歷史 物理

伊斯蘭的天文學家群像(二): 百家爭鳴的黃金時代

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撰文者:高崇文 教授 (中原大學 物理系)
發文日期:2018-03-06
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  • 上一回的阿文開講,講到阿巴斯王朝的智慧宮(Bayt al-Hikma),以及al-Khwarizmi 的諸多事蹟。其實在此同時,巴格達的智慧宮尚有許多能人異士。如果al-Khwarizmi 算是伊斯蘭世界第一位天文學家的話,那麼al-Kindī ( 801–873)被稱為伊斯蘭世界的第一位哲學家也毫不為過。al-Kindī 來自一個頗為顯赫的阿拉伯部族,年輕時在巴格達受教育。他在智慧宮的主要任務就是負責將希臘文的科學以及哲學的經典翻譯成阿拉伯文。(阿拉伯文在伍麥亞朝時是官方獨尊的語言,後來隨著波斯裔穆斯林的勢力逐漸高漲,波斯文的重要性雖然也水漲船高,然而由於古蘭經是阿拉伯文,而且不准翻譯,所以阿拉伯文逐漸成為伊斯蘭世界共通的語言,尤其是學者多使用它來寫學術著作,使得阿拉伯文的重要性歷久不衰,直到今日。) al-Kindī是第一位嘗試將希臘哲學,特別是新柏拉圖主義與伊斯蘭信仰結合的哲學家。但是要調和以理性為根本的希臘哲學與以天啟為基礎的伊斯蘭信仰不是一件容易的工作,al-Kindī 只是起了一個頭,後來Al-Farabi (西歐人稱之為Alpharabius, 872-950) 接手來繼續發展,而在Ibn Sīnā (西歐人稱之為Avicenna, 980-1037) 手中才算大功告成。甚至Ibn Rushd (西歐人稱之為Averroes,1126-1198)則是不惜將亞氏思想放在宗教信仰之上,成了西歐中世紀哲學家心目中的心腹大患呢。

    al-Kindī 除了哲學之外,其他方面也是著作等身,據說他一共寫了兩百六十本書,其中有關幾何的有三十二本,關於醫學的有二十二本,與哲學相關的有二十二本,有關邏輯的有九本,與物理學有關的有九本,但是這些書,絕大部分在後來蒙古人摧毀巴格達成時,都付之一炬了,然而al-Kindī 在各方面都發揮相當大的影響力。舉例而言,他接受托勒密的系統,這個系統的哲學基礎是亞里斯多德的世界觀,地球在宇宙中心而在月球的軌道內(稱為月球天之下)的萬物是由風、火、水、地四大元素所構成,而月球天之上的天體則是本性完美的超絕之物,它們做著象徵完美的圓周運動,但是為了與實際觀測吻合,古希臘的天文學用了許多"機關",像是在"周轉圓"(行星被假定在一個被稱為本輪的小圓圈內運動,它繞著一個被稱為均輪的大圓。) 而且地球也不在行星運動的中心,而是偏向一側,甚至本輪圓心的運動中心也不在均輪圓心,而是在地球的另一側,這個稱為Equant。Equant到均輪中心的距離與地球到均輪中心的距離相等。這個複雜的系統算是古典文明登峰造極的成就,而學者利用這個系統來推算未來的行星位置達千年之久。而整個伊斯蘭天文學就奠基在托勒密的系統上。但是伊斯蘭世界並不盲信托勒密系統,而是不斷地測量天象來修正,甚至是質疑與挑戰托勒密系統,這成了伊斯蘭天文學的基調。

