第谷·布拉赫的生平

第谷·布拉赫于 1546 年 12 月 14 日诞生在斯堪尼亚的克努兹特鲁普（今瑞典南部，当时属于丹麦）。他出身于一个丹麦贵族家庭，还是一个孩子时就进了哥本哈根大学。他在那里期间，一次在预报的时间发生的日蚀引起了他的好奇心，使他的兴趣转到天文学方面。于是他不顾正常的学业，找到托勒密的著作读了起来，并于 1563 年木星和土星相合时作了他第一次有记录的天文观测。第谷甚至用自制的粗糙仪器进行观测就已能发现，按照普鲁士星表或别的星表计算的行星位置与实际观测到的行星位置之间存在严重偏差。他似乎已认识到，行星表应当在长期系统而又精确的观察基础上进行编制。

图 82—第谷·布拉赫

离开哥本哈根之后，第谷先后又在莱比锡大学、维滕贝格大学、罗斯托克大学和巴塞尔大学术学，在各大学都求教于第一(122)流的数学和天文学教师，时常进行观测，偶尔也搞一些占星术的预测。1570 年，第谷回到丹麦，此后有一段时间他似乎曾投身于化学研究。但是，1572 年 11 月仙后座中一颗引人注目的新星的出现又马上把他的兴趣吸引到天文学上来。这个现象的可见期持续了十八个月左右，其间第谷用他自制的六分仪反复测量了这颗新星与邻星的角距。他根据这些数据得出了一个重要的结论，关于这一点，我们将在下面适当的地方加以阐述。在这颗新星的整个可见期之中，他不断跟踪观察其亮度和色彩的变化，并于 1573 年发表了一篇专文《论新星》（De Nova Stella）。

此后不久，在一次周游欧洲的旅行中，第谷拜访了黑森的兰德格拉关·威廉四世。威廉四世酷爱天文学，他在卡塞尔建造了一座屋顶可以移动的观测台，并已在使用一种粗糙的时钟。1576 年，丹麦国王弗里德里希二世在兰德格拉夫·威廉四世的请求之下，决定资助第谷，赐予他一笔经费又把赫威恩岛赐给他作为天文台的台址，该岛位于哥本哈根和埃尔西诺尔之间的海峡上。第谷接受了国王的赏赐，在赫威恩岛上建造了城堡和天文台，他称之为乌拉尼堡（“天塔”）。天文台四周都是花园，里面有豪华的陈设，除了一些观测室而外，还有一个几乎可制造一切仪器的工场、一个图书馆、一个化

学实验室和印刷所等等。除了国王赐予的年俸之外，第谷还从大量农田和房地产得到收入，此外，还有罗斯基尔德大教堂给予的俸禄。但是他有时还是要支付由于开支过大而出现的大笔债务。在他的孩子和一班助手的协助下，第谷从 1576 到 1597 年一直在赫威恩岛进行观测。

然而，1588 年丹麦国王去世，在年幼的王子成年之前，一直选出摄政者来主持国政。第谷很快就开始失去朝廷的恩宠，朝廷对他的工作从来没有发生多少兴趣。他似乎不善于与贵族周旋，挥金如土，对租户刻薄刁狠，玩忽因领取罗斯基尔德大教堂的俸禄所应尽的职责。结果，他的各项津贴逐渐都被撤销。终于在 1597 年，他带着全家离开了乌拉尼堡。在哥本哈根作了短暂勾留之后，他便赴德国去拜访汉堡附近的一位贵族，他在那里写了《力学重建的天文学》（Astronomiae instauratae Mechanica）一书，记述了自己的生平以及他的各种仪器和方法，于 1598 年发表。同年，第谷应德(123)皇鲁道夫二世的邀请到布拉格，1599 年鲁道夫二世赐予他一笔资金，并将他安置在布拉格附近的一个城堡里，他把它建成了一座天文台。在等待他的仪器和书籍从赫威恩搬来这段时间里，第谷为他将来的研究工作物色助手。就在这一时期，一位年轻的德国天文学家约翰·刻卜勒加入了第谷的工作。刻卜勒曾把自己在 1596 年出版的一本著作《宇宙的奥秘》（ Mysterium Cosmographicum）寄赠给第谷，这本书引起了第谷对他的注意。刻卜勒于 1600 年初造访第谷，第谷便邀他做自己的助手。此后不久，他把观测工作停顿了一下，搬到布拉格小住了一段时间，以接近德皇。但在他还未能够安顿下来进行系统的工作之前，他突然病倒，于 160l 年 10 月 24 日去世。

图 83—第谷·布拉赫的天文台—乌拉尼堡

第谷·布拉赫对天文学的贡献(124)

第谷·布拉赫研究了精密天文学的大多数问题，他还以前所未有的精确度测定了大多数重要的天文学常数。他的工作注定要在他死后才能结出极其丰硕的成果。不过，甚至在他生前，由于他的勤勉以及他的仪器和方法精良，他也合作出了若干重要发现。

