我們這樣認識宇宙(上)

人類告別了充滿疑惑與震驚的18世紀,而展現在他們面前的卻是充滿坦途與自信的19世紀。人類探索真理海洋的航程剛剛起步,人類丈量宇宙的腳步也才剛從搖籃中邁出。19世紀牛頓力學又會帶領人類的航船駛向何方呢?

我們這樣認識宇宙分為(上、中、下)三篇…因為內容較多…所有請大家敬請關注我們下期內容


一、

我們是誰?我們從哪里來?我們孤獨嗎?這三個思考人類自身的問題由來已久,人類已經花了幾千年尋找這幾個問題的答案,卻還因此困惑不已。然而,更加讓我們困惑的是另外三個難以回答的終極問題,它們涉及宇宙最本質的秘密,有關宇宙隱藏得最深的一面,同樣困擾了人類幾十個世紀。這三個問題就是——宇宙從哪里來?宇宙為什么會是現在這樣?宇宙將走向何方?接下來我們就上溯到科學長河的源頭,看看那睿智的第一滴水是怎樣變成滔滔江河的。

我們的先人很早就在思考這三個問題。實際上,古代天文學家對于宇宙的認識程度可能比我們今天很多人都要深。這些認識是古人長期觀測天體的運動積累起來的經驗總結,畢竟研究一樣東西最直接的辦法就是看看它究竟是怎么運作的,宇宙也不例外。古代的天文學家雖然沒有我們今天先進的觀測工具,但他們憑借數十年如一日的毅力和細致的觀察還是總結出了不少經驗。我們先不論其正確與否,單單是這樣對待宇宙和科學的態度就值得我們肅然起敬?,F在看看古人都發現了什么吧。他們觀察日月星辰有規律的運行,發現不只是太陽會東升西落,繁星也是如此,星空總是圍繞一個點不停地轉動,日復一日,年復一年。于是古人自豪地意識到,原來我們腳下的大地就是宇宙的中心,因為日月星辰都在圍繞我們轉動!其實這種轉動被今天的天文學家們稱為周日視運動,恰恰是由于地球自轉而產生的相對運動。但古人始終無法摒棄本位主義思想,堅信大地就是宇宙的中心,這種觀念一直延續了數千年。

他們發現的不止這些。其實并不是所有的星星都年復一年地遵循相同的軌跡,有的星星會在群星之間隨意地穿來穿去,好像并不認為大地是宇宙的中心。這些星星在幾個月里向東運動,幾個月里向西運動,這種運動被今天的天文學家們稱為“順行”、“逆行”和“留”。雖然也有規律可循,但這種奇怪的運動方式著實讓古人摸不著頭腦。于是古希臘的天文學家們把這些星星叫做“行星”,意思就是會動的星星,而其他按規矩來的星星則被叫做“恒星”??墒菫槭裁葱行堑倪\動和恒星不同呢?古人看來唯一的解釋就是它們都是有生命的神明。因此他們給五顆肉眼可見的行星以神明的名字命名:水星為眾神的信使,金星為愛情和美麗之神,火星為戰爭之神,木星以眾神之王命名,土星則是農業之神。對了,還有地球。不過古人面對腳下一望無垠的大地和海洋,很難將它同天空中閃閃發光的星星聯系起來??墒谴蟮鼐烤故鞘裁礃拥哪??是古埃及神話中大地女神的身體,像古印度神話中描述的馱在大象的背上,像古代俄羅斯人說的那樣被海龜馱著,還是像中國人說的那樣天圓地方呢?

早在公元前3世紀,古希臘天文學家便提出了地球是圓的這一概念。有一種說法是他們看到月球弧形的邊緣,推想所有天體都是圓形的。不論這種說法正確與否,地圓說的提出是人類認識宇宙的重大成果。以此為基礎,古希臘學者埃拉托斯特尼用三角測量法計算出地球的周長約為39600千米,這與真實的數值(40000千米)已經十分接近;古希臘數學家畢達哥拉斯(沒錯,就是著名的畢達哥拉斯定理提出者,中國人把這個定理叫做“勾股定理”)認為月光是太陽光被月球反射的結果,進而計算出日地距離約為地月距離的18-20倍;公元前129年古希臘天文學家喜帕恰斯通過計算黃道(地球公轉軌道平面)和白道(月球公轉軌道平面)交點的運動求得了地球到月球的距離約為地球直徑的三十又六分之一……人類認識宇宙的腳步一點點加快,我們已經不再是只會抬頭仰望星空的物種,而是還會思考這一切的成因的物種。

