牛津通识读本：天文学简史 [1]
第二章 古代天文学
现代天文学的开端最初在公元前第三个和第二个千年的史前迷雾中浮现，起始于在埃及和巴比伦发展起来的日趋复杂的文化。在埃及，一个辽阔王国的有效管理依赖于一部得到认可的历法，而宗教仪式要求有在夜间获知时刻以及按基本方向定出纪念物（金字塔）方位的能力。在巴比伦，王位和国家的安全依赖于正确解读征兆，包括那些在天空中被见到的征兆。
因为在太阴月或太阳年中没有精确的日数，同样在一年中也没有精确的月数，所以历法历来是，现在也依然是难以制定的。我们自己月长度的异常杂乱正说明这是自然界向历法制定者提出的一大难题。在埃及，生活为一年一度的尼罗河泛滥所主宰。当人们注意到这种泛滥总是发生在天狼星偕日升前后，也就是当这颗恒星在经历几周的隐匿后再度出现于破晓的天空中时，他们就找到了历法问题的一种解决方案。因此，这颗恒星的升起可以被用来制定历法。
每年由12个朔望月和大约11天构成，埃及人从而制定出一种历法，其中天狼星永远在第12个月中升起。倘若在任一年中，天狼星在第12个月中升起得早，来年就还会在第12个月中升起；但若在第12个月中升起得晚，则除非采取措施，否则来年天狼星将在第12个月过完之后才升起。为了避免这样的事发生，人们就宣布本年有一个额外的或“插入的”月。
这样一种历法对于宗教节庆而言是适宜的，但对于一个复杂的和高度组织化的社会的管理而言则不然。所以，为了民用目的，人们制定了第二种历法。它非常简单，每年都是精确的12个月，每个月由3个10天的“星期”组成。在每年的末尾，人们加上额外的5天，使得一年的总日数为365天。因为这种季节年实际上稍长数小时（这就是为什么我们有闰年），所以该行政历法按照季节缓慢地周而复始，但是为了管理上的方便而采用这样一种不变的模式还是值得的。
因为有36个10天构成的“星期”，所以人们在天空中选用36个星群或“旬星”使得每10天左右有一颗新的“旬星”偕日升起。当黄昏在任一夜晚降临时，许多旬星将在头顶显现；到了夜晚，地平线上将每隔一段时间出现一颗新的旬星，标志着时间的流逝。
天空在埃及的宗教中起着重要的作用，因为在其中神祇以星座的形式出现，埃及人在地球上花费了巨大的人力，以保证统治着他们的法老有朝一日会位列其中。公元前第三个千年，法老的殡葬金字塔几乎精确地按南北方向排列成行，我们从中看到了一些端倪，至于这一排列是如何实现的，已有诸多争论。一个线索来自排列的微小误差，因为这些误差随建造日期而有规律地变化。最近有人提出，埃及人有可能是参照一条虚拟的线，这条线连接两颗特殊的恒星。在所有时间里，这两颗恒星都可以在地平线上见到（拱极星），当该线垂直时，就取朝向这条线的方向为正北。如其如此，由于地轴摆动（称为进动）所致的天北极的缓慢运动就可以解释这种有规律的误差。
埃及人为他们几何学和算术上的原始状态所制约，对恒星和行星的更难以捉摸的运动不甚了了，尤其是他们的算术几乎是无一例外地用分子为1%的分式来运算。
相比之下，在公元前两千年，巴比伦人发展了一套算术符号，这一项了不起的技术成为他们在天文学上获得显著成就的基础。巴比伦的抄写员取用一种手掌大小的软泥版，在上面用铁笔刃口向外侧刻印表示1，平直地刻印表示10，按需要多次刻印，他就可以写出代表从1到59%的数字，但是到60时，他就要再次使用1的符号，就像我们表示10这个数字那样，类似地可以表示60×60，60×60×60，等等。在这个60进制的计数系统中，可以书写的数字的精确性和用途是没有限定的，甚至在今天我们仍然在继续使用60进制来书写角度以及用时、分和秒来计算时间。
巴比伦宫廷官员对所有种类的征兆都保持着警惕——尤为关注的是绵羊的内脏——他们保留着任何一个不受欢迎但接着发生的事件的记录，以便从中吸取经验：当征兆在未来再次发生时，他们就会知道即将到来的灾难的性质（该征兆是一种警示），于是就可以举行适当的宗教仪式。这就促使人们汇编了一部包含7000个征兆的巨著，它成形于公元前900年。
此后不久，为了使他们的预测更为精确，抄写员开始系统地记录天文（及流星）现象。这样的记录延续了7个世纪，太阳、月球和行星运动的周期开始逐渐地从记录中显露。借助于60进制计数法，抄写员设计出运算方法，利用这些周期来预报天体的未来位置。例如，太阳相对于背景星的运动在半年中加速，在半年中减速。为了模拟这种运动，巴比伦人设计了两个方案：或者假定半年采用一个均匀速度，半年采用另一个均匀速度；或者假定半年采取匀加速运动，半年采取匀减速运动。两者都仅仅是对真实情况的人为模拟而已，但他们完成了这项工作。
