37 托勒密（公元90—168年）
说到地心说必提托勒密。
克劳迪亚斯·托勒密（Claudius Ptolemaeus），生于埃及的一个希腊化城市赫勒热斯蒂克。罗马帝国统治时期著名天文学家、地理学家、占星学家和光学家。
托勒密
就在王充完成巨著《论衡》时，古罗马的天才托勒密降生了。几十年后，他也挥笔留下巨著——《天文学大成》（也译作《至大论》）。
《天文学大成》共十三卷：
第一卷，概述托勒密体系；
第二卷，载现存最古老的三角学：一个列有间隔半度，精度为五位数的弦值表以及有关解球面三角形的方法；
第三卷，论太阳运动和年的长度；
第四卷，论月球和月份；
第五卷，除继续讨论第四卷的问题外，还讨论了太阳和月球的距离并介绍了如何制作星盘；
第七、八卷，主要论恒星，按喜帕恰斯星表列出1022颗恒星的黄道坐标和星等，还提及岁差和天球仪的制作；
其余五卷详论第一卷概述的托勒密体系。
除《天文学大成》，托勒密还著有《实用天文表》《行星假说》二卷、《恒星之象》二卷、《占星四书》四卷、《地理学指南》八卷、《光学》五卷、《日晷论》《平球论》《和谐论》三卷、《体积论》《元素论》等。
天文学
在古老的宇宙观中，人们把天看成是一个盖子，地看成是一块平板，平板由柱子支撑着。
在公元前4世纪到公元前3世纪，对于天体的运动，古希腊人有两种不同的看法：一种以欧多克斯为代表，他从几何学的角度解释天体的运动，把天上复杂的周期现象分解为若干个简单的周期运动；他又给每一种简单的周期运动指定一个圆周轨道，或者是一个球形的壳层，他认为天体都在以地球为中心的圆周上作匀速圆周运动，并且用27个球层来解释天体的运动，到了亚里士多德时，又将球层增加到56个。另一种以阿利斯塔克为代表，他认为地球每天在自己的轴上自转，每年沿圆周轨道绕日一周，太阳和恒星都是不动的，而行星则以太阳为中心沿圆周运动。但阿利斯塔克的见解当时没有人能理解或接受，因为这与人们肉眼看到的表观景象不同。
托勒密于公元2世纪提出了自己的宇宙结构学说，即“地心说”。其实，地心说是亚里士多德的首创，他认为宇宙的运动是由上帝推动的。他说，宇宙是一个有限的球体，分为天、地两层，地球位于宇宙中心，所以日月围绕地球运行，物体总是落向地面。地球之外有9个等距天层，由里到外的排列次序是：月球天、水星天、金星天、太阳天、火星天、木星天、土星天、恒星天和原动力天，此外空无一物。各个天层自己不会动，上帝推动了恒星天层，恒星天层才带动了所有的天层运动。人居住的地球，静静地屹立在宇宙的中心。
托勒密全面继承了亚里士多德的地心说，并利用前人积累和他自己长期观测得到的数据，写成了八卷本的《天文学大成》。在书中，他把亚里士多德的9层天扩大为11层，把原动力天改为晶莹天，又往外添加了最高天和净火天。托勒密设想各行星都绕着一个较小的圆周运动，而每个圆的圆心则在以地球为中心的圆周上运动。他把绕地球的那个圆叫做“均轮”，每个小圆叫做“本轮”。同时假设地球并不恰好在均轮的中心，而偏离一定的距离，均轮是一些偏心圆；日月行星除作上述轨道运行外，还与众恒星一起，每天绕地球转动一周。托勒密这个不反映宇宙实际结构的数学图景，却较为完满地解释了当时观测到的行星运动情况，并取得了航海上的实用价值，从而被人们广为信奉。
地内行星的上合（左）与下合（右）
地外行星的冲（左）与合（右）
本轮和均轮运动所产生的逆行现象
《天文学大成》——古希腊500年天文学和宇宙学思想的顶峰——统治了天文学界长达13个世纪。这样一本知识上参差交错且复杂的著作，不是单独一个人所能完成的。托勒密依靠了他的先驱者，特别是喜帕恰斯，这一点是无需掩盖的。他面对的基本问题是：在假设宇宙是以地球为中心的以及所有天体以均匀的速度按圆形轨道绕转的前提下，试图解释天体的运动。因为实际天体以变速度按椭圆轨道绕地球以外的中心运动，为了维护原来的基本假设，就要考虑某些非常复杂的几何形状。托勒密使用了三种复杂的原始设想：本轮、偏心圆和均轮。他能对火星、金星和水星等的轨道分别给出合理的描述，但是如果把它们放在一个模型中，那么它们的尺度和周期将发生冲突。然而，无论这个体系存在着怎样的缺点，它还是流行了1300年之久，直到15世纪才被哥白尼推翻。
