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我们这样认识宇宙(上)

时间:2019-01-23 18:28|来源:未知|编辑:admin|点击:999 次

人类告别了充满疑惑与震惊的18世纪,而展现在他们面前的却是充满坦途与自信的19世纪。人类探索真理海洋的航程刚刚起步,人类丈量宇宙的脚步也才刚从摇篮中迈出。19世纪牛顿力学又会带领人类的航船驶向何方呢?

我们这样认识宇宙(上)

我们这样认识宇宙分为(上、中、下)三篇…因为内容较多…所有请大家敬请关注我们下期内容


一、

我们是谁?我们从哪里来?我们孤独吗?这三个思考人类自身的问题由来已久,人类已经花了几千年寻找这几个问题的答案,却还因此困惑不已。然而,更加让我们困惑的是另外三个难以回答的终极问题,它们涉及宇宙最本质的秘密,有关宇宙隐藏得最深的一面,同样困扰了人类几十个世纪。这三个问题就是——宇宙从哪里来?宇宙为什么会是现在这样?宇宙将走向何方?接下来我们就上溯到科学长河的源头,看看那睿智的第一滴水是怎样变成滔滔江河的。

我们的先人很早就在思考这三个问题。实际上,古代天文学家对于宇宙的认识程度可能比我们今天很多人都要深。这些认识是古人长期观测天体的运动积累起来的经验总结,毕竟研究一样东西最直接的办法就是看看它究竟是怎么运作的,宇宙也不例外。古代的天文学家虽然没有我们今天先进的观测工具,但他们凭借数十年如一日的毅力和细致的观察还是总结出了不少经验。我们先不论其正确与否,单单是这样对待宇宙和科学的态度就值得我们肃然起敬。现在看看古人都发现了什么吧。他们观察日月星辰有规律的运行,发现不只是太阳会东升西落,繁星也是如此,星空总是围绕一个点不停地转动,日复一日,年复一年。于是古人自豪地意识到,原来我们脚下的大地就是宇宙的中心,因为日月星辰都在围绕我们转动!其实这种转动被今天的天文学家们称为周日视运动,恰恰是由于地球自转而产生的相对运动。但古人始终无法摒弃本位主义思想,坚信大地就是宇宙的中心,这种观念一直延续了数千年。

他们发现的不止这些。其实并不是所有的星星都年复一年地遵循相同的轨迹,有的星星会在群星之间随意地穿来穿去,好像并不认为大地是宇宙的中心。这些星星在几个月里向东运动,几个月里向西运动,这种运动被今天的天文学家们称为“顺行”、“逆行”和“留”。虽然也有规律可循,但这种奇怪的运动方式着实让古人摸不着头脑。于是古希腊的天文学家们把这些星星叫做“行星”,意思就是会动的星星,而其他按规矩来的星星则被叫做“恒星”。可是为什么行星的运动和恒星不同呢?古人看来唯一的解释就是它们都是有生命的神明。因此他们给五颗肉眼可见的行星以神明的名字命名:水星为众神的信使,金星为爱情和美丽之神,火星为战争之神,木星以众神之王命名,土星则是农业之神。对了,还有地球。不过古人面对脚下一望无垠的大地和海洋,很难将它同天空中闪闪发光的星星联系起来。可是大地究竟是什么样的呢?是古埃及神话中大地女神的身体,像古印度神话中描述的驮在大象的背上,像古代俄罗斯人说的那样被海龟驮着,还是像中国人说的那样天圆地方呢?

早在公元前3世纪,古希腊天文学家便提出了地球是圆的这一概念。有一种说法是他们看到月球弧形的边缘,推想所有天体都是圆形的。不论这种说法正确与否,地圆说的提出是人类认识宇宙的重大成果。以此为基础,古希腊学者埃拉托斯特尼用三角测量法计算出地球的周长约为39600千米,这与真实的数值(40000千米)已经十分接近;古希腊数学家毕达哥拉斯(没错,就是著名的毕达哥拉斯定理提出者,中国人把这个定理叫做“勾股定理”)认为月光是太阳光被月球反射的结果,进而计算出日地距离约为地月距离的18-20倍;公元前129年古希腊天文学家喜帕恰斯通过计算黄道(地球公转轨道平面)和白道(月球公转轨道平面)交点的运动求得了地球到月球的距离约为地球直径的三十又六分之一……人类认识宇宙的脚步一点点加快,我们已经不再是只会抬头仰望星空的物种,而是还会思考这一切的成因的物种。

