数学史 · 中文镜像

数学家传记

克劳狄乌斯·托勒密Ptolemy

出生
约85年 埃及
逝世
约165年 埃及亚历山大

克劳狄乌斯·托勒密是他那个时代最有影响力的希腊天文学家和地理学家。他提出了太阳系的地心说,该理论盛行了1400年。

完整传记

作为他那个时代最有影响力的希腊天文学家和地理学家之一,克劳狄乌斯·托勒密提出了一种地心说理论,其形式盛行了1400年。然而,在所有古希腊数学家中,可以公平地说,他的著作引发了比其他任何人都更多的讨论和争论。我们将在下面讨论这些争论,因为根据哪些是正确的,它们对托勒密的描绘截然不同。一些历史学家的论据表明托勒密是一位顶级数学家,另一些人的论据表明他不过是一位出色的阐述者,但更糟糕的是,有些人甚至声称他背叛了伦理学和他职业的诚信,从而对他的科学家同行犯下了罪行。

我们对托勒密的生平知之甚少。他在公元127-41年间从埃及的亚历山大进行了天文观测。事实上,我们能确切确定日期的第一次观测是由托勒密于127年3月26日进行的,而最后一次是在141年2月2日进行的。大约1360年,Theodore Meliteniotes声称托勒密出生在Hermiou(位于上埃及,而不是亚历山大所在的下埃及),但由于这一说法首次出现于托勒密生活的一千多年之后,因此必须将其视为相对不太可能为真。事实上,没有证据表明托勒密曾经去过亚历山大以外的任何地方。

他的名字,Claudius 托勒密,当然是希腊埃及的'托勒密'和罗马的'Claudius'的混合。这表明他是一位居住在埃及的希腊家庭的后裔,并且他是罗马公民,这可能是由于一位罗马皇帝将这一'奖赏'授予了托勒密的一位祖先。

我们确实知道托勒密使用了'数学家Theon'所做的观测,而这几乎可以肯定是士麦那的塞翁,他几乎可以肯定是他的老师。这当然说得通,因为士麦那的塞翁既是一位观测者,也是一位数学家,曾撰写过关于、日食、掩星中天等天文学主题的著作。托勒密的大部分早期著作都献给了Syrus,Syrus可能也是他在亚历山大的老师之一,但关于Syrus一无所知。

如果关于托勒密的老师的这些事实是正确的,那么可以肯定在士麦那的塞翁他没有遇到一位伟大的学者,因为士麦那的塞翁似乎并未深入理解他所描述的天文学工作。另一方面,亚历山大里亚有着学术传统,这意味着即使托勒密无法接触到最好的老师,他也能接触到图书馆,在那里他会找到他所充分利用的宝贵参考资料。

托勒密的主要著作流传了下来,我们将在本文中讨论它们。然而最重要的是Almagest(主要论题:来自阿拉伯语“al-majisti”——希腊语“Mathematike Syntaxis”的阿拉伯语翻译,后来译为拉丁语“Magna Syntaxis”),这是一部十三卷的论著。我们应当直接说明,尽管这部著作现在几乎总是被称为Almagest,但那并非它最初的名字。它最初的希腊语标题翻译为The Mathematical Compilation,但这个标题很快被另一个希腊语标题取代,意为The Greatest Compilation。这个标题被翻译成阿拉伯语为“al-majisti”,由此当这部著作从阿拉伯语翻译成拉丁语时,被赋予了Almagest这个标题。

Almagest是托勒密最早的作品,详细给出了太阳、月亮和行星运动的数学理论。托勒密通过给出每颗行星运动的细节,做出了他最原创的贡献。直到尼古拉·哥白尼于1543年在De revolutionibus中提出他的日心说一个世纪之后,Almagest才被取代。Grasshoff在[8]中写道:-

托勒密的《天文学大成》与欧几里得的《几何原本》共享着作为使用时间最长的科学文本的荣耀。从公元二世纪它的构想直到文艺复兴晚期,这部著作将天文学确立为一门科学。在此期间,《天文学大成》不仅仅是一部天文学著作;这门学科被定义为《天文学大成》中所描述的内容。

托勒密非常清楚地描述了自己在写作这部著作时试图做什么(例如见[15]):-

我们将尝试记下我们认为迄今所发现的一切;我们将尽可能简洁地这样做,并以那些已在该领域取得一些进展的人能够遵循的方式。为了我们论述的完整性,我们将按适当顺序列出对天体理论有用的一切,但为了避免不必要的冗长,我们只叙述古人已充分确立的内容。然而,那些我们的前辈完全没有处理过、或处理得不如本可以的那样有用的主题,我们将尽我们所能详细讨论。