此時,一位**性的人物登上了歷史的舞臺。他將前人對于宇宙的觀察經驗做了系統的總結和完善,并在現有的理論中加入了科學的觀測和計算方法,使得天體的運動可以被較為準確地預測,他還將日月行星的運動做了當時看來最為準確的總結,歸納出了一套被奉為經典一千多年的理論,并將它記錄在了同樣被奉為經典的《天文學大成》中。這個偉大的人物就是生活在公元2世紀的古希臘天文學家克羅狄斯·托勒密,而他那套經典的理論就是帶有本輪均輪系統的地心說——地球處在宇宙的中心靜止不動,日月星辰都在各自的軌道上繞地球運動。系統的地心說是由托勒密提出并完善的,對于宇宙模型第一次系統的創立也是由托勒密完成的,因此從這個角度看,托勒密的成就足以與歷史上最知名的天文學家相提并論。然而這一理論并不能百分之百地預測天空中那些幽靈——行星的運行。順行和逆行還是像奧林匹斯山的眾神一樣捉摸不透,以至于后人不斷增加本輪和均輪以滿足行星運動預測的需要,使得整個系統龐大復雜,臃腫不堪,而這樣的系統恰恰違背了科學對于一套理論的簡潔明了的基本要求,也使人們在航海等日常用途上對于行星的觀測變得十分不便??墒怯捎谖鞣降淖匀豢茖W在黑暗時期遭遇了低谷,這樣的理論一直被沿用了一千多年。直到一位偉人的出現才改變了這樣的局面,這個人就是波蘭天文學家哥白尼。

今天先發到這里,關于哥白尼怎么顛覆地心說以及人類對于宇宙的認識又會有怎樣的發展,后面接著發。

二、

上次我們說到托勒密的地心說越來越不適應人類對于天體運動預測越來越高的精度要求,同時經過完善的地心說本輪均輪加起來多達80余個,實在是不方便人們日常的計算。但是解決之道又在哪里呢?地心說是截至當時(中世紀)最完善的天體運動理論,畢竟它已經精確地預言了日月恒星的運動,只不過無法預測行星,同時最重要的一點在于,地心說與天主教教義相一致,天主教廷的“護身符”使得這一理論瞬間上升到了上帝的高度,更是無人敢提出異議。但是大家別忘了,好奇和求知是人類的一大天性,面對疑惑和不解,人類總想刨根問底想個明白,因此其實對于更加適用的宇宙體系的探索其實一直都沒有停止。

1499年,一個年輕人從意大利博洛尼亞大學畢業,回到故鄉并時常進行天文觀測。他在觀測時發現地心說對于行星運動的預測漏洞百出,他實在是煩透了那一大堆的本輪和均輪,想找出一個更加簡便的計算方法。于是懶人的邏輯開始發揮作用了,他并不是自己推算,而是查閱古籍,看看古人對此有什么特別的見解。很快他就發現其實早在古希臘,天文學家們就注意到了這個問題,他們還獨辟蹊徑,提出為什么不能讓太陽位于宇宙的中心呢?在公元前300多年古希臘天文學家赫拉克里特和阿里斯塔克的著作中就明確提出假設太陽是宇宙的中心(沒錯,日心說由來已久),地球也在圍繞太陽轉動。這個年輕人看后大受啟發,于是他按照這個理論進行推導,對于行星運動的預測結果竟然和觀測嚴絲合縫,甚至連順行和逆行都能得到完美的解釋。此時的他已經對太陽是宇宙的中心這一觀點深信不疑。他由此計算出1恒星年為 365天6小時9分40秒,只比真實值多了30秒。于是他欣喜若狂,在歐洲各地做了許多演講來宣布他的新發現,但是卻接到了羅馬教廷的警告,因為在他們看來,任何與地心說想抵觸的學說都是異端邪說。于是他只好停止了演講,轉而著書立說,將他的理論寫在了巨著《天體運行論》中。這個青年就是波蘭天文學家尼古拉·哥白尼,他的新發現就是日心地動說。后面的故事相信很多人都有所耳聞,《天體運行論》在哥白尼臨死前才得以出版,而他本人只摸了摸這本書的封皮就與世長辭了。日心說的主要內容是:太陽處在宇宙的中心并靜止不動(沒錯,所以日心說也不全對),地球和其他五顆行星都在各自的軌道上圍繞太陽公轉,月球圍繞地球公轉,土星軌道外是同樣靜止不動的“恒星天”。

