雅典古天文之旅

时间:2022-07-03 11:56:35

2012年7月下旬,在希腊雅典参加第13届中国科学技术史国际会议期间,我们有幸在雅典大学莫萨斯教授的引导下,访古探幽,对雅典的几处古希腊天文遗迹进行了考察。由此对古希腊天文学增加了不少感性认识,同时也激发了对各种古代文明的天文学及它们相互间关系的一些思考。

古希腊文明可谓西方近现代天文学的源头之一。古希腊有默冬(Meton, 公元前5世纪)发现“默冬周期”;有欧多克斯(Eudoxus of Cnidus,公元前408年~前355年)试图用同心球几何模型解释天体运动,继而发展出后来的“本轮—均轮”模型;之后又有喜帕恰斯(Hipparchus of Nicaea,公元前190年~前120年)通过精密的天文观测发现了岁差;最后还有托勒玫(Claudius Ptolemy,90年~168年)集古希腊天文学之大成,著成《至大论》。此书于之后的1000多年中,一直作为西方天文学的经典而影响后世。即便是近代科学革命的前奏——哥白尼提出的“日心说”,也是从古希腊天文学传统中生发出来的。

默冬太阳钟和“默冬周期”

顶着夏日的炎炎骄阳,雅典大学的莫萨斯(Xenophon Moussas)教授带领我们登上了位于雅典卫城之西的普尼克斯山(Pnyx Hill)。登高望远,朝向卫城方向的那面山坡上,是集会的广场,广场西侧背靠山体的是公众集会演讲台,这是古代雅典哲学家和政治家们向公民发表演讲的地方。在讲台后面较高处的朱庇特神坛里的,据说是保护言论自由之神。再往后差不多到最高处,是一个方形基址,莫萨斯教授告诉我们,这是公元前5世纪默冬太阳钟的遗迹。

此方形基址大约4米见方,墙体厚约50厘米。方形对角线一为东西指向, 一为南北指向。莫萨斯教授介绍说,夏至日从这里看过去,太阳会正好从卫城与雅典最高山峰——利卡托斯山之间的山谷升起。出于好奇,我们于次日清晨来到此处观看日出。此时是夏至后一月余,从这天的日出方位来推测,莫萨斯教授说的大抵不错。

由于只剩下基址的痕迹,我们无法推断默冬太阳钟最初的模样。不过关于默冬本人,我们还是了解一些他所做的天文学工作。西方天文学史家认为,默冬通过观测确定了公元前432年6月27日的夏至,并将这一天定为希腊天文历法推算的起点。基于对太阳的长期观测,他还将一年划分为四季,以夏季为始,每季天数不等,分别是90、90、92和93天。我们现在看到的基址,很有可能是当年默冬进行观测的位置。

在默冬的天文成就中,最为后人所熟悉的莫过于“默冬周期”了。所谓“默冬周期”,就是19年周期,即19个回归年中的日数恰好等于235个朔望月中的日数。有了这个周期,就可以较好地安排阳历中回归年和阴历中朔望月的关系。 默冬用下面的算式表达了这一关系:

19回归年=235朔望月=110小月+125大月=6940天

其中小月为29天,大月为30天。

默冬如何发现这一周期,史载不详。一般认为这一发现很可能来自巴比伦天文学。其实,在中国古代,差不多公元前5世纪的春秋战国时代,也已发现“默冬周期”,中国古代将其称为“闰周”。当时中国使用“古四分历”,这是一种阴阳历,以一年为365又4分之1日,一年有大月(30日)、小月(29日)相间的12个历月。为了保持阴历月与阳历年同步,每过几年就要在一年中增加一个月,叫做“闰月”。中国古代天文学家发现,在19年中置7个闰月,正好可以达到阴阳历同步的目的。所以中国的“闰周”本质上就是“默冬周期”。然而这两者到底谁先谁后出现,现在却难以定论。

八风塔和水钟

从雅典卫城下来往南,是一个四面围有廊柱的长方形大广场——古罗马广场。 广场的东侧耸立着一座八角形的塔形建筑,高约14米,径约4米,外观保存良好,在广场建筑遗迹中显得格外引人注目,这就是著名的八风塔。实际上它是集风向标(windvane)、水钟和日晷为一体的建筑,因其顶部八边有八个风神的大理石浮雕像,所以被称为八风塔。该塔建造的时间大约是公元前100年至公元前37年之间,是由一位名叫Andronikos Kyrrhos的马其顿天文学家所修建的,在当时是作为雅典城的公共报时工具。