此时,一位**性的人物登上了历史的舞台。他将前人对于宇宙的观察经验做了系统的总结和完善,并在现有的理论中加入了科学的观测和计算方法,使得天体的运动可以被较为准确地预测,他还将日月行星的运动做了当时看来最为准确的总结,归纳出了一套被奉为经典一千多年的理论,并将它记录在了同样被奉为经典的《天文学大成》中。这个伟大的人物就是生活在公元2世纪的古希腊天文学家克罗狄斯·托勒密,而他那套经典的理论就是带有本轮均轮系统的地心说——地球处在宇宙的中心静止不动,日月星辰都在各自的轨道上绕地球运动。系统的地心说是由托勒密提出并完善的,对于宇宙模型第一次系统的创立也是由托勒密完成的,因此从这个角度看,托勒密的成就足以与历史上最知名的天文学家相提并论。然而这一理论并不能百分之百地预测天空中那些幽灵——行星的运行。顺行和逆行还是像奥林匹斯山的众神一样捉摸不透,以至于后人不断增加本轮和均轮以满足行星运动预测的需要,使得整个系统庞大复杂,臃肿不堪,而这样的系统恰恰违背了科学对于一套理论的简洁明了的基本要求,也使人们在航海等日常用途上对于行星的观测变得十分不便。可是由于西方的自然科学在黑暗时期遭遇了低谷,这样的理论一直被沿用了一千多年。直到一位伟人的出现才改变了这样的局面,这个人就是波兰天文学家哥白尼。

今天先发到这里,关于哥白尼怎么颠覆地心说以及人类对于宇宙的认识又会有怎样的发展,后面接着发。

我们这样认识宇宙(上)

二、

上次我们说到托勒密的地心说越来越不适应人类对于天体运动预测越来越高的精度要求,同时经过完善的地心说本轮均轮加起来多达80余个,实在是不方便人们日常的计算。但是解决之道又在哪里呢?地心说是截至当时(中世纪)最完善的天体运动理论,毕竟它已经精确地预言了日月恒星的运动,只不过无法预测行星,同时最重要的一点在于,地心说与天主教教义相一致,天主教廷的“护身符”使得这一理论瞬间上升到了上帝的高度,更是无人敢提出异议。但是大家别忘了,好奇和求知是人类的一大天性,面对疑惑和不解,人类总想刨根问底想个明白,因此其实对于更加适用的宇宙体系的探索其实一直都没有停止。

1499年,一个年轻人从意大利博洛尼亚大学毕业,回到故乡并时常进行天文观测。他在观测时发现地心说对于行星运动的预测漏洞百出,他实在是烦透了那一大堆的本轮和均轮,想找出一个更加简便的计算方法。于是懒人的逻辑开始发挥作用了,他并不是自己推算,而是查阅古籍,看看古人对此有什么特别的见解。很快他就发现其实早在古希腊,天文学家们就注意到了这个问题,他们还独辟蹊径,提出为什么不能让太阳位于宇宙的中心呢?在公元前300多年古希腊天文学家赫拉克里特和阿里斯塔克的著作中就明确提出假设太阳是宇宙的中心(没错,日心说由来已久),地球也在围绕太阳转动。这个年轻人看后大受启发,于是他按照这个理论进行推导,对于行星运动的预测结果竟然和观测严丝合缝,甚至连顺行和逆行都能得到完美的解释。此时的他已经对太阳是宇宙的中心这一观点深信不疑。他由此计算出1恒星年为 365天6小时9分40秒,只比真实值多了30秒。于是他欣喜若狂,在欧洲各地做了许多演讲来宣布他的新发现,但是却接到了罗马教廷的警告,因为在他们看来,任何与地心说想抵触的学说都是异端邪说。于是他只好停止了演讲,转而著书立说,将他的理论写在了巨著《天体运行论》中。这个青年就是波兰天文学家尼古拉·哥白尼,他的新发现就是日心地动说。后面的故事相信很多人都有所耳闻,《天体运行论》在哥白尼临死前才得以出版,而他本人只摸了摸这本书的封皮就与世长辞了。日心说的主要内容是:太阳处在宇宙的中心并静止不动(没错,所以日心说也不全对),地球和其他五颗行星都在各自的轨道上围绕太阳公转,月球围绕地球公转,土星轨道外是同样静止不动的“恒星天”。