這下好了,你一定會認為整個科學界對此歡欣鼓舞,全人類終于擺脫了錯誤理論的羈絆了吧?沒那么簡單。這種公開宣揚地球是運動著的理論從一開始就不為羅馬教廷所承認,而且當時的天文學家也很少有人接受這樣的觀點,所以日心說一直沉寂著,期待人們重新發現它的那一天。但是這樣的結果對人類繼續認識宇宙沒有絲毫影響,天文學家們依舊滿懷熱情仰望星空,期待著激動人心的發現。歷史就是這樣巧合,激動人心的發現并沒有讓人們等待太長的時間。

1572年11月11日夜晚,年輕的丹麥天文學家第谷·布拉赫的視線正在仙后座附近徘徊。突然間,一件意想不到的事情發生了,這片天區居然出現了一顆新星!雖然亮度很暗,但是第谷還是敏銳地捕捉到了它的第一縷光線。反復核對后,第谷發現喜帕恰斯的星圖上確實沒有這顆新星。這樣的發現著實令他不敢相信自己的眼睛,要知道,在當時的理論中,人們普遍相信亞里士多德的“天空一成不變”的說法是毋庸置疑的,因為天空中居住著各路神明,他們又怎么會變呢?就連哥白尼的日心說中都寫到土星軌道外是靜止不動的恒星天??墒堑诠鹊难劬Υ_實沒有騙他,他發現的其實是一種宇宙中非常普遍的現象——超新星爆發。一顆恒星的亮度會在一瞬間增長上百倍,因此能夠引起我們的注意。第谷的發現告訴人類,星空并非一成不變,星空也并非死氣沉沉,其實每個人都可以有自己的發現,每個人都可以創造歷史,這也正是天文學的魅力所在。為了紀念第谷歷史性的發現,人們把這顆星叫做第谷星。

激動人心的發現一串接著一串。第谷在晚年時曾經觀測火星的運動,當他嘗試用地心說來推算火星的運行時,他發現火星忽左忽右的搖擺似乎是在嘲笑那些本輪和均輪,地心說對此一籌莫展。于是他嘗試了日心說,行星逆行的問題隨即迎刃而解。原來根據日心說,地球和火星就像在賽跑的運動員,只不過地球在內道,火星在外道。因此地球的速度要比火星快,所以當地球完成內道超越的時候,火星看起來就在后退;可是當地球快要套圈的時候,火星卻在地球前面,此時火星看起來就在前進。日心說用簡單的六條軌道解決了這個80多個本輪和均輪都解決不了的問題??墒菃栴}接踵而至,第谷的學生約翰尼斯·開普勒在整理老師的觀測記錄時,發現火星的運動總與根據日心說推算的運動有微小的偏差,可是他反復驗算也找不出問題的癥結所在。于是他開始像哥白尼一樣探尋新的理論。在這個過程中,開普勒發現無論是托勒密、哥白尼還是第谷都在默認一點,那就是行星的軌道都是完美的圓形,其實這也是亞里士多德“天體完美無缺”理論的演繹。那么問題會不會出現在這里呢?他開創性地提出行星軌道都是橢圓,并在此基礎上進行了大量的觀測與計算(要知道當時微積分還沒有創立,對于這種計算的難度是可想而知的),事實證明開普勒是對的,人類用自己的雙手再一次顛覆了我們腦海中想當然的觀念,天空不會亙古不變,行星的軌道也不是圓形,而是一個一個的橢圓。開普勒一鼓作氣,研究了所有當時已知行星的軌道后提出了他著名的開普勒行星運動三定律,即:

