，如同琥珀中的小蟲那樣才行。④Copemicus在《要釋》中說得更明確：“Callipus和Eudoxus力圖用同心球來解決這個問題，但他們未能解釋行星的所有運動，……因此看來還是使用大多數(shù)學(xué)者最后都接受了的偏心圓和本輪體系為好。”〔24〕

　　2.第谷對水晶球體系的打擊。

　　第谷(Tycho)并不主張日心地動之說，但他卻給水晶球體系以致命打擊。1572年超新星爆發(fā)，他用各種方法反復(fù)觀測，斷定該星必在恒星空間，而按水晶球體系的理論，這種現(xiàn)象只能出現(xiàn)在月球下界。不過翌年他發(fā)表其觀測工作時，尚未與水晶球體系決裂?！?5〕1577年又出現(xiàn)大彗星，TYcho的觀測無可懷疑地表明：該彗星在行星際空間，且穿行于諸行星軌道之間。于是他斷然拋棄了水晶球，發(fā)表了他自己的宇宙新體系(1588)。他明確指出：“天空中確實沒有任何球體。……當然，幾乎所有古代和許多當今的哲學(xué)家都確切無疑地認為天由堅不可人之物造成，分為許多球?qū)?，而天體則附著其上，隨這些球運轉(zhuǎn)。但這種觀點與事實不符。”〔26〕Tycho反對水晶球的三條主要理由后來開普勒(Kepler)曾概述如下：①彗星穿行于諸行星軌道間，故行星際空間不可能有實體天球。②如真有層層水晶球，則必有巨大折射，天象將大異于實際所見者。③火星軌道與太陽軌道相割(這是Tycho體系的特點)，表明沒有實體天球?！?7〕

　　Tvcho對超新星和彗星的觀測是那個時代對水晶球教條最有力的打擊。對于其他反對理由，水晶球捍衛(wèi)者皆可找到遁詞，比如折射問題，可以推說天界物質(zhì)未必服從地上的光學(xué)定律;火日軌道相割問題可以用否認Tycho體系的正確性來回避;對日心地動說與水晶球的不相容也可仿此處理。但對于Tycho提供的觀測事實，就很難回避。S.Chiaramonti為此專門寫了兩部著作(1621，1628)，竟想釜底抽薪，直接否認Tycho的觀測結(jié)果。

　　3。開普勒、伽里略和其他人。

　　開普勒(Kepler)斷然否認有實體天球，并認為行星際空間“除了以太再無別物”〔28〕。伽里略(Galileo)除了嘲笑和挖苦水晶球體系的捍衛(wèi)者，還力斥Chiaramonti著作之謬。〔29〕此兩人皆力主日心地動之說，他們對水晶球體系的態(tài)度無疑是Copernicus學(xué)說與水晶球體系不相容的有力旁證之一。

　　這一時期除了上述四位最重要的天文學(xué)家外，還有不少著名人物也反對水晶球體系。T.Campanella借太陽城人之口表示“他們痛恨亞里士多德……并且根據(jù)一些反常的現(xiàn)象提出了許多證據(jù)來反對世界永恒存在的說法”〔30〕。C.Bruno和W.Gilbert的態(tài)度更為明確，已有人注意到了。〔31〕

　　三 水晶球體系在中國傳播的情況

　　關(guān)于水晶球體系在中國的情況，李約瑟的說法影響很大。他認為“耶穌會傳教士帶去的世界圖式是托勒密-亞里士多德的封閉的地心說;這種學(xué)說認為，宇宙是由許多以地球為中心的同心固體水晶球構(gòu)咸的”，又說“存宇宙結(jié)構(gòu)問題亡，傳教士們硬要把一種基本上錯誤的圖式(固體水晶球說)強加給一種基本上正確的圖式(這種圖式來自古宣夜說，認為星辰浮于無限的太空)”〔32〕。他的說法曾被許多文章和著作引用，但是我們不得不指出，李約瑟的說法至少不很全面。

　　眾所周知，耶穌會土在中國所傳播的西方天文學(xué)知識，主要匯集在《崇禎歷書》中。這部百余卷的巨著于1634年修成之后，很快風(fēng)靡了中國的天文界，成為中國天文學(xué)家研究西方天文學(xué)最重要的材料。1645年，又由清政府以《西洋新法歷書》之名正式頒行。此書采用Tyeho的宇宙體系，不僅沒有采用任何固體水晶球的說法，恰恰相反，它明確否定了水晶球體系：

　　問：古者諸家日天體為堅為實為徹照，今法火星圈割太陽之圈，得非明背昔賢之成法乎?曰：自古以來測候所急，追天為本，必所造之法與密測所得略無乖爽，乃為正法。……是以舍古從今，良非自作聰明，妄違迪哲。〔33〕

　　必須注意，這段論述的作者羅雅谷(Jacobus Rho)和湯若望(J.Adam Shall von Bell)皆為耶穌會士，這又從另一側(cè)面反映出天主教會欽定的水晶球教條在當時失敗的情形——連教會自己的天文學(xué)家也拋棄這個學(xué)說了。

　　雖然早期來華耶穌會土中利瑪竇(Matthaeus Ricci)和陽瑪諾(Emmanuel Diaz)兩人曾在他們的宣傳介紹性小冊子中傳播過水晶球之說〔34〕〔35〕，但其影響與《崇禎歷書》相比是微不足道的。況且他們僅限于談?wù)撚钪鎴D式，而這并不能解決任何具體的天文學(xué)問題，因此也不被中國天文學(xué)家所重視。