这下好了,你一定会认为整个科学界对此欢欣鼓舞,全人类终于摆脱了错误理论的羁绊了吧?没那么简单。这种公开宣扬地球是运动着的理论从一开始就不为罗马教廷所承认,而且当时的天文学家也很少有人接受这样的观点,所以日心说一直沉寂着,期待人们重新发现它的那一天。但是这样的结果对人类继续认识宇宙没有丝毫影响,天文学家们依旧满怀热情仰望星空,期待着激动人心的发现。历史就是这样巧合,激动人心的发现并没有让人们等待太长的时间。

1572年11月11日夜晚,年轻的丹麦天文学家第谷·布拉赫的视线正在仙后座附近徘徊。突然间,一件意想不到的事情发生了,这片天区居然出现了一颗新星!虽然亮度很暗,但是第谷还是敏锐地捕捉到了它的第一缕光线。反复核对后,第谷发现喜帕恰斯的星图上确实没有这颗新星。这样的发现着实令他不敢相信自己的眼睛,要知道,在当时的理论中,人们普遍相信亚里士多德的“天空一成不变”的说法是毋庸置疑的,因为天空中居住着各路神明,他们又怎么会变呢?就连哥白尼的日心说中都写到土星轨道外是静止不动的恒星天。可是第谷的眼睛确实没有骗他,他发现的其实是一种宇宙中非常普遍的现象——超新星爆发。一颗恒星的亮度会在一瞬间增长上百倍,因此能够引起我们的注意。第谷的发现告诉人类,星空并非一成不变,星空也并非死气沉沉,其实每个人都可以有自己的发现,每个人都可以创造历史,这也正是天文学的魅力所在。为了纪念第谷历史性的发现,人们把这颗星叫做第谷星。

激动人心的发现一串接着一串。第谷在晚年时曾经观测火星的运动,当他尝试用地心说来推算火星的运行时,他发现火星忽左忽右的摇摆似乎是在嘲笑那些本轮和均轮,地心说对此一筹莫展。于是他尝试了日心说,行星逆行的问题随即迎刃而解。原来根据日心说,地球和火星就像在赛跑的运动员,只不过地球在内道,火星在外道。因此地球的速度要比火星快,所以当地球完成内道超越的时候,火星看起来就在后退;可是当地球快要套圈的时候,火星却在地球前面,此时火星看起来就在前进。日心说用简单的六条轨道解决了这个80多个本轮和均轮都解决不了的问题。可是问题接踵而至,第谷的学生约翰尼斯·开普勒在整理老师的观测记录时,发现火星的运动总与根据日心说推算的运动有微小的偏差,可是他反复验算也找不出问题的症结所在。于是他开始像哥白尼一样探寻新的理论。在这个过程中,开普勒发现无论是托勒密、哥白尼还是第谷都在默认一点,那就是行星的轨道都是完美的圆形,其实这也是亚里士多德“天体完美无缺”理论的演绎。那么问题会不会出现在这里呢?他开创性地提出行星轨道都是椭圆,并在此基础上进行了大量的观测与计算(要知道当时微积分还没有创立,对于这种计算的难度是可想而知的),事实证明开普勒是对的,人类用自己的双手再一次颠覆了我们脑海中想当然的观念,天空不会亘古不变,行星的轨道也不是圆形,而是一个一个的椭圆。开普勒一鼓作气,研究了所有当时已知行星的轨道后提出了他著名的开普勒行星运动三定律,即:

