张双南:人类宇宙观的七次飞跃

讲到天文学史,我习惯以我个人总结的七次飞跃作为主要脉络来理解。

第一次飞跃:日心说取代地心说

古希腊的宇宙观,主要是最后由亚里士多德建立起来的一个非常复杂的同心球模型。

同心球模型,图自网络

在这个模型里,地球在中心,而每一个天体,包括太阳,都被“镶嵌”在不同同心球层上面,有非常复杂的机制,保证每个天体运动是匀速圆周运动。

就经验而言,这个模型很合理。在地球上我们每天经历日升月落,所有天体都会升起再落下;“宇宙围绕着地球转”的结论不算荒谬。

美国报纸上发表过一个民意测验,问大家到底是太阳绕地球转,还是地球绕太阳转?结果相当令人震惊,答案参半。当中有些人回答:“虽然学校都教后者,但我自己感觉是前者。”

按照亚里士多德的模型,天体只能往一个方向跑,不可能倒回去,但是这样一来,理论和人们观察到的事实又互相违背,因为人们经常观察到火星逆行的现象。于是,地心说的危机出现了。

后来,天才的托勒密给每个天体加上了一个轮子。每个天体有一个本轮,除了绕着地球,也绕着本轮转,而且本轮还经常是偏心轮。所以托勒密模型异常复杂。但尽管复杂,却可以把天体的运动描述得非常精确,而且可以进行天体预言。这就把地心说维持住了。

从此,天文学家的任务就变得既简单,又复杂——简单在于只需要对天体轮子的参数进行测量,复杂在于参数越来越多,每过一段时间就要更新。

然而,哥白尼抗拒复杂的模型。在他看来,好的理论应该简洁,于是提出了日心说——所有天体都绕着太阳运动,包括地球。这个假说也能很好解释为什么火星会出现逆行,是因为各自绕太阳的周期不同,是相对运动造成的观测现象。

但当时日心说对天体运动的描述精度不高,所以没有获得广泛的支持。

精度问题,终于在开普勒这里得到了解决。开普勒是日心说的支持者。伟大的天文学观测家第谷英年早逝,开普勒继承了他的数据,很快,开普勒三定律就诞生了。

开普勒三定律的核心就是确定了天体绕太阳运动的轨道不是圆周,而是椭圆。

在今天看来,圆变椭圆或许不过是添加了一个参数;但当时从柏拉图开始,所有天文学家都埋头研究匀速圆周运动,在那样的时代背景下,这是了不得的变化。

虽然日心说吻合了所有的观测事实。但加了轮子的地心说同样能解释这些观测现象,人们看不见日心说的优势,所以日心说依旧没有获得支持。

下一个关键突破口,发生在伽利略。他在1609年发明了天文望远镜,通过前所未有的观测精度,确立了日心说的优势。

首先,发现月球与其他行星的光都是反射太阳的光,而非自己发光。

另外,还发现木星有4颗卫星。这意味着宇宙中已经确定了4个不绕着地球运动的天体,这对于设定地球是宇宙中心的地心说,是一种打击。

最后,发现金星盈亏与大小的变化。这在地心说的理论框架下完全无法解释。如果天体都绕着地球转,无论什么时候,都不可能出现满金现象(金星被太阳完全照亮);相反,如果天体都绕着太阳转,不仅满金现象能得到解释,金星不同时候的亮度差异,由于与地球距离不同,也一并获得解释。

用温伯格的话来说就是,“这是地心说棺材上的最后一根钉子。”

从理念上,伽利略的望远镜,使得天文学脱离了纯粹的思辨,进入通过天文仪器进行观测并建立理论模型解释世界的新天文时代。这是一个根本性的改变。

直到现在,世界各地包括中国都在持续建造各种天文仪器,以此进一步理解宇宙,当然,也包括我们今天看到的明安图射电望远镜。

除了更精确的观测,伽利略的实验主义,对于当时对自然只能观察、不能实验的亚里士多德学派科学风格,也有极其重大的突破意义。

爱因斯坦评价,伽利略开创的科学方法是人类思想史上最伟大的成就之一,用实验和论证彻底代替了直觉,标志着物理学真正的开端。

第二次飞跃:太阳系不是宇宙的中心

荷兰天文学家卡普坦测量了45万颗恒星的距离——他假定所有恒星的绝对亮度都一样,并通过观测的亮度推导恒星的距离。

结果,他发现从地球上观测到的恒星,分布并不均匀,有些方向上多、有些方向上少,这意味着我们并不处于宇宙的中心。

同时,他也发现一定距离之外,就不再有恒星,由此确定了银河系的规模。

美国天文学家沙普利,也做了类似测量。他的测量基础比卡普坦的假定好一些,建立在69个当时已知的球状星团中,而结果是类似的——我们太阳系不在宇宙的中心,而宇宙也存在一个边界和规模。

第三次飞跃:银河系不是整个宇宙

这是通过哈勃望远镜拍到的一张照片。点状的东西,是恒星,这没有异议。但除此之外,那些模模糊糊的云状物体,到底是什么?

