为什么在中世纪时普遍认可地心说的情况下还能绘制出比较准确的行星轨迹图?

为什么在中世纪时普遍认可地心说的情况下还能绘制出比较准确的行星轨迹图?

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因为“现象”和“本质”是两个议题。尽管我们现在有时会把地心说称为“亚里士多德——托勒密体系”,但是亚里士多德的地心说和托勒密的地心说其实存在着深刻的差异。

亚里士多德更关心本质问题。用我们现在的标准看,亚里士多德的地心说理论更像一种提供理论解释的物理学模型。按照亚里士多德的理论,土元素会向宇宙的中心做自然运动,因此在宇宙中心形成一个球体,这个球体是地球。亚里士多德甚至还考虑过一个思想实验,想象把地球移动到别处,地球也会因为自然运动回归到宇宙的中心。地心说理论再往上追溯,还可以找到柏拉图的《蒂迈欧篇》,但是柏拉图的地心说理论更像是一种宗教和玄学的理论,而亚里士多德的理论则更接近我们熟悉的物理学思考方法。比如我上面介绍的,亚里士多德的地心说理论和物体运动理论是存在内在联系的。亚里士多德的影响力在于他提供了一套完整的世界图景和理论解释,地心说只是其中的一个部分;反过来说,也只有推翻这一整个世界图景才可以推翻日心说。也因此日心说和地心说的差异绝不是调整参考系的差异,因为调整参考系本身就是一个纯数学但完全不具有物理含义的思路。亚里士多德其实意识到各个行星的运动周期并不是匀速的,并且采纳了欧多克斯的同心球理论(简单来说就是一个行星的运动是由多个天球决定的,因此行星的轨迹不是单纯的圆周运动,而是多个圆周运动的组合),但是亚里士多德并没有仔细雕琢理论细节,也没有特别纠结于他的理论体系能否符合天文观测结果。

而托勒密则更加关心天文观测结果,也就是“现象”。托勒密的地心说理论是一种符合天文观测记录的数学模型,至于这个数学模型背后的物理学依据则不是很重要。于是托勒密发展出了偏心圆运动、本轮运动、偏心均速点等一系列非常复杂的数学技巧。这些数学技巧都是为了匹配观测数据(当时代的人称之为“拯救现象”)而发展出来的,并不负责解释物理学本质。托勒密其实在《至大论》中明确讨论过日心说的理论可能性,但是托勒密提出了一个非常经典的反驳意见:如果地球绕日运动那么地球表面的物体就“应该朝着地球自转相反的方向行进”,如果地球向东高速旋转,那么地球表面的物体就会看起来向西运动。这个反驳意见同样是立足于亚里士多德的物理学理论,由此也揭示了如果我们不能同时发展出令人信服的“惯性”理论,就不足以提出日心说理论。

从上面的论述可以看出,亚里士多德的模型和托勒密的模型从一开始就存在明显的裂痕。前者有一套完整理论,但是难以符合观测数据;后者符合观测数据,但是找不到背后的物理学依据。这个裂痕从一开始就为人所知,但是没人可以找到弥合裂痕的方法。和很多人的想象不同,“具备令人信服的物理学解释的数学模型”这个任务其实一直到牛顿的年代都没有完成。牛顿本人就把引力视为一种数学工具,同时明确拒绝解释引力的物理学原理。

所以回到题主的问题,在搞不明白(甚至搞错)物理学本质的情况下,观测自然现象并且制定纯粹用于解释现象的数学模型,是科学史上最普遍的情况。