托勒密首先为他基于亚里士多德所描述的地心体系的宇宙描述进行辩护。这是一种基于固定地球的世界观,恒星天球每天绕地球旋转,并带动太阳、月亮和行星的天球。托勒密使用几何模型来预测太阳、月亮和行星的位置,使用被称为epicycles的圆周运动的组合。建立了这个模型之后,托勒密接着描述他在其余著作中所需的数学。特别是他引入了基于弦函数Crd的三角学方法(弦函数通过sina=1120\sin a = \large\frac{1}{120}\normalsize(Crd 2aa)与正弦函数相关)。

托勒密设计了新的几何证明和定理。他利用圆的弦和一个内接360边形,得到了近似值

π=317120=3.14166\pi = 3\large\frac{17}{120}\normalsize = 3.14166

并且,利用 √3 = 弦 60°,

3=1.73205.√3 = 1.73205.

他使用了与我们的 sin(a+b)\sin(a + b)sin(ab)\sin(a - b) 公式类似的 Crd 函数公式,来制作一份以 12\large\frac{1}{2}\normalsize 度为间隔的 Crd 函数表。

他尤其以THIS LINK处的定理闻名,他用该定理推导出了上述加法公式。

这占据了 Almagest 十三卷中的前两卷,然后,再次引用导言,我们给出 托勒密 自己对他在该著作中打算如何展开其余数学天文学内容的描述(例如见 [15]):-

[在引入数学概念之后]我们必须逐一讨论太阳和月球的运动,以及伴随这些运动的现象;因为如果不首先掌握这些事项,就不可能彻底考察恒星的理論。我们这种进路的最终任务是恒星的理论。在这里,也宜先处理所谓‘恒星’的球,然后再处理那五颗所谓的‘行星’。

在考察太阳理论时,托勒密 将他本人对 二分点 的观测与 喜帕恰斯 的观测以及公元前 432 年 Meton 的更早观测进行了比较。他确认 回归年 的长度为比 36514365\large\frac{1}{4}\normalsize 日少 1300\large\frac{1}{300}\normalsize 日,这正是 喜帕恰斯 所得到的精确值。由于正如 托勒密 本人所知,他其余数据的准确性在很大程度上取决于这个值,而真实值比 36514365\large\frac{1}{4}\normalsize 日少 1128\large\frac{1}{128}\normalsize 日这一事实确实在其余工作中产生了误差。我们将在下文更详细地讨论针对 托勒密 提出的指控,但这清楚地说明了这些指控的理由,因为 托勒密 必须在其分点观测中有 28 小时的误差才能产生这一误差,而即使考虑到古代仪器和方法所能期望的精度,他竟会犯下如此量级的误差,本质上也是令人难以置信的。对这一奇怪误差的良好讨论包含在优秀文章 [19] 中。

基于他对solstices和分点的观测,托勒密发现了季节的长度,并基于这些,他提出了一个简单的太阳模型,即均匀角速度的圆周运动,但地球不在圆的中心,而是在距此中心一个称为偏心距的距离处。这个太阳理论构成了Almagest第3卷的主题。

在第4卷和第5卷中,托勒密给出了他的月亮理论。在这里,他遵循喜帕恰斯,后者研究了三个可以与月亮运动相关联的不同周期。有月亮返回到相同经度所需的时间,返回到相同速度(异常)所需的时间,以及返回到相同纬度所需的时间。托勒密还像喜帕恰斯所做的那样,讨论了朔望月,即太阳和月亮连续对当关系之间的时间。在第4卷中,托勒密给出了喜帕恰斯的月亮运动本轮模型,但他注意到,正如事实上喜帕恰斯自己已经做的那样,模型与观测参数之间存在小的差异。尽管注意到了这些差异,喜帕恰斯似乎没有制定出更好的模型,但托勒密在第5卷中做到了这一点,在那里他给出的模型显著改进了喜帕恰斯提出的模型。关于托勒密月亮理论的有趣讨论见[24]。

在给出太阳和月球运动的理论之后,托勒密 已能够应用这些理论来获得食的理论,他在第 6 卷中就是这样做的。接下来的两卷讨论恒星,而在第 7 卷中 托勒密 利用他自己的观测以及 喜帕恰斯 的观测来证明他的信念:恒星彼此之间始终保持相同的位置。他写道(例如见 [15]):-