1、每一個行星都沿各自的橢圓軌道環繞太陽,而太陽則處在橢圓的一個焦點。

2、在相等時間內,太陽和運動中的行星的連線(向量半徑)所掃過的面積都是相等的。這一定律實際揭示了行星繞太陽公轉的角動量守恒。

3、繞以太陽為焦點的橢圓軌道運行的所有行星,其橢圓軌道半長軸的立方與周期的平方之比是一個常量。

因為上述發現,開普勒被人們冠以“天空立法者”的頭銜,這足以證明他的發現有多么重要。實際上,開普勒定律為萬有引力定律的誕生奠定了堅實的基礎。牛頓說過:“我之所以比別人看得遠,是因為我站在巨人的肩膀上?!遍_普勒無疑是這些巨人中的一員。說到這里,似乎人類科學的前景一片大好,宇宙神秘的面紗馬上就要被揭開,人類真的要建起直通霄漢的通天塔,與上帝對話了??墒莿e忘了,阻撓日心說的那股力量可是一點都沒閑著。1600年2月17日,羅馬鮮花廣場聚集了很多圍觀群眾,大家都在看著那個被釘在十字架上的瘋子,至少羅馬教廷說他是瘋子,因為他居然公開支持日心說,這樣一來上帝該被放在哪里呢?根據宗教裁判所的裁決,這個人將被施以火刑。你可能猜到了,這個人就是意大利天文學家布魯諾。其實布魯諾的死不僅僅因為他支持日心說,更重要的是他經常同教廷作對,早就成了羅馬教廷的眼中釘,日心說只不過是一個借口罷了。這樣一來,布魯諾就成了對那些反對地心說的人們最好的警告??墒悄睦镉袎浩?,哪里就有反抗,有的人還就偏不信羅馬教廷的說辭,相比之下,他們更愿意相信自己的眼睛。

1609年的的一個夏夜,意大利天文學家、物理學家和數學家伽利略像往常一樣來到星空下。但是與往常不同,今天他的手里多了一個小玩意。他擺弄著那個小玩意,仔細端詳后又反復調試,終于,他做出了一件令所有人意想不到的事情:他舉起了那個東西,對準了自己的眼睛。當然,另一端對準的是浩瀚的銀河。他也許沒有想到,他的輕輕一舉終結了一個時代,也開創了一個時代;為人類關上了一扇大門,卻開啟了另一扇窗。他手里的東西有個好玩的名字:望遠鏡。他究竟用望遠鏡干了什么,又對人類歷史干了什么呢?且看下回分解。

三、

上次說到意大利天文學家伽利略開創性地將望遠鏡同天文觀測結合起來。說到這里,我們就不能不提及這一劃時代的發明——望遠鏡。一般認為望遠鏡是在1608年由荷蘭眼鏡商漢斯·李波爾發明的。其實歐洲人很早就發現將玻璃磨成一定的形狀可以把微小的物體放大,這就是放大鏡的雛形,在此基礎上,人們通過調整玻璃片的形狀和厚度來矯正近視眼的技術也日益成熟,望遠鏡的發明是一個量變引起質變的過程。眼鏡商漢斯偶然發現將一塊凸透鏡和一塊凹面鏡排成一條直線時,透過這條直線望去,遠處教堂的尖頂變大了許多。于是他為自己的發明申請了專利,并將其命名為“望遠鏡”,伽利略的望遠鏡的光學原理其實與此相同,當通過兩塊鏡片的光線匯聚在同一個焦點時,凸透鏡對光線的彎折就表現為對遠處物體的拉近。說到這里,我想說一句題外話,我們大多數人對于望遠鏡的理解都存在一個謬誤。當看到一架望遠鏡時,很多人都會問:“它能望多遠?”其實這個問題是沒有意義的,如果真要給出一個答案,那就是——無限遠,別急著驚訝,肉眼同樣可以望無限遠。只要有光線進入望遠鏡,它就會被忠實地偏折,不論這道光來自多么遙遠的地方。所以對于望遠鏡的能力大小的評價依據其實在于分辨率、它能看到的極限亮度、放大倍率等等,這里就不再贅述。言歸正傳,伽利略時代的鏡片要靠手工磨制,鏡片的焦距和曲率都很難掌握,因此當時望遠鏡的成像質量如果在今天甚至不如玩具望遠鏡,伽利略手中的望遠鏡就是這么一件東西。