如果这些云在银河系内,那么这些云延伸到哪里,银河系的边界就大致到哪。如果这些云在银河系外,那么银河系就不是整个宇宙,而宇宙会非常之大。

最后,这问题是靠哈勃解决。他通过仔细观察这些星云,并提升分辨率越看越请,发现这些星云实际上和星系无异,只不过是形态不同、距离很远,并做了分类,这一套分类(哈勃系列)我们至今仍然沿用。

观察结果也让人们意识到,银河系并非整个宇宙,只是宇宙中很小的一部分。而人类在宇宙当中的地位,就显得越来越不特殊,也不重要了。

第四次飞跃:宇宙是膨胀的

根据哈勃的观测,什么时候观测星系都处于不变的状态,而且在大尺度上各方位的分布也是均匀的,我们不难推测得到这样的结论——宇宙是无限的、永恒的。

然而,这结论和古老的奥伯斯佯谬产生了矛盾。即如果宇宙无限大,那么我们在地球上接收来自于各方位无数天体的光,加起来就是无限大,那么我们应该会被亮瞎眼。

这显然不符合现实观察。那么矛盾出在哪里?这个矛盾,既由哈勃的观测产生,也由哈勃的观测解决。

1929年,哈勃发现了哈勃定律——星系相对于我们,一直在后退,离我们越远,后退速度越大。

可见,宇宙在膨胀。那么倒推回去,宇宙必然有个起源。既然有起源,那么宇宙的寿命必然有限。既然寿命有限,我们接收到的这些天体的光也就必然有限。有限的时间之内,光线传输需要时间,所以我们只能接收到有限的天体的光。如此,矛盾迎刃而解了。

第五次飞跃:宇宙大爆炸产生了宇宙

哈勃定律表明:宇宙有起源。但起源是什么,依然成谜。

1965年,美国两位射电工程师彭基亚斯和威尔逊,通过当时通讯用的天线,无意发现了一种四面八方的信号。最初以为是噪声,花了各种方法去噪,一度以为天线挨了鸟粪而清理了一遍,但没有用。

考虑到当时已知的天体也产生信号,他们接着再把这些信号去除后,信号依旧。最后,他们明白,这是宇宙背景里四方八面的微波辐射信号。

在当时,已经有人提出了宇宙大爆炸的理论——爆炸之后的膨胀过程中,宇宙逐渐冷却,一直到现在非常低的温度,进而产生了这微波背景辐射。

两人的发现确立了哈勃膨胀是由宇宙大爆炸的结果,并于1978年获得诺贝尔物理学奖。

第六次飞跃:宇宙加速膨胀

由于宇宙大尺度上只有引力,那么宇宙大爆炸以后,在引力的作用下,膨胀只能就逐渐减速。那么。天文学家的任务就变成测量宇宙膨胀的减速参数。

意想不到的是,1988年,三位年轻的天文学家普尔穆特、赖斯和施密特测量发现,遥远的宇宙天体膨胀确实在减速,但靠近我们的那些天体,膨胀速度却是正在加速。

换句话说,宇宙早期膨胀之后,是先经历了一段减速,接着转向加速。

但如果只有引力,膨胀只会减速,最后不膨胀、塌缩,为什么会加速?所以,人们认为存在一种未知的暗能量,使得天体之间同时存在相互排斥力——只不过早期宇宙密度大,引力更关键,而今天宇宙密度低了,排斥力反超了引力,使得宇宙膨胀从减速转向加速。

至今,我们认识的宇宙,起源于大爆炸,之后先减速、后加速;成分上,4%由正常物质组成,其余则是暗物质和暗能量。

暗物质和暗能量是目前笼罩现代物理学和天文学上空的“两朵乌云”,任何突破,将可能带来一次新的物理学革命。

第七次飞跃:可能存在其它世界和文明

为什么要研究其他的地方呢?其实有一个非常重要的问题。

关于地球生命的起源,至今仍然是未知。地球上的生命起源于海洋,但这些生命的源头又在哪里?或许是地球,或许是太阳系其他行星,甚至其他星系。

1992年,科学家在一颗脉冲星周围,发现了太阳系外的第一个行星,不过那是一个中子星,但因为环境太恶劣,所以不可能存在生命。

1995年,在飞马座51附近,天文学家发现了类似太阳系的行星系统。

目前,在太阳系外3000多个恒星周围,共发现了4000多个行星。而且当中有一些居于宜居带,行星和恒星的距离不近不远,来自恒星的辐射能量恰到好处,类似于地球,所以上面有可能有生命。

但到目前为止,地球以外的其他生命还没发现。

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