如果将上述对齐方式与喜帕恰斯天球仪上构成星座的图样进行比对,他会发现,根据他所记录的,在喜帕恰斯时代所作的观测在天球仪上得出的相关恒星位置,与现在几乎相同。

在这两卷书中,托勒密还讨论了岁差,他将其发现归功于喜帕恰斯,但他的数字有些错误,主要是因为他所使用的回归年长度有误。第7卷和第8卷的大部分内容都用于介绍托勒密的星表,其中包含一千多颗恒星。

Almagest的最后五卷讨论行星理论。就原创性贡献而言,这必定是托勒密最伟大的成就,因为在Almagest之前,似乎没有任何令人满意的理论模型来解释五颗行星相当复杂的运动。托勒密结合了本轮和eccentric methods,给出了他的行星运动模型。因此,行星PP的路径由本轮上的圆周运动组成,本轮的中心CC绕一个圆运动,该圆的中心偏离地球。托勒密在这里真正巧妙的创新是使CC的运动不是围绕它所绕圆的中心均匀,而是围绕一个称为等分点的点均匀,该点对称地放置在中心与地球相对的一侧。

托勒密在这里发展的行星理论是一部杰作。他创造了一个精密的数学模型来拟合观测数据,而在托勒密之前,这些数据还很稀少;他建立的模型虽然复杂,却相当好地表示了行星的运动。

Toomer在[1]中对Almagest总结如下:-

作为一部教学著作,《天文学大成》在清晰性和方法上是一部杰作,优于任何古代科学教科书,在任何时代都鲜有匹敌者。但它远不止于此。它并非像有时被描述的那样仅仅是对早期希腊天文学的‘系统化’,在许多方面它是一部原创性著作。

在简要评论托勒密的其他著作之后,我们将回头讨论一些针对他的指责。他将散布于Almagest各处的表格单独出版,题为Handy Tables。然而,这些表格并非仅仅从Almagest中摘录而来,托勒密在它们的呈现方式、易用性方面做了大量改进,他甚至改进了基本参数以提高精度。我们仅通过亚历山大的席恩的评注才知道Handy Tables的细节,但在[76]中,作者表明需要谨慎,因为亚历山大的席恩并未完全了解托勒密的方法。

托勒密还做了许多撰写深奥科学著作的作家曾经做过、并且仍在做的事:以Planetary Hypothesis为题写了一个通俗的成果介绍。这部著作分两卷,同样遵循读者所需数学技能较低的常见路子。托勒密做得相当巧妙,他用机械理论代替抽象的几何理论。托勒密还写了一部关于占星术的著作。对现代读者来说,一个写出如此优秀科学著作的人竟然写占星术,可能显得奇怪。然而,托勒密的看法颇为不同,因为他声称Almagest使人能够求出天体的位置,而他把自己的占星术著作看作一部姊妹作,描述天体对人生活的影响。

在一本名为Analemma的书中,他讨论了构造日晷所需角度的求法,这涉及天球上点的投影。在Planisphaerium中,他关注的是天球在平面上的球极投影。这在[48]中有所讨论,其中写道:-

在托勒密于⟦E1⟧中处理的球极投影中,天球通过从南极投影映射到赤道平面上。托勒密没有证明球面上的圆在平面上成为圆这一重要性质。

托勒密的主要著作Geography共八卷,试图绘制已知世界的地图,给出主要地点的纬度和经度坐标。托勒密给出的地图在许多地方相当不准确,这并不奇怪,因为不能指望他做得比利用现有数据更多,而这些数据对于罗马帝国以外的任何地方来说质量都非常差,甚至罗马帝国的部分地区也严重失真。在[19]中,托勒密被描述为:-

……一个在没有发达理论支持的情况下工作[于地图制作]的人,但身处数学传统之中,并由他对问题适宜性的感觉所引导。

另一部关于Optics的著作共五卷,在其中托勒密研究了颜色、反射、折射以及各种形状的镜子。Toomer在[1]中评论道:-

通过实验建立理论,常常通过构造特殊仪器,是托勒密的《光学》最显著的特征。无论主题内容主要是派生还是原创,《光学》都是一个令人印象深刻的例子,展示了数学科学的发展对物理数据的适当关注,并且配得上《天文学大成》的作者。