据古罗马建筑师维特维斯(Marcus Vitruvius Pollio)叙述,塔顶有一个风向标,可以随风转动,指向八面中的一面,由此人们可以确定风向。为什么是八风?这一点在古代中国与古希腊之间居然也有相似之处。中国古代也测风向,并且是“候气”的一部分,叫做“风角”。差不多同时的西汉太史令司马迁,在《史记· 律书》中就说“律历,天所以通五行八正之气”, 这“八正之气”就是西北“不周风”、北方“广莫风”、东北“条风”、东方“明庶风”、东南“清明风”、南方“景风”、西南“凉风”和西方“阊阖风”。 这些与古希腊的八风还真有异曲同工之妙。

在每幅八风浮雕之下均有日晷晷线,晷表早已遗失。有学者认为,当时的晷线应该是使用黑漆喷涂的,这些黑漆后来被风雨逐渐冲刷掉了。从依稀可辨的晷线形状及分布来看,当时对日晷原理的认识已经非常清晰,天文学和几何学都已达到了相当发达的程度,而且已经采用一日24小时制。

日晷只能在晴朗的白天测时,在夜晚或阴天就无能为力了。于是古人发明了水钟来解决计时问题;水钟也叫漏刻,是根据从容器中流出的水量来计时。水钟的传统相当久远,并且存在于各个古老文明之中。现在发现的最早的水钟是碗形的,存在于公元前16世纪的巴比伦和埃及。古代印度和中国也有水钟,中国将其称为漏刻。

雅典城邦特别讲究民主,象征民主的做法之一就是演讲者的演讲时间必须公平分配,所以他们采用碗形的水钟来计量演讲时间。八风塔的水钟设计是比较复杂的,其基本原理是利用注入容器的水的浮力转动带有时钟表面的转轴。这同中国古代通过看浮箭的高度来计时不太一样。这样的设计需要更多的机械学和水力学方面的知识。八风塔水钟原来的构造已经不得而知,不过通过现有的遗迹可以作大体的推测。塔体南侧矗立着高约6米的圆柱形水塔,水从位于卫城北麓的水钟山泉通过高架引水渠引入,然后沿管道进入水钟上端的一个储水池。下端有一个水箱,用以盛放匀速注入的水,水箱注满的时间为24小时。时间通过水面的浮标来显示,浮标的浮力转动钟面。

在古代雅典,这样的水钟早在公元前4世纪就已出现。在卫城西北山麓的古广场,从公元前6世纪起就是雅典城市活动的中心。在古广场的西南角,位于通向普尼克斯山的路上,是公元前4世纪建造的水钟遗迹。这个水钟起初只是一个简单的石制漏壶,壶底有一小铜嘴。当水漏下时,浮标指示时间。到了公元前3世纪,增加了两个辅助水箱,其中之一接受来自主水箱的水并保持水面恒定,此水箱里的水就会以稳定的流速向第二个辅助水箱注水,这样就可以根据注入第二个辅助水箱的水来计时,而不是根据流出主水箱的水计时,因此比较准确。中国古代的三级漏壶也是采用同样的原理。这个水钟在公元前已被拆除。它实际上是八风塔的先驱。

安提凯希拉装置

在古希腊天文学中,为了推算日月五星的运动,采用了非常复杂的“本轮—均轮”几何体系,推到极致,竟有几十个本轮。在古代天文学家看来,如此复杂的体系并不具有物理意义,只不过是用来解释天象的数学模型。但是如此复杂的体系,难道仅是靠笔头的数学演算,而不借助任何工具就能解决的吗?1900年在爱琴海安提凯希拉小岛附近海域发现、并在近年才复原成功的天文数学装置,解开了古希腊天文学计算之谜。

安提凯希拉装置是在1900年至1901年间安提凯希拉附近的一艘罗马沉船中发现的。当时打捞出该装置的82片大小不一的残片,其中三片主要部件陈列于雅典国家考古博物馆的青铜器馆,其余79块较小的残片则保存于该馆的储藏室。考古学家将此装置的制造时间确定为公元前2世纪的下半叶,这一时期正是著名天文学家喜帕恰斯生活的时期。有关该装置的研究在其发现后不久就开始了, 但由于其长期浸泡于海水当中,腐蚀严重,圈环部件粘成一体,分辨不清,所以早期的研究进展缓慢。直到本世纪初,利用现代X射线断层扫描成像技术,才对该装置的组件和精细结构有了清楚的认识,使得对该装置的复原研究取得重大突破。