他对仙后座中的那颗新星的观测是他最早的发现，我们在上面已经提到过。他还表明了，这颗新星相对周围的恒星没有明显的周日变化（视差），而如果它象月球一样离我们很近的话，情况就不会如此。它也没有象行星那样的自身运动。他从而得出结论说，这颗新星肯定位于恒星区域，而按照当时公认的亚里士多德宇宙学，恒星区域里不可能发生物理变化。第谷后来对彗星也引出了一个与此相似的结论。他对这种天体进行了一系列观察，这项工作开始于对 1577 年大彗星的观察，他证明了，彗星没有显出明显的周日视

差，因而肯定比月球遥远得 25 多。第谷对 1577 年彗星的阐述见于他 1588 年问世的著作《论天上世界的新现象》（De Mundi aetherii recentiouibus phaeno-menis）。他打算将它纳入一部未完成的巨著《新编中学天文学》

（Astronomiae instauratae Progymnasmata）之中。

图 84—第谷·布拉赫的宇宙(125)

图 85—第谷·布拉赫的巨型象限仪

在 1588 年的这一卷（第八章）中，第谷还概述了他的太阳系理论，并计划以后再详尽地阐发。他抛弃哥白尼的体系而计划建立起他自己的体系：水星、金星、火星、木星和土星等行星围绕太阳旋转，而太阳和月球围绕地球旋转。各个星球都有各自的旋转周期，并且在绕地球的周日旋转中共占恒星天球，而地球是宇宙的固定不动的中心（见图 84）。

第谷抛弃哥白尼体系的理由是：那种关于沉重而又呆滞的地球在运动的说法，似乎违背正确物理学的原理，同时也不符合《圣经》的教义。再者，从古代起人们就知道，如果地球绕太阳旋转，那末恒垦的视位置必将产生周年视差移动。可是，从来没有人观察到过这种移动；第谷本人也无法检测出它。因此，如果这种移动存在的话，它必定极其小，以致恒星移到了离地球令人难以置信地遥远的距离。不过，第谷·布拉赫并不是作为一个理论家，而主要是作为一个观测家对天文学作出了卓越贡献；我们现在来论述他的观测工作。

第谷最初的观测是用当时航海家使用的非常粗糙的携带式仪器进行的。然而，1569 年他在一次访问中为奥格斯堡市长设计的一个巨型象限仪表明他在观测仪器方面迈进了一大步。这种仪器(126)如图 85 所示，半径约 19 英尺，框架是木制的，刻度盘由黄铜制成。它可用操纵杆来使之绕一个竖直轴转动，还能在它自己的平面上绕其中心点转动，以使两个瞄准孔（示于图中右面的半径上）可以对准地干线之上的任一天体目标。借助一根铅垂线便可在刻度盘上读出目标的高度，精确到几分之一分。

第谷后来在乌拉尼堡所制造和应用的仪器有好几种不同类型。其中有些是以古代天文学家的浑仪为根据，这种浑仪由一些代表天球各个圆圈的带刻度的金属同心圆组合而成，用来测定恒星的黄经和黄纬等等。第谷对这种仪器作了改革，使之改为测定赤经和赤纬，同时他还减少了所需的圆圈数目，提高了仪器的对称性。

图 86—第谷·布拉赫的墙象限仪

第谷的天文台里，还有许多其他仪器，它们实质上都是用木头或金属制的某种扇形体（象限仪（六分仪或八分仪），带有具精确刻度的金属环，中心装有一个精确定位的瞄准器。还装有一个可动的瞄准器，它可以沿金属刻度弧上下滑动，或由一个可绕扇形体中心转动的径向臂即游标盆带动在刻度弧上移动。这些仪器都安装在球窝式支架上，因而可以调节到置子由观测者的眼睛和任意两颗需求角距的恒星所决定的平面上。在测定这个角度时，将瞄准线先后对准每颗恒星，每次都把可动瞄准器的定位从刻度盘上读出来，这两个读数之差就给出这两颗恒星的角距。有时可装设两个可动瞄准器或照准仪，这样就可由两个观测者同时作两次定位，从而可避免由于恒星周日运动所造成的误差。这样的扇形体可以置定在子午面上，其刻度弧的一端垂直地处于中心瞄准器的下面或上面，这样就可用于测量天体目标越过这子午面时的高度。这后一种仪器即如第谷著名的墙象限仪所例示（图 86）。

(127)第谷还制造过可转动到任一垂直平面的象限仪。用以测量这个平面中任何夭体目标的方位角和高度。其中的一种如图 87 所示，现代经纬仪与这种仪器很相象。

在没有时钟的条件下，因为时间常常必须从观测到的某个已知恒星或别

的天体的高度推算出来，所以这样的观测便更其重要。诚然，第谷也有几台那个时代通用的不完善的时钟，并使用各种类(128)型漏壶做过实验。但对于那些精确度要求高的工作，他几乎只用我们上面述及的那种仪器来测量角量。

