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“希腊化时代的哥白尼”——阿里斯塔克 阿里斯塔克斯(Aristarchos,310—230BC.)生于爱琴海中的萨摩斯岛,曾就学于雅典学园。他不但是一个精细的观察者,而且还是一位天才的理论家。他对宇宙的看法与众不同。他认为太阳和恒星都是不动的,地球和行星围绕着太阳旋转,地球又绕自己的轴每天自转一周。 他还认为,我们在地球上看不出恒星相对位置的变化,是因为恒星与地球的距离比起地球运动的轨道大得多的缘故。阿里斯塔克斯的这种理论与后来的哥白尼的太阳中心说已十分接近。但是他不但不被人所理解,并且当即就认为是渎神,因此他受到了控告。阿里斯塔克斯还有一项历史性的贡献,就是运用几何论证法测定太阳和月球对地球的近似比值。这个方法在理论上很巧妙,但由于仪器和其它因素的限制,测出的数据不够准确。现在我们来介绍这一方法。这一方法是,设太阳、地球、月亮为WTXT S、E、M在月亮正好是半圆时,此时太阳光线直射到月亮上,那么此时的∠EMS=90°,那么△SME是直角三角形。这时,阿里斯塔克斯又利用仪器测得∠MES为87°,再用正弦函数,即可算出太阳到地球(即ES)和地球到月亮(即EM)的比值。他算出的结果是ES:EM≈18~20之间。比值算出后,如果已知月地距离EM,那么MS也就得出。这个方法的原理是如此简明,所以直到1800年还在为天文学家所用。阿里斯塔克斯算出的结果和现代精确的结果相比,相差很大,但他的开创性的工作是很有意义的,他为后来者奠定了牢固的基础。
“地理学之父”——埃拉托色尼 为“地理”命名
埃拉托色尼(Eratosthenes,275—193BC.)生于希腊在非洲北部的殖民地昔勒尼(cyrene,在今利比亚)。他在昔勒尼和雅典接受了良好的教育,成为一位博学的哲学家、诗人、天文学家和地理学家。他的兴趣是多方面的,不过他的成就则主要表现在地理学和天文学方面。 埃拉托色尼曾应埃及国王的聘请,任皇家教师,并被任命为亚历山大里亚图书馆一级研究员。从公元前234年起接任图书馆馆长。当时亚历山大里亚图书馆是古代西方世界的最高科学和知识中心,那里收藏了古代各种科学和文学论著。馆长之职在当时是希腊学术界最有权威的职位,通常授予德高望重、众望所归的学者。埃拉托色尼担任馆长直到他逝世为止,这也说明了他在古希腊学术界享有很高的声誉。 埃拉托色尼被西方地理学家推崇为“地理学之父”,除了他在测地学和地理学方面的杰出贡献外,另一个重要原因是因为他第一个创用了西文“地理学”这个词汇,并用它作为《地理学概论》的书名。这是该词汇的第一次出现和使用,后来广泛应用开来,成为西方各国通用学术词汇。 埃拉托色尼充分地利用了他担任亚历山大里亚图书馆馆长职位之便,十分出色地利用了馆藏丰富的地理资料和地图。他的天才使他能够在占有文献资料的基础上,作出科学的创新。埃拉托色尼在地理学方面的杰出贡献,集中地反映在他的两部代表著作中,即《地球大小的修正》和《地理学概论》二书。前者论述了地球的形状,并以地球圆周计算为著名。他创立了精确测算地球圆周的科学方法,其精确程度令人为之惊叹;后者是有人居住世界部分的地图及其描述。在该书中,他系统地提出了采用经纬网格编绘世界地国的方法,全面地改绘了爱奥尼亚地图。他以精确的测量为依据,将得到的所有天文学和测地学的成果尽量结合起来,因而他所编绘的世界地图不仅在当时具有权威性,而且成为其后一切古代地图的基础。埃拉托色尼的这两部地理著作不幸都失传了,不过通过保存下来的残篇,特别是斯特拉波的引文,后世对它们的内容,以及作者的精辟见解有一定的了解。