1、每一个行星都沿各自的椭圆轨道环绕太阳,而太阳则处在椭圆的一个焦点。

2、在相等时间内,太阳和运动中的行星的连线(向量半径)所扫过的面积都是相等的。这一定律实际揭示了行星绕太阳公转的角动量守恒。

3、绕以太阳为焦点的椭圆轨道运行的所有行星,其椭圆轨道半长轴的立方与周期的平方之比是一个常量。

因为上述发现,开普勒被人们冠以“天空立法者”的头衔,这足以证明他的发现有多么重要。实际上,开普勒定律为万有引力定律的诞生奠定了坚实的基础。牛顿说过:“我之所以比别人看得远,是因为我站在巨人的肩膀上。”开普勒无疑是这些巨人中的一员。说到这里,似乎人类科学的前景一片大好,宇宙神秘的面纱马上就要被揭开,人类真的要建起直通霄汉的通天塔,与上帝对话了。可是别忘了,阻挠日心说的那股力量可是一点都没闲着。1600年2月17日,罗马鲜花广场聚集了很多围观群众,大家都在看着那个被钉在十字架上的疯子,至少罗马教廷说他是疯子,因为他居然公开支持日心说,这样一来上帝该被放在哪里呢?根据宗教裁判所的裁决,这个人将被施以火刑。你可能猜到了,这个人就是意大利天文学家布鲁诺。其实布鲁诺的死不仅仅因为他支持日心说,更重要的是他经常同教廷作对,早就成了罗马教廷的眼中钉,日心说只不过是一个借口罢了。这样一来,布鲁诺就成了对那些反对地心说的人们最好的警告。可是哪里有压迫,哪里就有反抗,有的人还就偏不信罗马教廷的说辞,相比之下,他们更愿意相信自己的眼睛。

1609年的的一个夏夜,意大利天文学家、物理学家和数学家伽利略像往常一样来到星空下。但是与往常不同,今天他的手里多了一个小玩意。他摆弄着那个小玩意,仔细端详后又反复调试,终于,他做出了一件令所有人意想不到的事情:他举起了那个东西,对准了自己的眼睛。当然,另一端对准的是浩瀚的银河。他也许没有想到,他的轻轻一举终结了一个时代,也开创了一个时代;为人类关上了一扇大门,却开启了另一扇窗。他手里的东西有个好玩的名字:望远镜。他究竟用望远镜干了什么,又对人类历史干了什么呢?且看下回分解。

我们这样认识宇宙(上)

三、

上次说到意大利天文学家伽利略开创性地将望远镜同天文观测结合起来。说到这里,我们就不能不提及这一划时代的发明——望远镜。一般认为望远镜是在1608年由荷兰眼镜商汉斯·李波尔发明的。其实欧洲人很早就发现将玻璃磨成一定的形状可以把微小的物体放大,这就是放大镜的雏形,在此基础上,人们通过调整玻璃片的形状和厚度来矫正近视眼的技术也日益成熟,望远镜的发明是一个量变引起质变的过程。眼镜商汉斯偶然发现将一块凸透镜和一块凹面镜排成一条直线时,透过这条直线望去,远处教堂的尖顶变大了许多。于是他为自己的发明申请了专利,并将其命名为“望远镜”,伽利略的望远镜的光学原理其实与此相同,当通过两块镜片的光线汇聚在同一个焦点时,凸透镜对光线的弯折就表现为对远处物体的拉近。说到这里,我想说一句题外话,我们大多数人对于望远镜的理解都存在一个谬误。当看到一架望远镜时,很多人都会问:“它能望多远?”其实这个问题是没有意义的,如果真要给出一个答案,那就是——无限远,别急着惊讶,肉眼同样可以望无限远。只要有光线进入望远镜,它就会被忠实地偏折,不论这道光来自多么遥远的地方。所以对于望远镜的能力大小的评价依据其实在于分辨率、它能看到的极限亮度、放大倍率等等,这里就不再赘述。言归正传,伽利略时代的镜片要靠手工磨制,镜片的焦距和曲率都很难掌握,因此当时望远镜的成像质量如果在今天甚至不如玩具望远镜,伽利略手中的望远镜就是这么一件东西。

其实谁发明了望远镜并不重要,重要的是谁将它指向天空。1609年的那个夏夜,伽利略的望远镜首先对准的就是夜空中浩瀚的银河。今天城里的人们很难看见银河,因为它的亮度已经接近肉眼所能看到的极限,城市中的光污染将银河的光完全淹没。但在400多年前,银河横跨天宇,是夜空中除了月亮最醒目的路标。如果用肉眼观看,银河是一条乳白色的带子,因此希腊神话中银河被描绘为天后赫拉在给儿子赫拉克勒斯喂奶时溅出的乳汁。而伽利略却在望远镜中看到了不一样的景色,望远镜中的银河不再是一条模糊的光带,而是一大片星星的聚集地,星星的数量多到简直让人眼花缭乱,有的形单影只,有的三五成群,有的干脆成百上千挤在一起,伽利略那晚看到的星星比他生平见到的还要多(这是因为望远镜的分辨率高于人眼,因此望远镜能够分辨单个的恒星,而肉眼看上去只是一团模糊的光斑)。视线离开望远镜,伽利略定了定神,这是真实发生的事情,还是仅仅是一个光影幻象呢?伽利略相信科学的本性指引他越来越坚信自己看到的是事实。于是他鼓起勇气,再次凑到了望远镜前,只不过这次他换了一个观测对象,瞄准了那个与地球相伴数十亿年的邻居——月球。这一次的发现简直让他倒吸一口凉气,平时看上去洁白无瑕,温柔似水的月球在望远镜里完全变了模样。明暗交界处坑坑洼洼、沟壑纵横的景象不禁让伽利略联想到我们脚下的大地,难道月球和地球一样有高山峡谷,有险滩急流,有江河湖海,有森林草原吗?而且这一发现彻底颠覆了亚里士多德“天体完美无缺”的定论,毕竟就连距离我们最近的月球都没有平整的表面,何谈其他天体呢?伽利略在以后的日子里对月球进行了全面细致的观测,发现月球上有相对明亮的区域,也有颜色相对较深的区域,他认为深色的的地方是注满水的海洋,于是将其命名为“月海”,月球上还有许多大坑(今天的天文学家们将其称为”环形山“,是古代小天体撞击月球留下的痕迹),虽然不知道是什么,但是伽利略为了表示对于古代科学家们的尊敬,用他们的名字命名了其中几个较大的大坑。于是,托勒密、喜帕恰斯、柏拉图、亚里士多德、毕达哥拉斯、哥白尼、第谷和开普勒等等闪着光辉的名字从此在月球上有了新的含义,这些伟人的光辉被后人永远铭记并被地球上的人类世世代代仰望着。