　　清代中國天文學(xué)家對各層天球或軌道是否為實體有過熱烈討論。王錫闡主張“若五星本天則各自為實體”〔36〕，梅文鼎則認為“故惟七政各有本天以為之帶動，斯能常行于黃道而不失其恒;惟七政之在本天又能自動于本所，斯可以施諸小輪而不礙”〔37〕。這與Purbach的折衷想法頗相似。王、梅兩人是否受過水晶球理論的影響，目前還缺乏足夠的史料來斷言。何況當時“本天”一詞往往被用來指二維圓環(huán)，即天體軌道。而更多的天文學(xué)家認為連這樣的二維軌道也非實體。焦循說：“可知諸論皆以實測而設(shè)之。非天之真有諸輪也。”〔38〕江永也承認非實體：“則在天雖無輪之形質(zhì)，而有輪之神理，雖謂之實有焉可也。”〔39〕阮元力言實體論之謬：“此蓋假設(shè)形象，以明均數(shù)之加減而已，而無識之徒……遂誤認蒼蒼者天果有如是諸輪者，斯真大惑矣!”〔40〕盛百二也說：“舊說諸天重重包裹皆為實體，乃細測火星能割人日天，金水二星又時在日上，時在日下，使本天皆為實體，焉能出人無礙?”〔41〕值得注意的是，焦循等人皆已領(lǐng)悟了Ptolemy“幾何表示”的思想。這一思想可以上溯到Eudoxus，而Copernicus、Tycho，直到Kepler，皆一脈相承。既然認為二維軌道也非實體，當然更不會接受三維的實體天球。事實上，幾乎所有的清代天文學(xué)家都接受Tycho宇宙體系，或是經(jīng)過他們自己改進的Tycho體系，而不是水晶球體系。

　　Eudoxus的同心球體系被認為是數(shù)學(xué)假設(shè)，其本質(zhì)與后來的小輪體系并無不同，而古希臘數(shù)理天文學(xué)的傳統(tǒng)即發(fā)端于此。Aristotle將其發(fā)展為水晶球體系，卻在很大程度上出于哲學(xué)思辨。但他或許帶有尋求天體運動物理機制的積極傾向，這種傾向后來一度在阿拉伯天文學(xué)中有所加強。當水晶球體系在14世紀成為教條之后，就束縛了天文學(xué)的發(fā)展，以至Galileo等人不得不付出沉重代價來沖破它。舉例來說，超新星、彗星和太陽黑子，本來無論地心說還是日心說都可以接受，但在水晶球體系中就不能容忍。水晶球體系傳人中國之后，如果曾起過某些作用的話，同樣也是消極的。比如王錫闡，他主張?zhí)烨驅(qū)嶓w論，并由此認為火星與太陽軌道相割為不可能，因而試圖修改Tycho體系。如果他是受了水晶球理論的影響，那么這種影響看來只是引起了他思路的混亂，因為他對Tycho宇宙體系的修改是不成功的?！?2〕

　　參考文獻

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　　〔15〕Ptolemy，〔7〕，15，17.

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　　〔17〕B.Russell：《西方哲學(xué)史》，何兆武等譯，550頁.商備印書館，1982。

　　〔18〕李約瑟：《中國科學(xué)技術(shù)史》第四卷，中譯本，115頁，科學(xué)出版社，1975。

　　〔19〕A.Berry，A Short History of Astronomy，Dover，(1961)，Ch.Ⅲ，§68.

　　〔20〕Swerdlow，Neugegauer,〔10〕，P.56，P.474.

　　〔21〕Copernicus，De Revolutionibus，110，GreatBooks Of the Western World.Encvclomedinritannica，(1980)，16，P.526.又，該圖手稿影印件可見〔20〕，572頁。

　　〔22〕Copernicus，〔21〕，110.

　　〔23〕E.Rosen，3 CopernicanTreatises，Dover，(1959)P.11.

　　〔24〕Copernicus，Commentariolus，〔23〕，P.57.

　　〔25〕Tycho，De Nova stella，H.Shapley，H.E.Howarth，A Source Book in Astronomy，Mc-Graw-Hill，(1929)P.13—19.

　　〔26〕Tycho，Opera Omnia，ed.Dreyer，Copehagen，1913—1929，Ⅳ，P~222.Quoted by 〔23〕，P.12.

　　〔27〕Kepler，Epitom Astrohomiae Copernicanae，411，Great Books Of the Western World，Encyclopaedia Britannice，(1980)，16，P·856--857.

　　〔28〕Kepler，〔27〕，P.857.

　　〔29〕Galileo，Dialogo，The Univ.Of Chicago Press，1957.

　　〔30〕T.CampaneHa：《太陽城》，陳大維等譯，商務(wù)印書館，1982。

　　〔31〕李約瑟，〔18〕，P.647-648。

　　〔32〕李約瑟，〔18〕，P.643-646。

　　〔33〕《西洋新法歷書》：五緯歷指卷一。

　　〔34〕利瑪竇：《乾坤體義》卷上。

　　〔35〕陽瑪諾：《天問略》。

　　〔36〕王錫闡：《五星行度解》。

　　〔37〕梅文鼎：《歷學(xué)疑問》卷一。

　　〔38〕焦循：《釋輪》卷上。

　　〔39〕江永：《數(shù)學(xué)》卷六。

　　〔40〕阮元：《疇人傳》卷四十六。

　　〔41〕盛百二：《尚書釋天》卷一。

　　〔42〕江曉原：《科技史文集》，《天文學(xué)史專輯(4)》。