丈量地球的周长
关于地球圆周的计算是《地球大小的修正》一书的精华部分。在埃拉托色尼之前,也曾有不少人试图进行测量估算,如攸多克索等。但是,他们大多缺乏理论基础,计算结果很不精确。埃拉托色尼天才地将天文学与测地学结合起来,第一个提出设想在夏至日那天,分别在两地同时观察太阳的位置,并根据地物阴影的长度之差异,加以研究分析,从而总结出计算地球圆周的科学方法。这种方法比自攸多克索以来习惯采用的单纯依靠天文学观测来推算的方法要完善和精确得多,因为单纯天文学方法受仪器精度和天文折射率的影响,往往会产生较大的误差。埃拉托色尼选择同一子午线上的两地西恩纳(Syene,今天的阿斯旺)和亚历山大里亚,在夏至日那天进行太阳位置观察的比较。在西恩纳附近,尼罗河的一个河心岛洲上,有一口深井,夏至日那天太阳光可直射井底。这一现象闻名已久,吸引着许多旅行家前来观赏奇景。它表明太阳在夏至日正好位于天顶。与此同时,他在亚历山大里亚选择一个很高的方尖塔作为日文,并测量了夏至日那天塔的阴影长度,这样他就可以量出直立的方尖塔和太阳光射线之间的角度。获得了这些数据之后,他运用了泰勒斯的数学定律,即一条射线穿过两条平行线时,它们的对角相等。埃拉托色尼通过观测得到了这一角度为7?12′,即相当于圆周角360?的l/50。由此表明,这一角度对应的弧长,即从西恩纳到亚历山大里亚的距离,应相当于地球周长的1/50。下一步埃拉托色尼借助于皇家测量员的测地资料,测量得到这两个城市的距离是5000希腊里。一旦得到这个结果,地球周长只要乘以50即可,结果为25万希腊里。为了符合传统的圆周为60等分制,埃拉托色尼将这一数值提高到252 000希腊里,以便可被60除尽。埃及的希腊里约为157.5米,可换算为现代的公制,地球圆周长约为39375公里,经埃拉托色尼修订后为39360公里,与地球实际周长引人注目地相近。由此可见,埃拉托色尼巧妙地将天文学与测地学结合起来,精确地测量出地球周长的精确数值。这一测量结果出现在2 000多年前,的确是了不起的,是载入地理学史册的重大成果。 此外,《地球大小的修正》一书还包括以下各方面的研究:赤道的长度、回归线与极圈的距离、极地带的范围、太阳和月亮的大小、日地月之间的距离、太阳和月亮的全食和偏食以及白昼长度随纬度和季节的变化等等。这些研究代表了当时地理学发展的高水平。
描绘新的地球
《地理学概论》一书致力于研究有人居住的世界。全书分三卷,第一卷先是一段简短的绪言,对地理学的产生和发展作了历史的回顾,然后着重阐述地球的结构和演变以及水的运动(潮汐、海峡中的海流等);第二卷为数理地理学。主要探讨天空、大地和海洋的形状和结构、地球的区域和地带的划分以及已知世界的范围等问题;第三卷是论述世界地图的改绘,包括一幅新编绘物世界地图以及区域描述。埃拉托色尼的这本书总结了古希腊地理学的成就,标志了这个时期地理学的最高水平,是古代地理学宝库中的一个重要文献。 埃拉托色尼继承和发展了亚里士多德的居住适应地带学说,将世界分为欧洲、亚洲和利比亚(非洲)三大洲和一个热带、两个温带、两个寒带等五个温度带。他改进了亚里士多德的分带法,对五个地带的南北界线,均给予纬度的严格划分。埃拉托色尼的区域和地带的划分,与前辈学者相比,科学性和系统都要强得多。他的地球分带已同现代地理学的“地带”概念相当接近。他确定的回归线位置,与其实际位置(23?30′)仅差半度,其精确性令人为之赞叹!不过,埃拉托色尼关于世界陆地三大洲的划分,与实际情况相差甚大,显然这是受到当时认识论和科学水平的局限。 埃拉托色尼认识到,古老的爱奥尼亚地图必须全面地改绘。