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(yùn)動(dòng)的體系是Eudoxus，他的工作在文〔2〕中保存了一個(gè)梗概，較詳細(xì)的內(nèi)容則見(jiàn)于公元六世紀(jì)時(shí)Simplicius對(duì)亞里士多德(Aristotle)《論天》一書(shū)所作的注釋中。Eudoxus采用一套以地球?yàn)橹行牡耐那蚪M，通過(guò)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(lái)描述天體視運(yùn)動(dòng)。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(gè)世紀(jì)以上。后來(lái)小輪理論大行于世，Eudoxus體系遂湮沒(méi)無(wú)聞。直到十九世紀(jì)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(yùn)動(dòng)，其中對(duì)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(yán)，認(rèn)為只有土、木令人滿(mǎn)意。〔4〕

　　Eudoxus并未提出水晶球的概念。一般認(rèn)為他只是用幾何方法來(lái)表示和計(jì)算天象，不過(guò)這個(gè)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(duì)Eudoxus體系作過(guò)一些改進(jìn)，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?shí)體，并認(rèn)為諸球?qū)咏杂刹簧粶纭⑼耆该鳌⒂膊豢扇说奈镔|(zhì)構(gòu)成，水晶球之名即由此而來(lái)。日月行星和恒星則附著于各自的球?qū)由媳粩y帶著運(yùn)轉(zhuǎn)，整個(gè)宇宙是有限而封閉的，月球軌道以上的部分萬(wàn)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(lái)各自獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)的諸球變成一個(gè)整體，其轉(zhuǎn)動(dòng)皆由最外層的天球傳遞下來(lái)。不過(guò)我們發(fā)現(xiàn)，在Aristotle原著中并沒(méi)有宗動(dòng)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(dòng)天”，并闡述說(shuō)：“第一原理或基本實(shí)是創(chuàng)作第一級(jí)單純永恒運(yùn)動(dòng)，而自己絕不運(yùn)動(dòng)，也不附帶地運(yùn)動(dòng)。……又因?yàn)槲覀円?jiàn)到了所說(shuō)不動(dòng)原始本體所創(chuàng)作的宇宙單純空間運(yùn)動(dòng)以外，還有其他空間運(yùn)動(dòng)——如行星運(yùn)動(dòng)——那也是永恒的。”〔5〕這段話(huà)并不難理解，“不動(dòng)原始本體所創(chuàng)作的宇宙單純空間運(yùn)動(dòng)”即指恒星天球的周日運(yùn)動(dòng)，由此帶動(dòng)其他天球運(yùn)動(dòng)。可見(jiàn)恒星天球之上的宗動(dòng)天當(dāng)是后人所加，這一點(diǎn)值得注意。

　　第三，由于各天球不再是獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)，他不得不引入一系列“平衡天球”來(lái)抵消上一層天球的運(yùn)動(dòng)，“而使每一天球下層諸行星得以回復(fù)其位置”〔6〕。不過(guò)平衡天球?yàn)楹文芊崔D(zhuǎn)，他未說(shuō)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(guó)內(nèi)外著作中都很常見(jiàn)，但這樣做是有問(wèn)題的。在《至大論》中，我們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何水晶球的觀念。他在全書(shū)一開(kāi)頭就表示他的研究將用幾何表示(geometrical demonstrations)之法進(jìn)行。在開(kāi)始討論行星運(yùn)動(dòng)時(shí)他說(shuō)得更明白：“我們的問(wèn)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(yùn)動(dòng)所生成。”〔7〕他把本輪、偏心圓等視為幾何表示，或稱(chēng)為“圓周假說(shuō)的方式”。顯然，他心目中并無(wú)任何實(shí)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(shuō)》在希臘文手稿中僅保存下前一部分，但在九世紀(jì)的阿拉伯譯本中卻有全璧。阿文本中的后一部分通常被稱(chēng)為“假說(shuō)Ⅱ”。其中出現(xiàn)了許多實(shí)體的球，但又與Aristole的體系不同。這里每個(gè)天體有自己的一個(gè)厚球?qū)樱骱駥又g又有“以太殼層”(ether shell)，厚層中則是實(shí)體的偏心薄球殼，天體即附于其上。這里的偏心球殼實(shí)際上起了《至大論》中本輪的作用。〔8〕不過(guò)“假說(shuō)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(shí)體球殼，但與水晶球體系大不相同，因此Ptolemy的名字何以會(huì)與水晶球體系連在一起，和“假說(shuō)Ⅱ”并無(wú)直接關(guān)系。其原因應(yīng)該另外尋找。