在[14]中给出了一种英译,试图消除糟糕的阿拉伯语翻译中引入的不准确之处,而该阿拉伯语翻译是我们Optics的唯一来源。

第一个对托勒密提出指责的是第谷·布拉赫。他发现星表中的恒星经度存在一度左右的系统误差,并声称,尽管托勒密说这代表了他自己的观测,它只不过是把一份归于喜帕恰斯的星表按岁差改正到托勒密的时代。当然,比较两份星表存在确定的问题,其中一份我们还有副本,而另一份已经失传。

皮埃尔·西蒙·拉普拉斯拉朗德的评论之后,下一个猛烈攻击托勒密的是让·巴蒂斯特·约瑟夫·德朗布尔。他提出,错误可能来自喜帕恰斯,而托勒密可能除了未能根据二分点和二至点之间的时间校正喜帕恰斯的数据之外,没有犯更严重的错误。然而让·巴蒂斯特·约瑟夫·德朗布尔接着说道(见[8]):-

人们可以用一种不那么有利但更简单的方式解释一切:否认托勒密观测了恒星和二分点,并声称他从喜帕恰斯那里吸收了一切,使用了后者关于岁差运动的最小值。

托勒密绝非没有支持者,进一步的分析使人们相信让·巴蒂斯特·约瑟夫·德朗布尔对托勒密的指控是错误的。Boll在1894年写道[4]:-

从一切表象来看,人们将不得不归功于托勒密,因为他在其杰出的前辈之后,对希腊天穹给出了本质上更丰富的图景。

Vogt在其重要论文[77]中清楚地表明,通过考虑喜帕恰斯Commentary on Aratus and Eudoxus,并作出合理假设,即其中给出的数据与喜帕恰斯的星表一致,那么托勒密的星表不可能根据喜帕恰斯给出的恒星位置产生,除了少数几颗恒星,托勒密似乎确实从喜帕恰斯获取了数据。Vogt写道:-

这使我们能够将恒星表视为他自己制作的,正如托勒密本人强烈声明的那样。

最近针对托勒密的伪造指控来自艾萨克·牛顿,见[12]。他在本书开头明确陈述了自己的观点:-

这是一个科学犯罪的故事。……我指的是一个科学家对同行科学家和学者犯下的罪行,是对其职业伦理和诚信的背叛,永远剥夺了人类关于天文学和历史一个重要领域的基本信息。

在结尾处,牛顿声称证明了托勒密在Almagest中所声称的每一项观测都是伪造的,他写道[12]:-

[托勒密]发展了某些天文学理论,并发现它们与观测不一致。他没有放弃这些理论,而是故意根据理论伪造观测,以便声称观测证明了他的理论的有效性。在所有已知的科学或学术环境中,这种做法被称为欺诈,是对科学和学术的犯罪。

尽管第谷·布拉赫让·巴蒂斯特·约瑟夫·德朗布尔、牛顿等人提供的证据确实表明托勒密的错误并非随机,但我[EFR]认为,[12]中的最后一段引文是对托勒密的犯罪(用牛顿自己的话来说)。[8]一书旨在研究这些指控的有效性,我坚信这部著作给出了正确的解释。Grasshoff写道:-

……人们必须假设,托勒密星表中相当大一部分是基于那些喜帕恰斯观测,而喜帕恰斯已经将这些观测用于编纂其《阿拉托斯评注》的第二部分。尽管不能排除星表中包含来自真正的托勒密观测的坐标,但它们不可能超过星表的一半。

……对喜帕恰斯观测的吸收已不能再放在剽窃的视角下讨论。托勒密的意图是发展一套关于天象的全面理论,他无法使用以算术平均来评估数据的方法,而现代天文学家正是用这种方法从一组各不相同的测量结果中得出检验一个假说所需的那一个代表值。因此,出于方法论上的原因,托勒密不得不从一组测量值中选出与他不得不视为最可靠数据最为相符的那一个值。当凭直觉在数据中作出选择已不再可能时……托勒密不得不把那些能够被理论预测所证实的值视为“观测到的”值。

作为最后的评论,我们引用一首被许多学者认为出自托勒密本人之手的短诗,它出现在Almagest第1卷目录之后(例如见[11]):——

我深知自己是凡人,只活一日。
但若我的心灵追随星辰的蜿蜒轨迹,
我的双足便不再停驻于大地,而是立于
宙斯身旁,饱饮神馔,那不朽的仙食。

参考文献

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