其實誰發明了望遠鏡并不重要,重要的是誰將它指向天空。1609年的那個夏夜,伽利略的望遠鏡首先對準的就是夜空中浩瀚的銀河。今天城里的人們很難看見銀河,因為它的亮度已經接近肉眼所能看到的極限,城市中的光污染將銀河的光完全淹沒。但在400多年前,銀河橫跨天宇,是夜空中除了月亮最醒目的路標。如果用肉眼觀看,銀河是一條乳白色的帶子,因此希臘神話中銀河被描繪為天后赫拉在給兒子赫拉克勒斯喂奶時濺出的乳汁。而伽利略卻在望遠鏡中看到了不一樣的景色,望遠鏡中的銀河不再是一條模糊的光帶,而是一大片星星的聚集地,星星的數量多到簡直讓人眼花繚亂,有的形單影只,有的三五成群,有的干脆成百上千擠在一起,伽利略那晚看到的星星比他生平見到的還要多(這是因為望遠鏡的分辨率高于人眼,因此望遠鏡能夠分辨單個的恒星,而肉眼看上去只是一團模糊的光斑)。視線離開望遠鏡,伽利略定了定神,這是真實發生的事情,還是僅僅是一個光影幻象呢?伽利略相信科學的本性指引他越來越堅信自己看到的是事實。于是他鼓起勇氣,再次湊到了望遠鏡前,只不過這次他換了一個觀測對象,瞄準了那個與地球相伴數十億年的鄰居——月球。這一次的發現簡直讓他倒吸一口涼氣,平時看上去潔白無瑕,溫柔似水的月球在望遠鏡里完全變了模樣。明暗交界處坑坑洼洼、溝壑縱橫的景象不禁讓伽利略聯想到我們腳下的大地,難道月球和地球一樣有高山峽谷,有險灘急流,有江河湖海,有森林草原嗎?而且這一發現徹底顛覆了亞里士多德“天體完美無缺”的定論,畢竟就連距離我們最近的月球都沒有平整的表面,何談其他天體呢?伽利略在以后的日子里對月球進行了全面細致的觀測,發現月球上有相對明亮的區域,也有顏色相對較深的區域,他認為深色的的地方是注滿水的海洋,于是將其命名為“月?!?,月球上還有許多大坑(今天的天文學家們將其稱為”環形山“,是古代小天體撞擊月球留下的痕跡),雖然不知道是什么,但是伽利略為了表示對于古代科學家們的尊敬,用他們的名字命名了其中幾個較大的大坑。于是,托勒密、喜帕恰斯、柏拉圖、亞里士多德、畢達哥拉斯、哥白尼、第谷和開普勒等等閃著光輝的名字從此在月球上有了新的含義,這些偉人的光輝被后人永遠銘記并被地球上的人類世世代代仰望著。

伽利略在觀測月球之余也沒閑著,他將望遠鏡對準了當時發現的幾顆行星。奇妙的事情發生了,在望遠鏡中,在地球內側運行的水星和金星會像月亮一樣,出現陰晴圓缺的變化(今天的天文學家們將其稱作”相位變化“),而處在最外側的土星則仿佛長出了兩個耳朵(土星環),太陽刺眼的表面出現了許多小黑點(太陽黑子)。最令人稱奇的是”眾神之王“木星的周圍多了幾個小星,這些小星只有在望遠鏡中才能顯露真容,伽利略對于它們的運動做了詳細的記錄:第一天——木星左邊兩個,右邊兩個。第二天——左邊一個,右邊三個。第三天——左邊三個,右邊一個。第四天——左邊兩個,右邊兩個。忽然,伽利略發現了問題所在:原來這四顆小星在圍繞木星轉動,就像月球圍繞地球轉動一樣!它們是木星的衛星,就像月球是地球的衛星一樣!從伽利略意識到這一點的那一刻起,托勒密的地心體系就已經在不知不覺中轟然坍塌。木星衛星的存在告訴我們,宇宙中存在不圍繞地球運轉的天體,單從這一點看,地心體系中所有天體圍繞地球轉動就是徹頭徹尾的歪理邪說。伽利略親眼看到了地心說的失敗,或者說,是伽利略給了日心說重見天日的機會。這下伽利略更加堅信自己是正確的,與一個世紀前的哥白尼不同,這一次他掌握了確鑿的證據,那個證據每天都會掛在天邊,只不過前人都沒有發現。

他開始在意大利的各個大學宣講自己的理論,想讓更多的人認識到地心說的錯誤。但是這個發現很快就傳到了教皇的耳朵里。羅馬教廷警告伽利略立即否定他的異端邪說,否則就會成為第二個布魯諾。但是伽利略對此毫不理睬,畢竟他堅信眼見為實,自己親眼所見又有誰能說錯呢?于是羅馬教廷逮捕了伽利略,但是在學生們的壓力下只是將他軟禁,并且禁止他繼續進行關于日心說的研究。但是伽利略不甘沉淪,他將自己的發現寫在了《關于托勒密與哥白尼——兩大世界體系的對話》一書中,并經由他的學生出版。這本書中詳盡敘述了地心說與觀測證據的矛盾,又利用日心說解釋了諸如金星的相位變化和木星衛星等現象,是伽利略大法官對地心說和亞里士多德的經驗理論判處死刑的審判書。伽利略因為激怒了天主教會,后半生一直被軟禁在家中(幾百年后他被羅馬教廷平反昭雪)。但他在物理學、數學和天文學方面的建樹前無古人,他對于力和慣性的解釋為牛頓定律的創立鋪平了道路,他用望遠鏡觀測星空的舉動開啟了人類以鏡觀天的時代。望遠鏡讓人類的眼睛插上了翅膀,讓人類的視野插上了翅膀,更讓人類的思維插上了翅膀。死氣沉沉的夜空突然變得流光溢彩,千年不變的星辰突然令人眼花繚亂,就連東升西落的日月也似乎換了一副容顏。雖然我們今天的望遠鏡能一直看到宇宙的邊緣,接收來自遙遠星系的光線,但我們卻無法忘記伽利略和他粗劣磨制的鏡片,正是他引領我們走進了全新的時代。為了紀念1609年伽利略以鏡觀天,2009年被聯合國定為國際天文年,而木星的四顆大衛星則被命名為伽利略衛星,以紀念伽利略和他為人類探索宇宙所做的一切。