    除了al-Khwarizmi 以及al-Kindī 之外,Banū Mūsā "Sons of Moses" 三兄弟也是智慧宮中的重要人物,老大Jafar Muhammad 擅長幾何與天文,二弟Ahmad 在機械方面頗有貢獻,老么al-Hasan則專注於幾何。三兄弟的父親Mūsā ibn Shākir據說原來是打劫旅客的江洋大盜,後來卻成了天文學家,還是馬蒙尚未登基時的親信。Banū Mūsā 三兄弟將希臘科學,特別是阿幾米德的著作引入伊斯蘭世界。他們深受馬蒙的信任,當馬蒙想求得地球周長時,就把這個任務交給他們,他們召集人馬,在沙漠中分成兩隊,一隊往南,一隊往北,邊走邊記錄,利用天象決定緯度,走了一度緯度後回頭走回出發點,以此決定相當準確的數值。此外當馬蒙下令在巴格達建天文台來重新測量日月位置時也是由他們來完成。Muhammad 與Ahmad 曾量過一個回歸年的長度是365年又六個小時。此外他們也曾三度測量Regulus (軒轅十四是天空中21顆最亮的恆星之一,波斯占星學家所認定的4顆王者之星之一。)的位置。

     
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    Banū Mūsā 三兄弟(圖片來源:https://blog.goo.ne.jp/jiten4u/e/722d1ef9e470db9e6434e1bb77b89841)
     
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    Ahmad所著的『On Mechanical Devices』書中,有關於燈具的設計 (圖片來源:Wikimedia Commons)
     
    Banū Mūsā 三兄弟雖然著作等身,可惜大部分都毀於戰火,流傳後世的只有老大Jafar Muhammad一本關於托勒密天文系統的書Ketāb ḥarakat al-falak al-ūlā (Book of the first motion of the celestial sphere) 老二則是留下Ketāb al-ḥīal (Book of ingenious devices),裡面記載許多利用水力的自動機械。老三則沒有著作傳到今日。但論到影響力最大的還是他們合著的Kitab marifat masakhat al-ashkal (On the Measurement of Plane and Spherical Figure),因為這本書後來被Cremona的Gherard 翻譯成拉丁文,書名翻成Liber trium fratrum de geometria 傳入西歐,西歐學者就是從這本書學到阿基米德發明的求積法!

    當馬蒙哈里發在公元833年駕崩後,接連由他的弟弟al-Mu'tasim 以及姪子al-Wathiq繼承,拉巴斯王朝持續支持學術活動,而智慧宮也持續運作。但是當al-Mutawakkil在公元847年成為哈里發後,卻一改前任哈里發的政策,開始拆毀巴格達城中的基督教的教堂與猶太教的會堂,強迫非穆斯林改信,而且不再支持強調運用理性的Mu'tazila 教派,轉而支持強調聖訓的教派。雖然Banū Mūsā 三兄弟依然深受al-Mutawakkil信任,但是年邁的al-Kindī卻失寵被逐出宮廷,甚至他的圖書館都被Banū Mūsā 三兄弟奪去。Banū Mūsā 三兄弟被al-Mutawakkil委以許多重任,像是在埃及建造龐大的尼羅河水位計以及在新都al-Djafariyya 建造運河。這些計畫其實都是由天文學家al-Farghānī 負責。據說在建造運河時由於al-Farghānī算錯了,運河工程無法完成,幸虧al-Mutawakkil哈里發在公元861年被身旁的突厥侍衛暗殺身亡,所以Banū Mūsā 三兄弟和al-Farghānī 才躲過嚴厲的懲罰,然而阿巴斯朝的黃金時代也一去不復返了。

    al-Farghānī 留下的著作Kitāb fī Jawāmiʿ ʿIlm al-Nujūm( A Compendium of the Science of the Stars) 也稱為Elements of astronomy on the celestial motions是一本托勒密天文學大成的詮釋,它在十二世紀被翻譯成拉丁文後傳入西歐,變成當時西歐天文學者奉之為圭臬的教科書,但丁的鉅著神曲之中許多天文學知識都是取之於al-Farghānī的著作呢。後來哥倫布也是從al-Farghānī的著作得知地球半徑的數值,因為al-Farghānī也曾參與馬蒙下令的測量活動。哥倫布採用這個數值,來鼓吹橫渡大西洋到日本的計畫,有趣的是哥倫布把單位搞錯了,所以他的數值比實際數值小了三分之一!