　　然而，“假說(shuō)Ⅱ”對(duì)中世紀(jì)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(guò)許多類(lèi)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(duì)《至大論》中的幾何表示之法大為不滿(mǎn)，試圖尋求物理機(jī)制，因而主張類(lèi)似“假說(shuō)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(rèn)為這是前人未得之秘。〔11〕此外還有A1Kazwini、Abu’l Faraj和Al Jagmini等，都詳細(xì)討論過(guò)水晶球體系。

　　“假說(shuō)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(lèi)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(shuō)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(huì)成為教會(huì)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(shuō)全盤(pán)與神學(xué)相結(jié)合。他也寫(xiě)了一部對(duì)《論天》的注釋?zhuān)擅畹貙ristotle的天文學(xué)說(shuō)與《圣經(jīng)》一致起來(lái)。〔14〕并特別引用Ptolemy的著作來(lái)證明地心和地靜之說(shuō)。〔15〕

　　這里必須強(qiáng)調(diào)指出，Aristotle的學(xué)說(shuō)直到13世紀(jì)初仍被教會(huì)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(biāo)志著他的學(xué)說(shuō)得到了教會(huì)官方的認(rèn)可，這也正是Aristotle學(xué)說(shuō)——包括水晶球體系在內(nèi)——成為欽定之時(shí)。這一點(diǎn)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(lèi)的說(shuō)法，而且遞相祖述，這種說(shuō)法有兩方面的問(wèn)題。

　　首先，在13世紀(jì)之前Aristotle和Ptolemy的學(xué)說(shuō)與其他古希臘學(xué)說(shuō)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(jì)獲得欽定地位算起，能起束縛作用的時(shí)間也不到四百年。其次，水晶球體系是Aristotle的學(xué)說(shuō)，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(guò)于簡(jiǎn)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(shí)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(wú)間隙;而后者是天體自身運(yùn)動(dòng)，在空間中劃出軌跡。C.Purbach在1473年已經(jīng)明確指出這一點(diǎn)，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(shí)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(lái)解決具體的天文學(xué)計(jì)算問(wèn)題，這種現(xiàn)象在水晶哉他蔡帚缽袖拋春少前相當(dāng)普諞。

　　二 幾位著名近代天文學(xué)家對(duì)水晶球體系的態(tài)度

　　1.哥白尼在這個(gè)問(wèn)題上的態(tài)度。

　　最近有人提出，哥白尼(Copernicus)主張以太陽(yáng)為中心的—同心水晶球體系。不僅各行星皆由實(shí)體天球攜載，而且諸天球?qū)訉酉嘟樱錆M(mǎn)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(gè)環(huán)。我們認(rèn)為這一說(shuō)法未免穿鑿附會(huì)，很難成立。理由有四：

　　①由于行星與太陽(yáng)的距離有一個(gè)變動(dòng)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(dòng)范圍;又因該圖只是示意圖，也就沒(méi)有必要給出精確的比例。②如果對(duì)圖的解釋有歧義，那顯然原書(shū)的文字論述更重要，但Copernicus在這一章中根本未談到過(guò)實(shí)體天球，文〔21〕全書(shū)的其他部分也沒(méi)有任何這類(lèi)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(shí)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(yùn)行軌道。〔23〕③Copernicus既然主張日心地動(dòng)，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(gè)實(shí)體水晶球所攜載，無(wú)論如何無(wú)法與人們的直接感覺(jué)相一致。除非認(rèn)為地球及其上的萬(wàn)物都被“澆鑄”于水晶球體之內(nèi)，如同琥珀中的小蟲(chóng)那樣才行。④Copemicus在《要釋》中說(shuō)得更明確：“Callipus和Eudoxus力圖用同心球來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但他們未能解釋行星的所有運(yùn)動(dòng)，……因此看來(lái)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(duì)水晶球體系的打擊。