他的目标是运用几何学的方法,依据精确的天文学和测地学新数据,来绘制更合理的世界图象。他毫不含糊地屏弃了亚历山大以前的资料,大量采用毕提亚斯远航和亚历山大远征以及其他新近的地理考察的成果。在使用资料时,他并不是一味盲从,而十分注意分析判断,力求去伪存真。例如,他在处理路线测量资料时,考虑了地势起伏和道路弯曲等因素,对资料提供的里程数据,平均减去了1/15,来加以订正,这样就大大提高了地图的精度和资料的准确性。 为了编绘新的世界地图,埃拉托色尼首先估算了有人居住世界的宽度和长度。宽度数值是沿通过亚历山大里亚城的子午线测算出来的,结果是38000希腊里;长度数值则是沿着从赫尔克列斯之位至恒河河口一线来估算的,结果是78 000希腊里。长度线与宽度线组成了地图的基础座标,它们在罗得岛相交,然后,他在这两条基础座标线上,各选了一系列地点,如经线纵座标上的阿罗马提斯(Aromates,今索马里)、麦罗埃(Meroe)、西恩纳、亚历山大里亚、赫勒斯湾、波里斯丹尼河(Borysthene,今第聂伯河河口)和图勒等七处;纬线横座标上的印度河、“里海之门”、幼发拉底河上的塔普萨克(Thapsa-que)、罗马和迦太基(Carthage)等处,分别划出横向的纬线和纵向的经线,组成了地图的经纬网格。埃拉托色尼创立经纬网系统,是地图学发展中的一项重大的突破和飞跃,有着深远的意义,它为投影地图学的出现奠定了基础,是投影地图学取代经验地图学的先驱。 埃拉托色尼在他的基础经纬网之上,还叠加了一套被称为“普林特”框格(Plinthes)和“斯弗拉吉德斯”框格(Sphragides)的几何图形。前者呈长形条带状,后者呈不规则形状。它们组成了地图的第二级网格系统,作为一级经结网格的补充,其作用是便于标明《地理学概论》一书中所描述的各地区的位置和范围。这种将世界划分为不同地区的思维方法,似乎可视为现代地理学术语中的“区划”的雏型。同时,他将地理描述中的分区叙述与地图编绘紧密结合起来,也是一种创新尝试,成为描述地理学与数理地理学相结合的又一种范例。 显然,埃拉托色尼的地理学思想比前辈地理学家更臻成熟。他对地理空间表现了极大的兴趣,不仅因为它是一个地理实体,也不仅因为它是一个包含各种特性的地域,而且因为在地理空间中,存在着特征鲜明的自然环境同改造利用这一环境的社会两者之间的相互联系。埃拉托色尼的地理学著作和成就标志了古代希腊地理学的最高峰和结束。
“天文学之父”—— 希帕库斯 希帕库斯(Hipparchus,190—125BC.)生于毕迪尼亚,他是古希腊著名的天文学家、地理学家、数学家。他曾长期在罗得岛上进行天文观测。可惜他的许多重要著作已遗失。 这位天文学家之父,为方位天文学奠定了稳固的基础。他从古代观测的年误差只有6分钟。他还用视差法,求出月地距离。就是在月食时用月球的视直径和地球影子的直径相比较,从而运用三角形方法计算出月地距离。 希帕库斯还把几个世纪内太阳和月亮的运动编成精密的数学表,用这些表来推算月食和日食。这个工作是以前许多代学者曾经努力,但没能取得成功的。他还为了测量的需要,创造了当时完全不知道的三角学,甚至球面三角学。 大约在公元前130年左右,有一颗新星爆发,这件事促使了希帕库斯编造了西方历史上第一个记载恒星的星表。 他对这些恒星在天球上的位置做了精密的测量,目的是将来有奇异的天象出现时,能够确定其位置,同时也能发现恒星间的相对的运动。事实上他的确通过这一工作发现了恒星运动。希帕库斯制成的这个星表共包含1025颗星,记载了恒星在星座间的分布和它们的亮度。他的后继者托勒密把它抄写在自己的著作里。 