    雖說阿巴斯朝在al-Mutawakkil哈里發被暗殺後逐漸走下坡,四方割據勢力逐漸取代巴格達的中央政府,然而伊斯蘭世界的學術活動依然十分活躍。像是出生在Harran 的al-Battānī (858 – 929),(他的名字拉丁化之後變成Albategnius)就是當時傑出的天文學家,他的成就包括了發現了太陽近地點(其實是地球的近日點) 的進動,此外還決定了一個回歸年的長度為365天5小時 46分鐘 24秒,只與現代的數值差了兩分鐘二十二秒。al-Battānī還決定了黃赤交角為23度 35分,(測量在一年之中白天最長和最短的這兩天正午太陽的高度差,這個差值是黃赤交角的兩倍。) 他也決定歲差是每年54.5秒。歲差是地球自轉軸的方向逐漸漂移,大約25,800年的週期掃掠出一個圓錐,所以回歸年(太陽回到同一個分點)和恆星年(太陽回到相同的恆星背景)的長度會有微小的差別。地球環繞太陽軌道的分點和至點的位置,或其他相對於季節定義的時間,也在緩慢的改變。這個現象一般是歸功於古希臘天文學家Hipparchus,托勒密估計歲差的大小是每年約一度。al- Battānī的同鄉前輩Thābit ibn Qurrah 還曾提出一個利用第九個天球來解釋分點不規則的運動,當時稱為Trepidation(抖動)模型。al-Battānī主要的著作是Kitāb az-Zīj ("Book of Astronomical Tables"),在公元1116年由Plato of Tivol翻譯成拉丁文,書名取做De Motu Stellarum,這本書對後代天文學者影響很大,哥白尼就曾在天球運行論中提到al-Battānī不下二十三次之多呢。

    阿巴斯王朝一路衰微,到了公元945年,自裏海南岸發跡的Buyid家族打下了巴格達,阿巴斯朝的al-Mustakfi哈里發成了魁儡,而Buyid家族控制的領土包含了今天伊朗西部以及伊拉克等地。而他們的首都設在Shiraz。雖然Buyid家族是穆斯林,但是在政治上卻是以復興薩珊王朝的榮光為職志。Buyid家族中最熱衷支持學術活動的莫過於Fannā Khusraw了(他被哈里發授以ʿAḍud al-Dawla的榮銜,意思是王朝的棟樑)。他在伊斯法罕的宮廷成了當時的學術中心。天文學家 Abd al-Rahman al-Sufi (903-986)就是寄身於此。他的名字意味著他是個蘇菲派穆斯林。蘇菲派是偏向冥想以及神秘主義的伊斯蘭教派。al-Sufi 精於觀測,除了辨認出在葉門才能看見的大麥哲倫星雲(在麥哲倫於十六世紀展開環球之旅前,歐洲人從未見過這星雲)。他還在公元964年留下了最早對仙女座星雲觀察的紀錄,並形容仙女座星雲為「朦朧斑點」(nebulous spot,lathka sahabiya)、「小雲」(small cloud)這是人類首次從地球觀察到的銀河系之外的星系。他也注意到黃道平面按天球赤道的角度傾斜,也計算了回歸年的長度。al-Sufi最大的貢獻還是在修正托勒密的星表,並加入自己對星星亮度和星等的估計,這些數字都與托勒密作品中的數字有所差別。他觀察與敘述星星、星星位置、星等以及它們的顏色,以劃分星座的形式製下自己一套的星座。針對每個星座,他製作了兩幅繪畫,一幅是從天球外觀看的角度,另一幅是從天球內觀看星空的角度,亦即我們在地球上仰望星空時的角度。他也是首個嘗試把希臘星名及星座跟傳統阿拉伯名稱配對的學者。他的主要著作是在公元964年撰寫的kitab suwar al-kawakib (The Book of Fixed Stars)。它在十二世紀時在西西里被翻譯成拉丁文,書名取做Liber de locis stellarum fixarum,也曾被翻成西班牙文,稱為Libros del Saber de Astronomia. 這書對西歐的恆星命名有很大的影響。al-Sufi也撰寫過有關星盤的文章,在文章中他描述了超過一千不同的用法,在天文學、占星學、星座、航海星盤、測量、計時、測量清真寺的朝拜方向等各方面他都有涉及。al-Sufi後來安享高壽,享年八十三。