　　第谷(Tycho)并不主張日心地動(dòng)之說(shuō)，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(cè)，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(guò)翌年他發(fā)表其觀測(cè)工作時(shí)，尚未與水晶球體系決裂。〔25〕1577年又出現(xiàn)大彗星，TYcho的觀測(cè)無(wú)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(shí)沒(méi)有任何球體。……當(dāng)然，幾乎所有古代和許多當(dāng)今的哲學(xué)家都確切無(wú)疑地認(rèn)為天由堅(jiān)不可人之物造成，分為許多球?qū)樱祗w則附著其上，隨這些球運(yùn)轉(zhuǎn)。但這種觀點(diǎn)與事實(shí)不符。”〔26〕Tycho反對(duì)水晶球的三條主要理由后來(lái)開(kāi)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(shí)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(shí)際所見(jiàn)者。③火星軌道與太陽(yáng)軌道相割(這是Tycho體系的特點(diǎn))，表明沒(méi)有實(shí)體天球。〔27〕

　　Tvcho對(duì)超新星和彗星的觀測(cè)是那個(gè)時(shí)代對(duì)水晶球教條最有力的打擊。對(duì)于其他反對(duì)理由，水晶球捍衛(wèi)者皆可找到遁詞，比如折射問(wèn)題，可以推說(shuō)天界物質(zhì)未必服從地上的光學(xué)定律;火日軌道相割問(wèn)題可以用否認(rèn)Tycho體系的正確性來(lái)回避;對(duì)日心地動(dòng)說(shuō)與水晶球的不相容也可仿此處理。但對(duì)于Tycho提供的觀測(cè)事實(shí)，就很難回避。S.Chiaramonti為此專(zhuān)門(mén)寫(xiě)了兩部著作(1621，1628)，竟想釜底抽薪，直接否認(rèn)Tycho的觀測(cè)結(jié)果。

　　3。開(kāi)普勒、伽里略和其他人。

　　開(kāi)普勒(Kepler)斷然否認(rèn)有實(shí)體天球，并認(rèn)為行星際空間“除了以太再無(wú)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(dòng)之說(shuō)，他們對(duì)水晶球體系的態(tài)度無(wú)疑是Copernicus學(xué)說(shuō)與水晶球體系不相容的有力旁證之一。

　　這一時(shí)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(duì)水晶球體系。T.Campanella借太陽(yáng)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(lái)反對(duì)世界永恒存在的說(shuō)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(guó)傳播的情況

　　關(guān)于水晶球體系在中國(guó)的情況，李約瑟的說(shuō)法影響很大。他認(rèn)為“耶穌會(huì)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(shuō);這種學(xué)說(shuō)認(rèn)為，宇宙是由許多以地球?yàn)橹行牡耐墓腆w水晶球構(gòu)咸的”，又說(shuō)“存宇宙結(jié)構(gòu)問(wèn)題亡，傳教士們硬要把一種基本上錯(cuò)誤的圖式(固體水晶球說(shuō))強(qiáng)加給一種基本上正確的圖式(這種圖式來(lái)自古宣夜說(shuō)，認(rèn)為星辰浮于無(wú)限的太空)”〔32〕。他的說(shuō)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(shuō)法至少不很全面。

　　眾所周知，耶穌會(huì)土在中國(guó)所傳播的西方天文學(xué)知識(shí)，主要匯集在《崇禎歷書(shū)》中。這部百余卷的巨著于1634年修成之后，很快風(fēng)靡了中國(guó)的天文界，成為中國(guó)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(shū)》之名正式頒行。此書(shū)采用Tyeho的宇宙體系，不僅沒(méi)有采用任何固體水晶球的說(shuō)法，恰恰相反，它明確否定了水晶球體系：