伽利略在观测月球之余也没闲着,他将望远镜对准了当时发现的几颗行星。奇妙的事情发生了,在望远镜中,在地球内侧运行的水星和金星会像月亮一样,出现阴晴圆缺的变化(今天的天文学家们将其称作”相位变化“),而处在最外侧的土星则仿佛长出了两个耳朵(土星环),太阳刺眼的表面出现了许多小黑点(太阳黑子)。最令人称奇的是”众神之王“木星的周围多了几个小星,这些小星只有在望远镜中才能显露真容,伽利略对于它们的运动做了详细的记录:第一天——木星左边两个,右边两个。第二天——左边一个,右边三个。第三天——左边三个,右边一个。第四天——左边两个,右边两个。忽然,伽利略发现了问题所在:原来这四颗小星在围绕木星转动,就像月球围绕地球转动一样!它们是木星的卫星,就像月球是地球的卫星一样!从伽利略意识到这一点的那一刻起,托勒密的地心体系就已经在不知不觉中轰然坍塌。木星卫星的存在告诉我们,宇宙中存在不围绕地球运转的天体,单从这一点看,地心体系中所有天体围绕地球转动就是彻头彻尾的歪理邪说。伽利略亲眼看到了地心说的失败,或者说,是伽利略给了日心说重见天日的机会。这下伽利略更加坚信自己是正确的,与一个世纪前的哥白尼不同,这一次他掌握了确凿的证据,那个证据每天都会挂在天边,只不过前人都没有发现。

他开始在意大利的各个大学宣讲自己的理论,想让更多的人认识到地心说的错误。但是这个发现很快就传到了教皇的耳朵里。罗马教廷警告伽利略立即否定他的异端邪说,否则就会成为第二个布鲁诺。但是伽利略对此毫不理睬,毕竟他坚信眼见为实,自己亲眼所见又有谁能说错呢?于是罗马教廷逮捕了伽利略,但是在学生们的压力下只是将他软禁,并且禁止他继续进行关于日心说的研究。但是伽利略不甘沉沦,他将自己的发现写在了《关于托勒密与哥白尼——两大世界体系的对话》一书中,并经由他的学生出版。这本书中详尽叙述了地心说与观测证据的矛盾,又利用日心说解释了诸如金星的相位变化和木星卫星等现象,是伽利略大法官对地心说和亚里士多德的经验理论判处死刑的审判书。伽利略因为激怒了天主教会,后半生一直被软禁在家中(几百年后他被罗马教廷平反昭雪)。但他在物理学、数学和天文学方面的建树前无古人,他对于力和惯性的解释为牛顿定律的创立铺平了道路,他用望远镜观测星空的举动开启了人类以镜观天的时代。望远镜让人类的眼睛插上了翅膀,让人类的视野插上了翅膀,更让人类的思维插上了翅膀。死气沉沉的夜空突然变得流光溢彩,千年不变的星辰突然令人眼花缭乱,就连东升西落的日月也似乎换了一副容颜。虽然我们今天的望远镜能一直看到宇宙的边缘,接收来自遥远星系的光线,但我们却无法忘记伽利略和他粗劣磨制的镜片,正是他引领我们走进了全新的时代。为了纪念1609年伽利略以镜观天,2009年被联合国定为国际天文年,而木星的四颗大卫星则被命名为伽利略卫星,以纪念伽利略和他为人类探索宇宙所做的一切。