    另外一位由Buyid王朝贊助的天文學者是al-Khujandi(940 - 1000)。他的生平事蹟流傳後世的不多,只知道他來自錫爾河畔的Khudzhand。在Fakhr ad-Dawlah 的贊助下他曾在Ray(靠近今天的德黑蘭)建造了一座龐大的壁畫六分儀 (mural sextant),他利用這個天文儀器觀測了公元994年的夏至與冬至的太陽的子午線過渡,由此推算出黃赤交角(地球轉軸傾角)為23度32分19秒。此外根據後世的波斯學者Abu'l-Wafa 與 Abu Nasr Mansur曾說al-Khujandi發現了球面三角學中正弦定理,不過這還有爭議。無論如何,伊斯蘭的學術活力並沒有因阿巴斯朝衰微而衰微,反而走上一個百家爭鳴的黃金時代呢!

    除了Buyid王朝,另一個不吝於贊助學術的是Fatimid王朝,這是由激進的什葉派伊斯瑪儀教團在公元909年在摩洛哥建立的新政權。也就是所謂的"綠衣大食"。公元969年埃及落入Fatimid王朝的手中,首都也遷到位於尼羅河三角洲新建的開羅。在哈里發 al-Muʻizz 開明的治理下,很快地開羅成了伊斯蘭世界新興的學術重鎮。Fatimid王朝在al-Muʻizz的兒子al-Aziz治下達到巔峰,天文學家Ibn Yunus (c. 950-1009) 就是在al-Aziz麾下服務。al-Aziz在公元996駕崩時,他繼續為新哈里發al‐Ḥākim服務。Ibn Yunus的父親是埃及極富盛名的歷史學家以及聖訓(hadith)學者。(聖訓是伊斯蘭教先知穆罕默德的言行錄,由後人所編。其主要內容是先知對教義、律例、制度、禮儀及日常生活各種問題的意見主張)。Ibn Yunus 據說是位行事古怪又常心不在焉的學者,但是他的觀測記錄卻是非常準確。他的al-Zij al-Kabir al-Hakimi 就記載了許多"合"與月食的天文觀測記錄(合是兩顆行星的合意味著它們有相同的赤經)。Ibn Yunus也是球面三角學的高手,留下許多公式,但沒有留下解說。此外Ibn Yunus還是個頗負盛名的占星師,據說他在健康良好的狀況下預言自己七天後將離開人世,他開始交代後事,然後將自己鎖在房內頌讀古蘭經,果然七天後真的死了!由於他的兒子天資愚魯,所以他的遺稿被當作廢紙賤賣,真是個傳奇人物。