希帕库斯不愧为知识上的巨人,他还发现以经纬度测定地球上地点的方法和由极点向赤道面投影的制图法。他将前人的观测和自己的星表相比较,又发现了分点岁差。他指出,这种岁差是由于黄道和赤道的交点缓慢移动所产生的。 希帕库斯给后代留下了大量的行星观测资料和对各个行星的观测数据表,可以说,这是天文界不可多得的宝贵财富。但遗憾的是他一方面奠定了天文学基础,另一方面又为地心说开辟了道路。 他认为,地球是宇宙的中心,日月星辰等每一个天体都有一个轨道,即“本轮”上运动,而这轨道又在一个更大的轨道即“均轮”上围绕地球运动。希帕库斯的这种错误理论指导着从托勒密到第谷的许多杰出天文学家的工作,统治天文学界达1600年之久。所以在天文学之父的希帕库斯身上,我们可以看到双向性结局,这也许是古代天文学上致命的弱点。
“天文圣经”的创造者——托勒密 托勒密(Claudius Ptolemaeus,约90-168),古希腊天文、地理、地图、数学家 。 公元127年,年轻的托勒密被送到亚历山大去求学。在那里,他阅读了不少的书籍,并且学会了天文测量和大地测量。他曾长期住在亚历山大城,直到151年。 托勒密于公元二世纪,提出了自己的宇宙结构学说,即“地心说”。主张地球处于宇宙中心,且静止不动,日、月、行星和恒星均环绕地球运行。托勒密这个不反映宇宙实际结构的数学图景,却较为完满的解释了当时观测到的行星运动情况,并取得了航海上的实用价值,从而被人们广为信奉。托勒密个人声称他的体系并不具有物理的真实性,而只是一个计算天体位置的数学方案。至于教会利用和维护地心说,那是托勒密死后一千多年的事情了。 除了在天文学方面的造诣, 托勒密在地理学上也做出了出色的成就。他认为,地理学的研究对象应为整个地球,主要研究其形状、大小、经纬度的测定以及地图投影的方法等。他制造了测量经纬度用的类似浑天仪的仪器(星盘)和后来驰名欧洲的角距测量仪。托勒密有地理学著作八卷,其中六卷都是用经纬度标明的地点位置表。他的多数地点位置好象都是根据他的本初子午线和用弧度来表现的平纬圈之间的距离来计算的,因为他的经度没有一个是从天文学上测定的,只有少数纬度是这样测定的。托勒密采用了波昔东尼斯测定的地球周长的较小数值,这就使得他所有用弧度表现的陆向距离都夸大了,因为他把每一弧度的距离定为五百希腊里,而不是六百希腊里。这样一来,从欧洲到亚洲横贯大西洋的洋面距离,看上去就比埃拉托斯特尼的计算值小得多,这项计算最后还导致了哥伦布从西面驶往亚洲的企图。 托勒密著有四本重要著作:《天文学大成》(Almagest)、《地理学》(Geography)、《天文集》(Tetrabiblos)和《光学》(Optics)。 《天文学大成》——500年的希腊天文学和宇宙学思想的顶峰——统治了天文界长达13 个世纪。这样一本知识上参差交错且复杂的著作,不是单独一个人所能完成的。托勒密依靠了他的先驱者,特别是希帕库斯,这一点是无须掩盖的。他面对的基本问题是:在假设宇宙是以地球为中心的、以及所有天体以均匀的速度按完全圆形的轨道饶转的前提下,试图解释天体的运动。因为实际天体以变速度按椭圆轨道饶地球以外的中心运动,为了维护原来的基本假设,就要考虑某些非常复杂的几何形状。托勒密使用了3种复杂的原始设想:本轮、偏心圆和均轮。他能对火星、金星和水星等等的轨道分别给出合理的描述,但是如果把它们放在一个模型中,那么它们的尺度和周期将发生冲突。然而,无论这个体系存在着怎样的缺点,它还是流行了1300年之久,直到15世纪才被哥白尼推翻。 托勒密还曾制造了供测量经纬度用的、类似浑天仪的仪器和后来驰名欧洲的角距测量仪。通过系统的天文观测,编出了1000多颗恒星的位置表。