在第谷之俞，人们曾力图利用庞大仪器来提高刻度的精确度，但由于这些仪器自身太重，所以总是有发生变形的危险。然而，第谷已能应用几种当时才发明不久的替标尺刻度的装置。其中包括(129)以其发明者努涅茨命名的“努尼乌斯”［游标］，其中扇形体的金属环上刻有许多同心弧，每条弧各又分成数目不同的等分。只要记下基准线与之重合的那个刻度以及这个刻度所处的特定圆圈，理论上即可读出照准仪的定位，读到分和秒。但这样的仪器刻度在实际应用时有很大困难。因此，第谷最后采取了“横截法”，我们知道这是对角线尺度的基础。现在在物理和天文仪器上十分广泛应用的游标尺到 1631 年才有记述。第谷还对仪器的照准仪用以对准恒星的瞄准器的制造作过重要改进。

图 87—第谷·布拉赫的经纬仪

第谷借助这些装置，他的仪器的精良制造以及他的敏锐观察力，作出了异常精确的观测。他用反复观测和组合观测的办法减小了误差，因而在他的星表中，标准星座标的概差仅为 25 秒左右。另外，他以基本上和现代相同的

态度来对待仪器误差。他认识到，不管一图 87 一第谷，布拉赫的经纬仪架仪器制造得多么精细，误差都是在所难免的，于是他就用适当的组合观测的办法检测出误差，然后便可用它们来修正用这仪器做的一切观测。

第谷如此精确的观测招致明显地受大气折射的影响。他力图修正这一因素，为此研究了太阳的视赤纬（即与天赤道的距离）怎样随其在地平线上的高度而变化，然后利用这种观测和类似观测的结果编制了最早的经验的大气折射表。不过，由于过高估计了太阳的视差，所以这些表会导致错误。

关于构成行星运动背景的那些恒星的分布的知识对于精密天文学有着带根本性的重要意义。因此，第谷在赫威恩花了许多时间来测定星位，并搞出了一个星表，它在 1602 年一发表便取代了托勒密的《至大论》中的古旧了的星表。第谷通常的观测程序是直接测量恒星的子午圈高度来测知其赤纬，并利用一系列比较所构成的链间接测知其赤经（或黄经）。在这个比较链中，太阳、金星以及适当选择的一些标准星作为链环，金星被选作为太阳和那些恒星(130)间的中介，因为当金星的位置合适时，白天和晚上都可以看见这颗行星。这样，金星和太阳在赤经上的差别可在白天测知（通过测量它们各自的赤纬和它们间的角距），而金星和一颗所选的恒星在赤经上的差别则也可以同样方式在当日夜间它们都出现在地干线之上时测知。将这两个结果结合起来，即可推算出太阳和这恒星在赤经上的差别，在两次观测之间金星行过的距离也考虑在内。此后，确定星位所需要的就只有太阳在观测时的绝对赤经；这个数据可查星表获知，这些表系根据第谷对太阳视轨道的诸常数所作的绝对测定编制。用这样的办法确定了天空各部位经过挑选的不多几颗恒星的坐标后，第谷就用不着金星和太阳了，而可用这些恒星作为标准参考标来测定其他星位了。他用这种办法精确测定了 777 个星位，后来这个数字又很

快增加到 1000 个。第谷将自己的赤经数据与古代和中世纪观测者的记录进行比较，结果他对二分点的岁差率作出了精确估计；于是他终止了由来已久的

见解：这岁差率的数值是大幅度变化的。

第谷曾对全年的太阳子午圈高度进行了系统观测，从而改进了太阳视轨道各主要常数（偏心率、远地点的黄经、周年长度等等）的公认数值。这样，他就能算出精确的太阳表，而我们已经知道，测定恒星的绝对赤经时需要用这种表。他的那些带有瞄准孔的仪器还不够精确，因此他未能纠正大大低估了的日地距离，这个值还是从托勒密传下来的，哥白尼只是对之作了一点微小的修正。

第谷在赫威恩工作期间，曾对月球在其轨道各点上的位置作定期观测，这使得他自托勒密以来第一次把月球运动理论向前推进了一大步。我们几乎可以肯定他说，第谷最早发现称为二均奏的不均等性。现在我们知道，这是由于当月球和地球离太阳的距离不同时，太阳对两者的吸引强度不一样所引起的，这种差别起一种扰动力的作用，致使月球的轨道运动交替地加速和减速。他还认识到并估计到另一种不均等性即周年差，这是由于这种扰动力的周年性波动所致。这后一效应也曾被刻卜勒独自发现过。第谷(131)还检测出月球轨道对黄道（地球轨道或太阳视轨道）倾角的波动，以及月球轨道结点绕黄道运行的速率。

对天文学后来发展最有重要意义的是第谷对行星的观测。他在早期就已着手这项工作，其方法是用当时的粗糙仪器来测量行星与其邻近恒星的角距。在赫威恩工作期间，他始终用他的墙象限仪和浑仪继续进行这项工作，但他的过早去世使他没能根据这些观测结果建立一个数值行星理论。他临终时在病榻上将这项工作托付给刻卜勒；据说他嘱咐刻卜勒要按照第谷的行星体系，而不要按照哥白尼的体系来搞这个新理论。为了知道这项工作是如何完成的，我们首先必须简述一下约翰·刻卜勒的生平。