伽利略的故事講到這里就結束了,可是人類認識宇宙的故事卻才剛剛開始。就在17世紀,意大利天文學家卡西尼和荷蘭天文學家惠更斯確認了土星的光環和衛星,丹麥天文學家羅默通過對木星衛星的觀測發現了光速的有限性,波蘭天文學家赫維留繪制了詳盡的月面圖和星表?!羞@些成就都在預示著人類對于宇宙認識的一次飛躍。還記得我們一開始提出的那三個問題嗎?宇宙從何而來?宇宙為什么會是現在這樣?宇宙又將走向何方?從遠古時代到伽利略的時代,人類已經在探索宇宙的道路上走了很遠,但卻只是不甚詳盡地告訴人們”哦,原來宇宙是這樣的“,可是宇宙為什么是這樣的呢?人類還是一頭霧水。幸運的是人類迎來了巨星閃耀的時代,這幾個問題的神秘面紗也終將被揭開。

1642年,被軟禁的伽利略在遺憾中與世長辭,但就在同一年,英國誕生了一位人類科學史上最偉大的人物(沒有之一)。這個人在數學、力學、光學、天文學、哲學、經濟學和神學上均有建樹,他的理論一語道破了宇宙萬物運行的基本規律,他總結出的定律直到今天仍然是經典中的經典。沒錯,這個人就是英國科學家艾薩克·牛頓。他在伽利略關于慣性和力的解釋的基礎上提出了牛頓第一和第二定律,解釋了宇宙中力作用的基本規律,用簡潔明了的相互性和放諸四海皆準的慣性定律深深折服了所有的科學家。他的萬有引力定律更是讓他戴上了科學的皇冠:在當時的人們看來,就連宇宙中的天體都被牛頓力學約束著,這樣的理論和上帝又有什么區別呢?他在天文學上也有很多貢獻。牛頓發明了反射式望遠鏡,后人為了紀念他把這種光學系統的望遠鏡稱為牛頓反射式望遠鏡。他還透過三棱鏡研究了太陽光的色散,使人類第一次能夠解讀恒星的語言——光譜。最重要的是,牛頓第一次嘗試性地解答了那三個終極問題中的一個,那就是”宇宙為什么會是現在這個樣子?“答案很簡單,因為宇宙萬物都遵循牛頓的經典力學規律。幾條纖細的方程式就捆住了整個宇宙,是不是聽起來很瘋狂?但事實就是這樣瘋狂,就像當初托勒密認為地球是圓的,哥白尼認為大地在運動,伽利略發現土星有耳朵一樣瘋狂。但是對于其他兩個問題,牛頓也有他時代的局限性。行星圍繞太陽公轉靠慣性,可是一開始它們又是因為什么轉起來的呢?畢竟沒有最初的運動,慣性的作用只能是保持靜止。牛頓的解釋是上帝的”第一推動力“。這樣解釋”宇宙從何而來“恐怕難以讓人信服。不過至少人類看似已經解答了一個終極問題,下面的工作就是享受牛頓力學為我們帶來的好處了。

伽利略和牛頓這兩位偉人的光芒是在是太過耀眼,他們蓋過了科學銀河中無數不起眼的星星,但是科學的銀河正是靠這些暗弱的星星才顯得熠熠生輝。后世的物理學家和天文學家們又會用什么樣的方式詮釋他們對于宇宙的見解呢?且看下回分解。