托勒密的天体模型之所以能够流行千年，是有它的优点和历史原因的。它的主要特点是：
（1）地球绕着某一中心的匀角速运动，符合当时占主导的柏拉图思想的假设，也适合于亚里士多德的物理学，易于被接受。
（2）用几种圆周轨道不同的组合预言了行星的运动位置，与实际相差很小，相比以前的体系有所改进，还能解释行星的亮度变化。
（3）地球不动的说法，对当时人们的生活是令人安慰的假设，也符合基督教信仰。
星体本轮中心围绕偏心等距点C′作匀角速运动
在当时的历史条件下，托勒密提出的行星体系学说还是具有进步意义的。首先，它肯定了大地是一个悬空着的没有支柱的球体。其次，从恒星天体上区分出行星和日月是离我们较近的一群天体，这是把太阳系从众星中识别出来的关键性一步。
《天文学大成》提出的三个模型为偏心轮、本轮-均轮和等距轮。偏心轮，地球处于偏离圆心的位置；偏心等距轮，地球处于偏离圆心的E处，本轮绕C′点匀角速运动，C′C=CE。在一年中，春分—夏至为92天19时；夏至—秋分为93天15时；秋分—冬至为89天20时；冬至—春分为89天0时。托勒密推得的天体视位置误差不大于2°，这在近两千年前已是非常精确完美的了。
托勒密本人声称他的体系并不具有物理的真实性，而只是一个计算天体位置的数学方案。至于教会利用和维护地心说，则是托勒密死后一千多年的事情了。教会之所以维护地心说，只是想用它证明教义中描绘的天堂、人间和地狱的图像。所以，托勒密的宇宙学说同宗教本来并没有什么必然的联系。
托勒密的天文学著作经阿拉伯学者之手而重为欧洲所知之后，又在欧洲保持了长时间的影响力，至少延续到16世纪。在此之前，没有任何西方的星历表不是按托勒密理论推算出来的。虽然星历表的精确程度不断提高，但由于托勒密所使用的古希腊本轮-均轮系统具有类似级数展开的功能，即为了增加推算的精确度，可以在本轮上再加一个小轮，让此小轮之心在本轮上绕行，而让天体在小轮上绕行。只要适当调整诸轮的半径、绕行方向和速度，总可达到要求。从理论上说，小轮可以不断增加，以求得更高的精度，有些天文学家正是这样做的。但其缺点也是显而易见的，那就是过于繁琐。之后哥白尼在《天体运行论》中放弃了这种表述，改用了更为简洁的日心说。
地心说中的本轮-均轮模型，毕竟是托勒密根据有限的观测资料拼凑出来的，它是通过人为地规定本轮、均轮的大小及行星运行速度，才使这个模型和实测结果较一致。但是，到了中世纪后期，随着观测仪器的不断改进，行星的位置和运动测量越来越精确，观测到的行星实际位置同这个模型的计算结果的偏差就逐渐显露出来了。
但是，信奉地心说的人们并没有认识到这是由于地心说本身的错误造成的，却用增加本轮的方法来补救地心说。起初这种办法还能勉强应付，后来小本轮增加到80多个，仍不能满意地计算出行星的准确位置。这不能不使人怀疑地心说的正确性了。到了16世纪，哥白尼在持日心地动观的古希腊先辈和同时代学者的基础上，终于创立了日心说。
(1)冲（opposition）：冲（chòng）日，简称冲。从地球上看，地外行星（火星）与太阳在相反方向成一条直线的时刻，就叫做行星（火星）冲日，是观测行星（火星）的最佳时刻。如果冲日时火星正好位于近日点附近，就称为“火星大冲”。火星大冲每15年或17年才会发生一次，上次发生的时间是2018年7月27日，下次则要等到2035年9月16日。
(2)合（conjunction）：由地球上看到太阳系里两个天体（常是太阳和地内行星）的黄经相等的现象：如金星与地球都在太阳一侧时，称为下合，此时金—地距离最近；金星与地球位于太阳两侧时，称为上合，此时金—地距离最远。