伽利略的故事讲到这里就结束了,可是人类认识宇宙的故事却才刚刚开始。就在17世纪,意大利天文学家卡西尼和荷兰天文学家惠更斯确认了土星的光环和卫星,丹麦天文学家罗默通过对木星卫星的观测发现了光速的有限性,波兰天文学家赫维留绘制了详尽的月面图和星表。……所有这些成就都在预示着人类对于宇宙认识的一次飞跃。还记得我们一开始提出的那三个问题吗?宇宙从何而来?宇宙为什么会是现在这样?宇宙又将走向何方?从远古时代到伽利略的时代,人类已经在探索宇宙的道路上走了很远,但却只是不甚详尽地告诉人们”哦,原来宇宙是这样的“,可是宇宙为什么是这样的呢?人类还是一头雾水。幸运的是人类迎来了巨星闪耀的时代,这几个问题的神秘面纱也终将被揭开。

1642年,被软禁的伽利略在遗憾中与世长辞,但就在同一年,英国诞生了一位人类科学史上最伟大的人物(没有之一)。这个人在数学、力学、光学、天文学、哲学、经济学和神学上均有建树,他的理论一语道破了宇宙万物运行的基本规律,他总结出的定律直到今天仍然是经典中的经典。没错,这个人就是英国科学家艾萨克·牛顿。他在伽利略关于惯性和力的解释的基础上提出了牛顿第一和第二定律,解释了宇宙中力作用的基本规律,用简洁明了的相互性和放诸四海皆准的惯性定律深深折服了所有的科学家。他的万有引力定律更是让他戴上了科学的皇冠:在当时的人们看来,就连宇宙中的天体都被牛顿力学约束着,这样的理论和上帝又有什么区别呢?他在天文学上也有很多贡献。牛顿发明了反射式望远镜,后人为了纪念他把这种光学系统的望远镜称为牛顿反射式望远镜。他还透过三棱镜研究了太阳光的色散,使人类第一次能够解读恒星的语言——光谱。最重要的是,牛顿第一次尝试性地解答了那三个终极问题中的一个,那就是”宇宙为什么会是现在这个样子?“答案很简单,因为宇宙万物都遵循牛顿的经典力学规律。几条纤细的方程式就捆住了整个宇宙,是不是听起来很疯狂?但事实就是这样疯狂,就像当初托勒密认为地球是圆的,哥白尼认为大地在运动,伽利略发现土星有耳朵一样疯狂。但是对于其他两个问题,牛顿也有他时代的局限性。行星围绕太阳公转靠惯性,可是一开始它们又是因为什么转起来的呢?毕竟没有最初的运动,惯性的作用只能是保持静止。牛顿的解释是上帝的”第一推动力“。这样解释”宇宙从何而来“恐怕难以让人信服。不过至少人类看似已经解答了一个终极问题,下面的工作就是享受牛顿力学为我们带来的好处了。

伽利略和牛顿这两位伟人的光芒是在是太过耀眼,他们盖过了科学银河中无数不起眼的星星,但是科学的银河正是靠这些暗弱的星星才显得熠熠生辉。后世的物理学家和天文学家们又会用什么样的方式诠释他们对于宇宙的见解呢?且看下回分解。

我们这样认识宇宙(上)

四、

上次说到英国大科学家牛顿创立了束缚整个宇宙的力学体系,第一次解答了人类“宇宙为什么是现在这个样子”的疑问。牛顿体系的创立宣告着人类进入了一个伟大的黄金时代,此时的人类拥有了撬动地球的杠杆,拥有了打开宇宙之门的钥匙。从前的人类似乎只能仰天长叹,期盼宇宙自己告诉他们问题的答案,但是现在我们可以利用双手和双眼,自己去摘取科学的皇冠。赐予人类神一般力量的就是牛顿的三大定律,带给人类满腔自信的也是牛顿的三大定律。力学三定律创立之初,人类似乎难以改掉在摇篮中蜷缩的习惯,畏手畏脚停滞不前。但是当我们试着迈出第一步、第二步、第三步的时候,人类惊奇地发现自己手中的工具竟然如此神奇,轻轻一算宇宙便无法继续保有它延续了数十亿年的秘密,人类就像站在苹果树下的孩子,打开布袋等着科学之树上真理的果实落下将它填满。不出人类所料,一个又一个从前高不可攀的果实悉数被我们收入囊中。