四、

上次說到英國大科學家牛頓創立了束縛整個宇宙的力學體系,第一次解答了人類“宇宙為什么是現在這個樣子”的疑問。牛頓體系的創立宣告著人類進入了一個偉大的黃金時代,此時的人類擁有了撬動地球的杠桿,擁有了打開宇宙之門的鑰匙。從前的人類似乎只能仰天長嘆,期盼宇宙自己告訴他們問題的答案,但是現在我們可以利用雙手和雙眼,自己去摘取科學的皇冠。賜予人類神一般力量的就是牛頓的三大定律,帶給人類滿腔自信的也是牛頓的三大定律。力學三定律創立之初,人類似乎難以改掉在搖籃中蜷縮的習慣,畏手畏腳停滯不前。但是當我們試著邁出第一步、第二步、第三步的時候,人類驚奇地發現自己手中的工具竟然如此神奇,輕輕一算宇宙便無法繼續保有它延續了數十億年的秘密,人類就像站在蘋果樹下的孩子,打開布袋等著科學之樹上真理的果實落下將它填滿。不出人類所料,一個又一個從前高不可攀的果實悉數被我們收入囊中。

1682年,一顆拖著長長尾巴的彗星出現在歐洲的夜空。在中世紀的歐洲,彗星被認為是災難和痛苦的預兆,甚至在古代中國,彗星也被稱作“掃帚星”,同樣預示著不吉利的事情。但是在年輕的英國天文學家埃德蒙·哈雷看來,這次彗星的出現卻為他的觀測提供了絕佳的機會,也引起了他對于太陽系中這種特殊天體的興趣。哈雷在整理前人的觀測記錄時發現,1531年和1607年歐洲出現的彗星的軌道根數與1682年出現的這顆彗星十分相似。他通過開普勒定律推導后預言,這顆彗星的運行周期為76年,因此會在1759年再次出現。哈雷的上述言論一經發表,馬上遭到了科學界的抨擊和嘲笑。有誰能預言看似沒有任何規律的彗星的回歸呢?可事實最終給他們上了一課。1759年3月,一顆拖著明亮彗尾的大彗星再次光臨歐洲的夜空。這一次人們的恐懼減少了幾分,取而代之的是對于哈雷預言準確的深深敬意。后人為了紀念哈雷,把這顆彗星命名為哈雷彗星(國際編號1P/Halley)。從此,彗星不再是帶來災禍的怪獸,而是向人類傳達宇宙奧秘的使者,以至于在1986年哈雷彗星最近的一次回歸時,五艘來自蘇聯、日本和歐空局的探測器作為人類的使者飛近這顆對人類來說意義深遠的彗星,為它送上全人類最誠摯的感謝。天文學家哈雷最著名的貢獻就是成功預言了哈雷彗星的回歸。然而很少有人直到,他對于人類認識宇宙的貢獻絕不僅僅于此。實際上,正是他后來的發現從根本上動搖了人類對于自己在宇宙中的地位的看法。為了繪制詳盡的南半球星空的星圖,哈雷于1718年觀測了夜空中最亮的幾顆恒星,并將它們同古希臘時代的天文學家喜帕恰斯和托勒密繪制的星圖進行比較。有意思的事情發生了,哈雷發現自己望遠鏡中的恒星位置與那些先賢們的觀測有很大的偏差,雖然古希臘的人們只靠肉眼觀測,但誤差不可能這么離譜。這究竟是怎么一回事呢?難道這些星星自己長了腿,自己會動嗎?哈雷搖了搖頭,恒星又不是行星,它們只是忠實地圍繞北天極轉動,日復一日,年復一年。他又對比了一個世紀前著名天文學家第谷繪制的星圖,發現即使是相隔時間如此之短,觀測精度如此之高的情況下,那些恒星的位置依然有著細微的移動。哈雷同樣是個不迷信權威的人,他大膽猜測,也許恒星的位置根本就不是固定的,而是有著微小的移動,年復一年,這種移動累加起來的效應就非常明顯了。這樣的現象被今天的天文學家們稱為恒星的自行,其實就是恒星本身在天空中的移動,而不是由于地球的運動產生的相對運動。因此,有許多我們熟悉的星座的形狀在數萬年后都會發生變化,就是因為恒星的自行。那么這個發現怎么顛覆了人們心中的觀念呢?

