求。 第 宇宙论既要提供心理上满意的世界观，又要提供对于像☑ 出位置的每日变动这样的可观察现象的说明，这种要求极大地 章 增强了宇宙论思想的能力。它已经将在宇宙中寻找家园的普遍 古 冲动，引导到对寻求科学说明的空前热情上来。西方文阴中许 代 多最有特色的成就都基于这些强加于宇宙论思想之上的种种要 的 求的结合。但结合并不总是情投意合的。它道使现代人将构建 两 宇宙论的工作委托给专家，特别是天文学家，他们知道那些详尽 球 的观测细节，而现代宇宙论必须满足它们才能被相信。由于观 宇 宙 察是一把双刃剑，它有可能证实一种宇宙论也有可能与之冲突， 所以这种委托的结果可能是毁灭性的。天文学家有时可能完全 因其专业上的原因摧毁一种世界规，而这种世界观本来使整个 文明的全部成员，不论是专家还是非专家，感到宇宙充满 意义。 与此非常类似的事情就发生在哥白尼革命的过程中。要 理解它，我们自己就必须城为某些方面的专家。尤其是，我们必 须了解那些均可由肉眼看到的最重要的观测事实，西方两大主 要的科学宇宙论，托勒密体系和哥白尼体系，就建立在它们的基 础之上。对天空单一的全景式的眼光是不够的。仰望晴朗的夜 空，天空首先激发的是诗意的想像而并非科学的思考。没有人 在看到夜空时会质疑莎士比亚将星辰比做“夜晚的烛光”，或者 弥尔顿将银河看做“一条宽广的大路，上面的尘土是黄金，铺路 石就是星辰”。但是这些描写都是形象化了的原始宇宙论。它 们并没有为天文学家的问题提供相关的证据：银河、太阳、行星 8 木星的距离有多远？这些光点是怎样移动的？月亮上的物质与 大地上的相同吗，或者与太阳或其他恒星相同吗？对于这 些问题的回答儒要长期积累系统、详细和定量化的观察资 料a 接下来，这一章所要论述的就是有关太阳和恒星的观测问 题，以及这些观察结果对构建古希腊第一个科学宇宙论的作用。 7带
哥 通过描述诺行星，下一章讲完用肉眼观测的天象录，正是这些天 体引起的技术性难题导致了哥白尼革命。 白 太阳的视运动 尼 在公元前两千年末之前（或许还要早一些），苏美尔人和埃 革 及人就已经开始对太阳的运动作系统化的观察。出于这个目 的，它们发明了原始的日晷，它包括一个丈量过的杆子作为指 针，把它垂直地立在平滑的地面上。由于太阳的视位置、指针的 命 尖端和其阴影的尖端在晴天中的每一时刻都成一直线，所以通 过测量阴影的长度和方向完全可以决定太阳的方向。当阴影较 短时，太阳在天空中的高处；当阴影指向东方时，太阳必处于西 方。对指针阴影的重复观察，可以把每日和每年太阳位置变化 的大量普通面模糊的知识系统化、定量化。在古代，这类观察把 太阳利用来作为计时器和日历，这种应用是延续并改善观察技 术的一个重要动机。 指针阴影的长度和方向在每一天缓慢而连续地变化。日 出和日落时阴影最长，此时它大致指向一个相反的方向。白天， 阴影沿着一个对称的扇形渐渐地移动，在绝大多数古代的观察 者可以达到的地方，这个图形都非常像图1所展示的样子。就 像图中所表示的，在不同的日子里扇形的形状是不一样的，但是 它有一个非常有意义的固定特征：在每天指针阴影最短的时刻， 它总是指向同一方向。这个简单的规律性为后来的所有进一步 的天文测量提供了两个基本的参考系：这个由每日最短阴影所 9 呈现的不变的方向被定义为正北方，所有的罗盘都指向这个方 向；这个阴影变为最短的时刻定义了一个时间上的参照点，即地 方正午；两个相继的地方正午之间的间隔定义了一个基本的时 间单位，即视太阳日。在公元前的最后一个千年，巴比伦人、埃 i 及人、希腊人和罗马人使用原始的地面计时器，特别是水钟，进 一步将太阳日分为更小的间隔，从这里演化出了我们今天的时 8