托勒密的地心体系 (1)地球位于宇宙中心静止不动; (2)每个行星和月球都在本轮上等速转动,本轮的中心则沿着均轮运动,只有太阳直接在均轮上绕地球转动,地球不在各均轮的圆心上,而是偏离一段距离; (3)水星和金星在本轮中心位于地球和太阳的联机上,这一联机一年绕地球一周,火星、木星、土星到它们各自的本轮中心的直线总会和日地线平行,这三颗行星每年绕其本轮中心一周; (4)恒星都位于「恒星天」之上; (5)日、月、行星除上述运动外,还与恒星天一起,每天绕地球自东向西转一周。
能推动地球的人—阿基米德 能推动地球的人——阿基米德
阿基米德(Archimedes,约公元前287~212)是古希腊物理学家、数学家,静力学和流体静力学的奠基人。 除了伟大的牛顿和伟大的爱因斯坦,再没有一个人象阿基米德那样为人类的进步做出过这样大的贡献。即使牛顿和爱因斯坦也都曾从他身上汲取过智慧和灵感。他是“理论天才与实验天才合于一人的理想化身”,文艺复兴时期的达芬奇和伽利略等人都拿他来做自己的楷模。
从洗澡的故事说起
关于阿基米德,流传着这样一段有趣的故事。相传叙拉古赫农王让工匠替他做了一顶纯金的王冠,做好后,国王疑心工匠在金冠中掺了假,但这顶金冠确与当初交给金匠的纯金一样重,到底工匠有没有捣鬼呢?既想检验真假,又不能破坏王冠,这个问题不仅难倒了国王,也使诸大臣们面面相觑。 后来,国王请阿基米德来检验。最初,阿基米德也是冥思苦想而不得要领。一天,他去澡堂洗澡,当他坐进澡盆里时,看到水往外溢,同时感到身体被轻轻拖起。他突然悟到可以用测定固体在水中排水量的办法,来确定金冠的比重。他兴奋地跳出澡盆,连衣服都顾不得跑了出去,大声喊着“尤里卡!尤里卡!”。(Fureka,意思是“我知道了”)。
他经过了进一步的实验以后来到王宫,他把王冠和同等重量的纯金放在盛满水的两个盆里,比较两盆溢出来的水,发现放王冠的盆里溢出来的水比另一盆多。这就说明王冠的体积比相同重量的纯金的体积大,所以证明了王冠里掺进了其他金属。 这次试验的意义远远大过查出金匠欺骗国王,阿基米德从中发现了浮力定律:物体在液体中所获得的浮力,等于他所排出液体的重量。一直到现代,人们还在利用这个原理计算物体比重和测定船舶载重量等。 阿基米德的生平 公元前287年,阿基米德诞生于西西里岛的叙拉古(今意大利锡拉库萨)。他出生于贵族,与叙拉古的赫农王有亲戚关系,家庭十分富有。阿基米德的父亲是天文学家兼数学家,学识渊博,为人谦逊。他十一岁时,借助与王室的关系,被送到古希腊文化中心亚历山大里亚城去学习。 亚历山大位于尼罗河口,是当时文化贸易的中心之一。这里有雄伟的博物馆、图书馆,而且人才荟萃,被世人誉为“智慧之都”。阿基米德在这里学习和生活了许多年,曾跟很多学者密切交往。他在学习期间对数学、力学和天文学有浓厚的兴趣。在他学习天文学时,发明了用水利推动的星球仪,并用它模拟太阳、行星和月亮的运行及表演日食和月食现象。为解决用尼罗河水灌溉土地的难题,它发明了圆筒状的螺旋扬水器,后人称它为“阿基米德螺旋”。 公元前240年,阿基米德回叙古拉,当了赫农王的顾问,帮助国王解决生产实践、军事技术和日常生活中的各种科学技术问题。 公元前212年,古罗马军队攻陷叙拉古,正在聚精会神研究科学问题的阿基米德,不幸被蛮横的罗马士兵杀死,终年七十五岁。阿基米德的遗体葬在西西里岛,墓碑上刻着一个圆柱内切球的图形,以纪念他在几何学上的卓越贡献。 阿基米德的科学成就
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