    不過說起傳奇人物,埃及史上最傳奇的莫過於"瘋王"al‐Ḥākim。他十一歲登基,三十六歲乘著駱駝離開皇宮,消失於沙漠之中,不知所終。他的古怪行徑常讓他的臣民不知所措,舉例來說,他曾經禁止婦女夜晚外出,禁止民眾在澡堂暴露身體(這是要怎麼洗澡?)更嚴重的是他一反自穆斯林征服埃及以來的做法,大舉迫害基督徒與猶太人,甚至連遜尼派穆斯林也無法倖免,此外他還三番兩次無端地殺害重臣,最誇張的莫過於自認是神的化身! (擁有兩百萬信眾的Druze教派至今依然相信al‐Ḥākim是神的化身呢!)然而,另一方面,他極力贊助學者,尤其是天文學,因為他篤信占星術。此外他也大力推廣教育,公元1005年他成立了Dar al-Alem 以及Dar al-Hikma,這兩處是教育年輕人各式各樣知識的地方,而且還擁有藏書豐富的圖書館。所以許多學者慕名而來,最重要的莫過於Ibn al-Haytham (965 – 1040,他的名字被拉丁化成Alhazen)。在中世紀的西歐,Ibn al-Haytham甚至被尊稱為Ptolemaeus Secundus (第二個托勒密),或乾脆叫他 "The Physicist"。

    al-Haytham 其實不是埃及人,而是出生於伊拉克的巴斯拉,他到埃及後被招募去從事尼羅河的水利工程,但是在實地勘驗後他發現al‐Ḥākim的計畫難以實現,為了避免遭到al‐Ḥākim的毒手,據說他裝瘋躲在家中整整十年,直到al‐Ḥākim神秘失蹤為止。之後al-Haytham一直待在開羅直到七十五歲過世。

    al-Haytham最大的貢獻末過於他的"視覺理論"。在他的Kitab al-Manazir (光學)一書中,他駁斥了傳統古希臘的學說,譬如歐幾里得與托勒密主張的"放射說",也就是眼睛放出光是視覺的來源。另一方面他也不接受亞里斯多德的視覺學說,即物體會放出特定的"形式"進入眼中形成視覺。這兩個學說早在阿巴斯朝時就由al-Kindī引入伊斯蘭世界,然而al-Haytham專研古希臘醫生Galen 著作後了解到視覺是照到物體的光線進入眼中所造成的。但是不同物體發出的光都進入眼中豈不天下大亂,怎麼形成視覺呢? al-Haytham主張只有垂直眼睛表面的光才是主要的視覺來源,這些垂直進入眼睛的光可以看成一個光錐,頂端正是眼睛,所以我們可以理解為何近的東西看起來比遠的東西大,因為近的東西所形成的光錐頂角比較大!而且一個物體的任何一點都可以發出一條光線垂直進入眼中,依此建立一對一的對應,由此產生清晰的視覺。al-Haytham在他的Kitab al-Manazir不僅提出他的主張,更重要的是他提出許多實驗的方法來證實自己的主張或是駁倒對立的主張。像他就常利用暗箱作光學實驗,也曾撰文分析針孔的原理。他的Kitab al-Manazir一書被翻成拉丁文,對西歐的學者有非常巨大的影響,尤其是在書中他嚴謹地利用實驗來論證的方式,更是影響深遠。

    al-Haytham據說寫了兩百本書,流傳至今的還有五十多本,主要是數學,天文以及光學的著作。值得注意的是他曾打破傳統希臘的思維,主張必需以物理的原則來了解行星的運動,甚至他還寫了一本"Doubts on Ptolemy",挑戰許多托勒密系統的弱點,尤其是Equant。al-Haytham也反對亞里斯多德的"自然厭惡真空"的理論,企圖用幾何學來論證沒有物質的空間是有意義的概念。伊斯蘭的科學至此已經不只是承襲古代文明遺產,而是一股活潑富有生氣的新力量了!