间单位：时、分和秒① 第 古 代 的 两 球 宇 喜分 和 宙 图1.北半球中纬度地区不同季节中指针阴影的每日运动。日出和日落时阴影 瞬间伸展到尤限远处，在图中它的未增与虚线“会合”。在日出和日落中间的时 段，阴影末端沿虚线缓慢移动：正午时阴影总是指向正北方。 由太阳的每日运动所规定的指南针的指向和时间单位，为 描述这种运动的逐日变化提供了基础。太阳总是东升西落，但 是日出的位置、日晷指针阴影在正午时的长度以及白昼时间的 长短随季节的变化而逐日变化（图2）。冬至日（现代历法中的 12月22日)这天，太阳在离地平线上正东点和正西点最远的地 方起落。这一天与其他任何一天相比，白天的时间最短，日晷指 针正午时的阴影最长。冬至过后，日出和日落点一起逐渐沿地 10 平线向北移动，并且正午的指针阴影变短。春分(3月21日) 时，日出与日落点最接近于正东和正西，白天和黑夜长度相等。 再过一段时间，日出和日落点继续向北移动，白天的时间增加， ①从天文学的目的来看，恒星提供了一个比太阳更为便利的计时器。但是， 在由恒星确定的时间尺度上，一年中不同季节里祝太阳日的长度有一分钟左右的变 动。尽管古代天文学家往意到了这个视太阳时微小且重要的不规则性，但我们在此 处忽略它。这种变化的原因和它对于时间尺度的定义的影响将留在技术性附录的 第一部分讨论。 9●
哥 直到夏至日(6月22日)，此时日出、日落点在正东和正西最北 的地方。夏至日白昼持续时间最长，指针正午的阴影最短。夏 白 至过后，日出点重新向南移动，黑夜变长。秋分(9月23日)时， 日出与日落点再度处于正东和正西的位置，然后它继续向南，直 尼 到冬至再临。 亚至 革 喜（秋）分 命 日出 北 正午的影子 S 的 日 图2.日出位置，太阳正午时的高度以及指针阴影季节性变化三者之间的关系。 正像夏至冬至和春分秋分的现代名称所表示的那样，日出 点沿地平线的来回移动对应着季节的循环周期。所以大多数古 代人相信太阳控制着季节。他们同时既把太阳作为神来崇拜， 又把它作为历法的提供者来观察一太阳被看成一个季节推移 的实际指示器，以指导他们的农业活动。像英格兰史前巨石阵 中神秘的巨石结构这样一些史前遗迹，证实了对太阳的这种双 重兴趣的古老和力量。史前巨右阵是一座由早期石器文明时代 的人类用巨大的石头费力建造起来的重要的神殿，有些石头差 不多有30吨重。几乎可以肯定它也是一座原始的天文台。这11 些石头的排列方式，使得处在石阵中心的观察者在古代的仲夏 海0
日即夏至日看到太阳从一块特定位置的石头处升起，这块石头 第 被称为“修道士的脚后跟”(Fiar's Heel)。 季节周期的长度一一个春分点与下一个春分点之间的间 隔一规定了基本的历法单位年，就如同以太阳的每日运动来 古 定义日一样。然而，年是比日更难以测量的单位，并且对于合用 代 的长时段历法的需要将一些持续不断的难题摆在了天文学家的 的 面前，16世纪期间，这些难题中最显著者在哥白尼革命中发挥 两 了直接的作用。古代最早的太阳历是每年360天，这是一个简 球 洁的约整数，正好与苏美尔人六十进制的数字系统相吻合。但 宇 宙 是四季的周期不止360天，所以这些早期太阳历的“元旦日”逐 渐地向前移，由冬到秋、由秋到夏、再由夏到春。这种日历从长 时期来看几乎没有用处，因为一些重要的季节性事件，如埃及尼 罗河的汛期，在接下来的年份中发生的日期越来越晚。为了保 持太阳历与季节同步，埃及人在原先的年份中增加了额外的五 天作为假日季节。 然而，四季的周期并不是一个整数日的时间。一年365天 还是太短了，40年后，埃及历法比实际的季节差去了10天。所 以，当朱利叶斯·凯撒在埃及天文学家的技术帮助下改革历法 时，将每年的长度定为3654天；3个365天的年后接一个366 天的。从公元前45年被引入直到哥白尼死后，这种历法，儒略 历，一直为整个欧洲所使用。但是，实际的一年四季要比365 4 天少11分14秒，以至于到了哥白尼生活的年代春分点从3月 21日退到3月11日。历法改革（见第四、五章）的需求，为天文 学自身的改革提供了一个重要的动机，而且这场带给了西方世 界现代历法的改革是在《天球运行论》发表后39年就开始了。 新的历法由教皇格里高利十三世于1582年在基督教欧洲广大 12 的地区强制推行。新历法规定每四个百年中有三个不置闰。 1600年和2000年是闰年，1700、1800、1900年在儒略历中是闰年 而在格里高利历中只有365天，而且2100年也是一个只有365 11