1682年,一颗拖着长长尾巴的彗星出现在欧洲的夜空。在中世纪的欧洲,彗星被认为是灾难和痛苦的预兆,甚至在古代中国,彗星也被称作“扫帚星”,同样预示着不吉利的事情。但是在年轻的英国天文学家埃德蒙·哈雷看来,这次彗星的出现却为他的观测提供了绝佳的机会,也引起了他对于太阳系中这种特殊天体的兴趣。哈雷在整理前人的观测记录时发现,1531年和1607年欧洲出现的彗星的轨道根数与1682年出现的这颗彗星十分相似。他通过开普勒定律推导后预言,这颗彗星的运行周期为76年,因此会在1759年再次出现。哈雷的上述言论一经发表,马上遭到了科学界的抨击和嘲笑。有谁能预言看似没有任何规律的彗星的回归呢?可事实最终给他们上了一课。1759年3月,一颗拖着明亮彗尾的大彗星再次光临欧洲的夜空。这一次人们的恐惧减少了几分,取而代之的是对于哈雷预言准确的深深敬意。后人为了纪念哈雷,把这颗彗星命名为哈雷彗星(国际编号1P/Halley)。从此,彗星不再是带来灾祸的怪兽,而是向人类传达宇宙奥秘的使者,以至于在1986年哈雷彗星最近的一次回归时,五艘来自苏联、日本和欧空局的探测器作为人类的使者飞近这颗对人类来说意义深远的彗星,为它送上全人类最诚挚的感谢。天文学家哈雷最著名的贡献就是成功预言了哈雷彗星的回归。然而很少有人直到,他对于人类认识宇宙的贡献绝不仅仅于此。实际上,正是他后来的发现从根本上动摇了人类对于自己在宇宙中的地位的看法。为了绘制详尽的南半球星空的星图,哈雷于1718年观测了夜空中最亮的几颗恒星,并将它们同古希腊时代的天文学家喜帕恰斯和托勒密绘制的星图进行比较。有意思的事情发生了,哈雷发现自己望远镜中的恒星位置与那些先贤们的观测有很大的偏差,虽然古希腊的人们只靠肉眼观测,但误差不可能这么离谱。这究竟是怎么一回事呢?难道这些星星自己长了腿,自己会动吗?哈雷摇了摇头,恒星又不是行星,它们只是忠实地围绕北天极转动,日复一日,年复一年。他又对比了一个世纪前著名天文学家第谷绘制的星图,发现即使是相隔时间如此之短,观测精度如此之高的情况下,那些恒星的位置依然有着细微的移动。哈雷同样是个不迷信权威的人,他大胆猜测,也许恒星的位置根本就不是固定的,而是有着微小的移动,年复一年,这种移动累加起来的效应就非常明显了。这样的现象被今天的天文学家们称为恒星的自行,其实就是恒星本身在天空中的移动,而不是由于地球的运动产生的相对运动。因此,有许多我们熟悉的星座的形状在数万年后都会发生变化,就是因为恒星的自行。那么这个发现怎么颠覆了人们心中的观念呢?

原来,在哥白尼的日心说中,他明确提出太阳是宇宙的中心。古人早就意识到地球与其他恒星的距离要比地球到太阳的距离远很多,因此日心说也可以理解为太阳系处在宇宙的中心。但是奇妙的事情发生了,遥远的恒星居然都在移动,而且移动的方向也不尽相同,这无疑在暗示一点:太阳系根本就不是宇宙的中心!那既然地球不是宇宙的中心,太阳也不是宇宙的中心,也许宇宙根本就没有中心!这样的想法在当时的天文学界引起了很大的争议,但同时也引发了人们对于宇宙模型的新思考。的确,人类的思维被禁锢在太阳系中太久,一叶障目不见泰山的日子也太久,是时候放眼太阳系外的浩瀚银河了。