图2巴比伦人对太阳相对于背景星运动速度的第二套模拟方案的现代表达。其中的数值见于公元前133或前132年的泥版。在这个人为的但却便于运算的表示法中，太阳的速度被想象成在6个月中作匀加速运动，然后在随后的6个月中作匀减速运动。人们发现这一方案的准确性能令人满意。
对于公元前4世纪以前的希腊天文学，我们的知识非常零碎，因为很少有那个时期的记载留传下来，而我们所拥有的，很多是即将被亚里士多德（公元前384——前322）抨击的主张中的引证。但有两个方面引起了我们的注意：首先，人们开始完全按自然的条件来理解自然，而没有求助于超自然；第二，人们认出了地球是个球状体。亚里士多德正确地指出，月食时地球投射在月面上的影子总是圆的，只有当地球是一个球体时，才会如此。
图3埃拉托斯特尼为了测量地球所用的几何学，角度A和B是相等的。
希腊人不仅知道地球的形状，而且埃拉托斯特尼（约公元前276——约前195）还对地球的实际大小做出了相当准确的估计。从那以后，受过少量教育的人都知道地球是球形的。
埃拉托斯特尼对球形地球周线的测量
埃拉托斯特尼相信，在现称阿斯旺[1]的地方，夏至日的正午，太阳位于头顶，而在阿斯旺正北5000希腊里的亚历山大，太阳的位置与太阳直射头顶处的距离为一个圆周的五十分之一。如其如此，则简单的几何学显示，地球的周长是5000希腊里的50倍。希腊里的现代等值是有争议的，但无疑250000希腊里这个值是近似正确的。
看起来，天空也是如此。而且，我们始终看见的正好是天球的一半，因此地球必定是位于天球的中央。于是经典的希腊宇宙模型形成了：一个球形地球位于一个球形宇宙的中心。
在艾萨克·牛顿时代仍被用于剑桥大学教学的亚里士多德多卷著作中，亚里士多德比较了位于宇宙中心的地球区——几乎延伸到远至月球处——和位于其外的天区。在地球区，变化、生死、存灭都在发生。地球在最中心；环绕着地球的是水层，然后是大气层，最后是火层。物体由这些要素按不同比例构成。在没有外力的情况下，物体会按直线运动，或者向着地心或者背离地心，从而使得离地心的距离合乎其元素构成。于是，本质似泥土的石头向着地心坠落，而火焰则向着火球升腾。
紧接着，火球之外就是天区的开始。在天区里，运动是周期性的（从不是直线运动），所以不存在真正的改变。天空最高处是转动着的球层，由不可计数的“固定”恒星构成，之所以说“固定”，是因为恒星的相对位置从不改变。不固定星体的数目正好是7个：月球（明显是所有星体中最近的）、太阳、水星、金星、火星、木星和土星。这些星体相对于固定恒星运动着，并且因为它们的运动是永远变化的（的确，5个较小的星体实际不时地反向运动），所以它们被通称为“流浪之星”或“行星”。亚里士多德的老师柏拉图（公元前427——前348/前347）天生是个数学家，曾视行星为对他的信念（我们生活在一个受规律支配的和谐宇宙中）的一种可能的反驳。但是，这是否也可能表明，行星的运动实际上像恒星的运动一样具有规律，唯一的差别是支配行星运动的规律更为复杂而不是一目了然？
应对挑战的是几何学家欧多克斯（约公元前400——约前347），他为每颗行星设定了一个由三四个同心球构成的叠套系统，用于以数学方法演示行星的运动毕竟是似有规律的。他想象每颗行星位于最内球体的赤道上，该球作匀速转动并携带着行星运动，它的极被认为嵌入边上的球中并被其带动着也作匀速转动。第三个和（就较小行星而言）第四个球的情况也是如此。每个球的转动轴的角度都经过仔细地选择，其转动的速度也是如此。每种情形下，最外层的球产生该行星绕地球的周日轨迹，例如，月球诸球分别按24小时、18.6年和27.2日的周期作匀速转动，所以月球的合成运动反映着所有这三个周期。
对于5颗较小行星中的每一颗而言，其中两个天球的速率相等但方向相反地绕着差别细微的轴转动，因而这些球本身将赋予行星一种呈现8字形的运动，使得由四球叠套而成的整个系统不时地产生向后的运动。
图4 依照欧多克斯的说法，月球运动所展示的数学模式。设想月球位于最内球层的赤道上，该球层每月旋转一周，这个球的极嵌入中层天球，中层天球每18.6年旋转一周，这个周期与交食周期相似，中层天球的极嵌入外层天球，外层天球每天旋转一周。
至此，一切是如此美好。但在这些几何模型中，较小行星的向后运动（逆行）完全有规律地重复着并且明显不重现那种在天空中我们实际所见的行星的乖僻运动。而且，模型迫使每颗行星维持在与中心地球距离恒定的位置上，而在真实世界里，较小行星的亮度以及与我们的距离变化都很大。这样的缺点会