　　問(wèn)：古者諸家日天體為堅(jiān)為實(shí)為徹照，今法火星圈割太陽(yáng)之圈，得非明背昔賢之成法乎?曰：自古以來(lái)測(cè)候所急，追天為本，必所造之法與密測(cè)所得略無(wú)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(huì)士，這又從另一側(cè)面反映出天主教會(huì)欽定的水晶球教條在當(dāng)時(shí)失敗的情形——連教會(huì)自己的天文學(xué)家也拋棄這個(gè)學(xué)說(shuō)了。

　　雖然早期來(lái)華耶穌會(huì)土中利瑪竇(Matthaeus Ricci)和陽(yáng)瑪諾(Emmanuel Diaz)兩人曾在他們的宣傳介紹性小冊(cè)子中傳播過(guò)水晶球之說(shuō)〔34〕〔35〕，但其影響與《崇禎歷書(shū)》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(wèn)題，因此也不被中國(guó)天文學(xué)家所重視。

　　清代中國(guó)天文學(xué)家對(duì)各層天球或軌道是否為實(shí)體有過(guò)熱烈討論。王錫闡主張“若五星本天則各自為實(shí)體”〔36〕，梅文鼎則認(rèn)為“故惟七政各有本天以為之帶動(dòng)，斯能常行于黃道而不失其恒;惟七政之在本天又能自動(dòng)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(guò)水晶球理論的影響，目前還缺乏足夠的史料來(lái)斷言。何況當(dāng)時(shí)“本天”一詞往往被用來(lái)指二維圓環(huán)，即天體軌道。而更多的天文學(xué)家認(rèn)為連這樣的二維軌道也非實(shí)體。焦循說(shuō)：“可知諸論皆以實(shí)測(cè)而設(shè)之。非天之真有諸輪也。”〔38〕江永也承認(rèn)非實(shí)體：“則在天雖無(wú)輪之形質(zhì)，而有輪之神理，雖謂之實(shí)有焉可也。”〔39〕阮元力言實(shí)體論之謬：“此蓋假設(shè)形象，以明均數(shù)之加減而已，而無(wú)識(shí)之徒……遂誤認(rèn)蒼蒼者天果有如是諸輪者，斯真大惑矣!”〔40〕盛百二也說(shuō)：“舊說(shuō)諸天重重包裹皆為實(shí)體，乃細(xì)測(cè)火星能割人日天，金水二星又時(shí)在日上，時(shí)在日下，使本天皆為實(shí)體，焉能出人無(wú)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(rèn)為二維軌道也非實(shí)體，當(dāng)然更不會(huì)接受三維的實(shí)體天球。事實(shí)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(guò)他們自己改進(jìn)的Tycho體系，而不是水晶球體系。

　　Eudoxus的同心球體系被認(rèn)為是數(shù)學(xué)假設(shè)，其本質(zhì)與后來(lái)的小輪體系并無(wú)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(yùn)動(dòng)物理機(jī)制的積極傾向，這種傾向后來(lái)一度在阿拉伯天文學(xué)中有所加強(qiáng)。當(dāng)水晶球體系在14世紀(jì)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(jià)來(lái)沖破它。舉例來(lái)說(shuō)，超新星、彗星和太陽(yáng)黑子，本來(lái)無(wú)論地心說(shuō)還是日心說(shuō)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(guó)之后，如果曾起過(guò)某些作用的話(huà)，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(rèn)為火星與太陽(yáng)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(lái)只是引起了他思路的混亂，因?yàn)樗麑?duì)Tycho宇宙體系的修改是不成功的。〔42〕

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

　　〔30〕T.CampaneHa：《太陽(yáng)城》，陳大維等譯，商務(wù)印書(shū)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(shū)》：五緯歷指卷一。

　　〔34〕利瑪竇：《乾坤體義》卷上。

　　〔35〕陽(yáng)瑪諾：《天問(wèn)略》。

　　〔36〕王錫闡：《五星行度解》。

　　〔37〕梅文鼎：《歷學(xué)疑問(wèn)》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(shū)釋天》卷一。

　　〔42〕江曉原：《科技史文集》，《天文學(xué)史專(zhuān)輯(4)》。