德国天文学家威廉·赫歇尔就是这么做的。他的兴趣与其他只爱好日月行星的天文学家不同,夜空中最令他着迷的就是无数眨着眼睛的恒星。只要天气晴好,他自制的口径15厘米、镜筒长达12米的望远镜就会在天空中几乎无处不在的双星、变星、星团、星云和星系之间徘徊。经过长时间对深空天体(就是上面说的双星变星之类)的观测,他编制了详尽的《梅西耶星云表》,共记录深空天体103个,因此我们在星图上看到的M1、M2等等缩写就是“梅西耶天体第某某号”的意思。赫歇尔还对我们身处其中的银河系做了大量的研究。最后他得出结论:银河系外观大致呈一个椭圆形的透镜形,包含有大约一千亿颗恒星,我们的太阳只是其中之一。这样的结论虽然不甚精确,但是在当时却是人类在探索宇宙的道路上向前迈出的一大步。我们第一次意识到了宇宙的广阔,单单是我们的星系就有数量如此众多的恒星,宇宙的结构果然名符其实。威廉赫歇尔因为如此卓越的贡献,被后人称为“恒星天文学之父”。

但是恒星天文学之父偶尔也搞搞副业。1781年3月13日晚,赫歇尔像往常一样搜索着星团和星云。当他的视线在双子座徘徊的时候,一颗星表上没有的亮星引起了他的注意。难道这是一颗新星?进一步的观测告诉他事实没那么简单。当换上更高倍率的目镜进行观测时,这颗亮星变成了一个蓝绿色的小圆盘。要知道,因为恒星距离太过遥远,再高倍率的观测也只能看到它们一个星点一样的身姿。赫歇尔瞬间意识到,他发现的其实是一颗行星!没错,赫歇尔确实发现了一颗行星,人们依据用罗马神话中的众神为行星命名的老传统将以天王乌拉诺斯(土星农神的父亲)的名字命名了这颗新行星——天王星。赫歇尔计算了天王星的轨道数据,发现它比土星距离太阳要远得多,因此太阳系的疆域因为天王星的发现得到了很大的扩展。

人们的视线因此又回到了与我们息息相关的太阳系。还记得牛顿怎么解释太阳系的形成吗?没错,上帝的第一推动力。但是上帝可以推动太阳系,难道他能推动银河系中一千亿颗恒星的自行吗?想想也觉得累。那究竟是什么神秘的力量早就了太阳系行星井井有条的运行呢?对此,法国天文学家拉普拉斯提出了自己的观点。当时人们已知太阳系有7颗行星,14颗大卫星,而这些天体的黄道面——即绕太阳的公转轨道平面——基本处在同一平面,七大行星的公转方向也相一致。据此,拉普拉斯提出了著名的星云假说。他认为太阳系形成之初并没有行星和卫星,围绕太阳的只是一团星云(今天的天文学家们把它叫做”原恒星盘“)。这团星云在万有引力作用下相互吸引,形成几个质量集中的空间,这些地方后来吸引了更多的气体和尘埃,形成了太阳系中的大行星,而卫星的形成大同小异。这个学说其实就是今天太阳系演化理论的雏形,它在很多方面已经非常接近真实情况。最重要的是,它的意义绝不仅在于天文学,拉普拉斯的星云理论给了当时遍布唯心主义和形而上学的欧洲理性的光芒,让人们认识到科学才能告诉我们事实的真相。因此恩格斯评论道:”拉普拉斯星云学说在18世纪的自然观上打开了第一个缺口。“

上面的几位伟大的天文学家为人类认识宇宙的道路点亮了一盏又一盏路灯,他们的灯油其实全部来自于牛顿力学体系的强力赞助。没有牛顿力学,哈雷算不出彗星轨道,测不出恒星距离,赫歇尔算不出天王星轨道,拉普拉斯也不可能想到星云学说。牛顿说过:“我不知道在别人看来,我是什么样的人;但在我自己看来,我不过就像是一个在海滨玩耍的小孩,为不时发现比寻常更为光滑的一块卵石或比寻常更为美丽的一片贝壳而沾沾自喜,而对于展现在我面前的浩瀚的真理的海洋,却全然没有发现。”但是他拾到的贝壳却让后来的人们听到了大海的声音,看到了浪花的美丽,更感受了海水的沐浴。当人类在真理的大海中扬帆远航的时候,他们手中紧握着的,定然是那个为他们带来希望与自信,告诉他们大海有多么美丽的沙滩上的贝壳。

人类告别了充满疑惑与震惊的18世纪,而展现在他们面前的却是充满坦途与自信的19世纪。人类探索真理海洋的航程刚刚起步,人类丈量宇宙的脚步也才刚从摇篮中迈出。19世纪牛顿力学又会带领人类的航船驶向何方呢?且看下回分解。

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本文说明:

作者:土卫六万岁

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