最近的复原研究发现,该装置实际上是一台天文计算仪,可称得上是“人类第一台计算机”。在雅典的会议上,莫萨斯教授的报告就是向我们介绍对该装置复原研究的最新进展,并展示了复原的安提凯希拉天文仪。该仪器后门板上有一系列天文周期,如沙罗周期、默冬周期均在其列;前门板上刻有黄道和太阳行度,并有指明太阳、月亮乃至行星位置的指针。通过转动前门板上的曲柄至指定的日期,所有通过齿轮和轴承链接起来的指针将同时转动,这些指针就可显示出指定日的天象信息,如月亮的位置和月相、可见的星座、恒星的出没、日月食、行星位置等。这件仪器是古希腊高度发达的几何模型数理天文学的机械化再现。罗德岛的波塞多尼奥斯(Poseidonios)被认为是这台装置的设计者,他和喜帕恰斯都曾在罗德岛上活动。

雅典国家天文台

除了古希腊天文学的遗迹之外,我们还参观了雅典国家天文台。这座天文台修建于1842年,是近代希腊最早的研究机构之一,也是南欧最早的研究机构之一。天文台位于普尼克斯山北面的仙女山(Nymphon Hill)上,正对着卫城和古罗马集镇,由建筑师汉森(Thomas Hansen)设计。天文台最初是由希纳斯(Georgios Sinas,1783年~1856年)捐资修建的,当时定名为雅典天文台。台内的第一座建筑是希纳斯建筑,修建于1846年,呈十字形,四边分别对应着东南西北四个方向。圆形屋顶的设计,便于在内部安置望远镜进行观测。1890年6月,雅典天文台成为希腊政府的研究中心,其名字也改为雅典国家天文台。

德国天文学家施密特(Julius Schmidt,1825年~1884年)曾在这里担任台长,在他领导下进行过7万多次的变星观测,发现了两颗新星。另外,施密特还对火星和木星进行了研究,画出了这两颗行星表面的变化,并对1860年的彗星进行了观测。后来,天文台的研究重点一直是观测天体物理学等。

对古天文学的一些思考

雅典的古希腊天文之旅,对我们研究天文学史有很大的启发。其实,古希腊天文学的最初阶段也和中国古代天文学一样,致力于制定历法,为此对恒星天按星座进行了划分,研究恒星出没规律、长时间地观测太阳运动、发现四季规律等。在此过程中,他们同样采用了代数方法解决问题。然而,欧多克斯使希腊天文学发生了从代数化向几何化的转变,从此转向致力于行星运动的研究。正是沿着这一进路,托勒玫完成了《至大论》。可见,欧多克斯的转变是希腊天文学发展的一个关键。

一个问题是,是什么因素促成了上述转变?为什么中国古代天文学没有发生这样的转变?欧多克斯是受了柏拉图的影响而提出了同心球理论。而纵观整个柏拉图哲学,其目的是透过现象达到真实,通过理论“拯救现象”。

其实,古希腊天文学后来的发展也是沿着“求真”这一进路进行的:宇宙到底是怎样的结构,地球和月亮、行星间的关系如何等等,甚至追溯到“宇宙的第一推动者”那里。从这个意义上来说,古希腊天文学是古希腊哲学思想的一个具体体现。相反,中国古代天文学始终未放弃“致用”这一目标,一直执着于制定历法,满足于准确地预测天象。也正因如此,中国古代没有诞生《至大论》这样的天文学著作,只有各个阶段的历法。

另外,通过对古希腊天文遗迹的考察,我们认识到,古希腊天文学与中国天文学有一些相似之处。如中国早在春秋时期就已使用“默冬周期”;有关水钟的建造和使用,在中国也有悠久的历史。

当然,古希腊天文学和古代中国天文学二者之间的相似点绝不仅这两处。这些相似点是两者之间交流的结果,还是完全出于各自独立的发展,现在这个问题还仅停留在猜测阶段。同样,古希腊天文学和古巴比伦天文学以及后来的伊斯兰天文学之间的交流,也有很多问题值得深入研究。

当我们把视野投向世界的时候,我们的天文学史研究领域也必然有新的拓展。

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