    另一位與al-Haytham 約略同時的伊斯蘭重要的學者是al-Bīrūnī (973-1048),他出生於一個由阿姆河下游花剌子模地區伊朗土著成立的阿夫里格王朝,這個小國曾是周圍大國如薩珊帝國,嚈噠人、突厥汗國、阿拉伯帝國、薩曼王朝的屬國。他們最初信仰拜火教,在九世紀接受伊斯蘭教。但是995年,這個王朝被馬蒙王朝滅亡。al-Bīrūnī先到Samanid王朝轄下的Bukhara,他曾指出al-Khujandi測量因為龐大的六分儀的質量而產生誤差,所以他應該造訪過Ray。之後又到了齊亞爾王朝(928年至1043年統治裏海沿岸戈爾甘及馬贊德蘭地區的伊朗王朝)統領的宮廷。公元1017年伽色尼王朝的Mahmūd-i Zābulī攻占了齊亞爾王朝的首都時,宮廷的學者都被帶去伽色尼王朝的首都伽色尼。(伽色尼王朝(963-1187)是由突厥裔薩曼王朝原奴隸將軍阿爾普特勤之女婿蘇布克特勤所創建,他本是葛邏祿部奴隸)當Mahmūd-i Zābulī遠征印度時,al-Bīrūnī還隨軍出征,留下大量關於印度的著作,成了伊斯蘭世界的頭號印度通。他還學會了梵文,從古老的印度文獻中學習到許多寶貴的知識,其中包含了印度的天文學知識。

    al-Bīrūnī在伽色尼王朝的宮廷中擔任占星師,但是從他留下來的著作來看,他對占星術興趣缺缺,但是卻對天文學與測地術情有獨鍾。他提出站在高山頂峰測量水平線與地平線之間的夾角,就足以得到地球的半徑。他在旁遮普的Nandana 要塞就照著這個方法測量,得到的數值與現在通行的地球半徑的平均值(因為地球其實是橢球)只差了百分之二!得意的al-Bīrūnī還揶揄馬蒙哈里發時在沙漠辛苦測量的壯舉!他也曾經認真考慮過地球自轉的可能性,在他的一本百科全書式的著作Mas'udi Canon 中雖然接受傳統的地心說,卻也提出許多疑點,像是太陽近地點並非固定來挑戰托勒密系統,他甚至曾嘗試以日心說來解釋天文現象,不過他無法決定地球是否有在轉動。在他的另一本鉅著Kitab ta'rikh al-Hind中他曾提到他在Miftah-ilm-alhai'a (Key to Astronomy)中已經徹底解決了這個問題,可惜Miftah-ilm-alhai'a如今失傳了,所以他的論證我們就無從得知了。

    al-Bīrūnī真的稱得上是一位"上知天文 下知地理"的奇人。他曾在Codex Masudicus 討論過未知大陸存在的可能,他比較地球的周長以及歐亞大陸的面積,合理地推測讓歐亞大陸"隆起"的力量應該足以造成另一個大小相近的大陸!

    al-Bīrūnī 雖然沒有撰寫物理學相關的專著,但是他對光與熱一直非常好奇,他與當代的大哲學家Avicenna 就曾針對太陽光中的熱如何傳播有過一番討論,al-Bīrūnī甚至還設計出一些測量密度的方法,他的靈感來自阿基米德的著作,這些設計後來收錄在al-Khazini的書中,而在伊斯蘭世界廣為人知。al-Bīrūnī還設計過用許多齒輪作成的天文鐘以及可以計時的星盤,與al-Haytham 相同的是他們都不盲信古代學者的權威,並且開始設計實驗來支持或駁斥相關的理論。無怪乎他們被視為現代科學方法的先驅,可謂實至名歸。

    如此光輝燦爛的伊斯蘭文明,為何沒有孕育出現代科學,甚至在十九世紀面對西歐優勢文明毫無招架之力呢? 這故事還長得很,還請各位看官稍待,等著阿文下回分解囉。


    參考資料
    (一) 中文 阿拉伯文 波斯文 英文 維基相關條目
    (二) MacTutor History of Mathematics archive
    (三) Case 報科學 大宇宙小故事 葉李華
    (四) 伊斯蘭文明 Marshall. G. S. Hodgson著 全六卷
    (五) 智慧宮:被掩蓋的阿拉伯知識史 Jonathan Lyons 著

     
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                  伊斯蘭的天文學家群像(三):波斯的榮光
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