原來,在哥白尼的日心說中,他明確提出太陽是宇宙的中心。古人早就意識到地球與其他恒星的距離要比地球到太陽的距離遠很多,因此日心說也可以理解為太陽系處在宇宙的中心。但是奇妙的事情發生了,遙遠的恒星居然都在移動,而且移動的方向也不盡相同,這無疑在暗示一點:太陽系根本就不是宇宙的中心!那既然地球不是宇宙的中心,太陽也不是宇宙的中心,也許宇宙根本就沒有中心!這樣的想法在當時的天文學界引起了很大的爭議,但同時也引發了人們對于宇宙模型的新思考。的確,人類的思維被禁錮在太陽系中太久,一葉障目不見泰山的日子也太久,是時候放眼太陽系外的浩瀚銀河了。

德國天文學家威廉·赫歇爾就是這么做的。他的興趣與其他只愛好日月行星的天文學家不同,夜空中最令他著迷的就是無數眨著眼睛的恒星。只要天氣晴好,他自制的口徑15厘米、鏡筒長達12米的望遠鏡就會在天空中幾乎無處不在的雙星、變星、星團、星云和星系之間徘徊。經過長時間對深空天體(就是上面說的雙星變星之類)的觀測,他編制了詳盡的《梅西耶星云表》,共記錄深空天體103個,因此我們在星圖上看到的M1、M2等等縮寫就是“梅西耶天體第某某號”的意思。赫歇爾還對我們身處其中的銀河系做了大量的研究。最后他得出結論:銀河系外觀大致呈一個橢圓形的透鏡形,包含有大約一千億顆恒星,我們的太陽只是其中之一。這樣的結論雖然不甚精確,但是在當時卻是人類在探索宇宙的道路上向前邁出的一大步。我們第一次意識到了宇宙的廣闊,單單是我們的星系就有數量如此眾多的恒星,宇宙的結構果然名符其實。威廉赫歇爾因為如此卓越的貢獻,被后人稱為“恒星天文學之父”。

但是恒星天文學之父偶爾也搞搞副業。1781年3月13日晚,赫歇爾像往常一樣搜索著星團和星云。當他的視線在雙子座徘徊的時候,一顆星表上沒有的亮星引起了他的注意。難道這是一顆新星?進一步的觀測告訴他事實沒那么簡單。當換上更高倍率的目鏡進行觀測時,這顆亮星變成了一個藍綠色的小圓盤。要知道,因為恒星距離太過遙遠,再高倍率的觀測也只能看到它們一個星點一樣的身姿。赫歇爾瞬間意識到,他發現的其實是一顆行星!沒錯,赫歇爾確實發現了一顆行星,人們依據用羅馬神話中的眾神為行星命名的老傳統將以天王烏拉諾斯(土星農神的父親)的名字命名了這顆新行星——天王星。赫歇爾計算了天王星的軌道數據,發現它比土星距離太陽要遠得多,因此太陽系的疆域因為天王星的發現得到了很大的擴展。

人們的視線因此又回到了與我們息息相關的太陽系。還記得牛頓怎么解釋太陽系的形成嗎?沒錯,上帝的第一推動力。但是上帝可以推動太陽系,難道他能推動銀河系中一千億顆恒星的自行嗎?想想也覺得累。那究竟是什么神秘的力量早就了太陽系行星井井有條的運行呢?對此,法國天文學家拉普拉斯提出了自己的觀點。當時人們已知太陽系有7顆行星,14顆大衛星,而這些天體的黃道面——即繞太陽的公轉軌道平面——基本處在同一平面,七大行星的公轉方向也相一致。據此,拉普拉斯提出了著名的星云假說。他認為太陽系形成之初并沒有行星和衛星,圍繞太陽的只是一團星云(今天的天文學家們把它叫做”原恒星盤“)。這團星云在萬有引力作用下相互吸引,形成幾個質量集中的空間,這些地方后來吸引了更多的氣體和塵埃,形成了太陽系中的大行星,而衛星的形成大同小異。這個學說其實就是今天太陽系演化理論的雛形,它在很多方面已經非常接近真實情況。最重要的是,它的意義絕不僅在于天文學,拉普拉斯的星云理論給了當時遍布唯心主義和形而上學的歐洲理性的光芒,讓人們認識到科學才能告訴我們事實的真相。因此恩格斯評論道:”拉普拉斯星云學說在18世紀的自然觀上打開了第一個缺口?!?/p>

上面的幾位偉大的天文學家為人類認識宇宙的道路點亮了一盞又一盞路燈,他們的燈油其實全部來自于牛頓力學體系的強力贊助。沒有牛頓力學,哈雷算不出彗星軌道,測不出恒星距離,赫歇爾算不出天王星軌道,拉普拉斯也不可能想到星云學說。牛頓說過:“我不知道在別人看來,我是什么樣的人;但在我自己看來,我不過就像是一個在海濱玩耍的小孩,為不時發現比尋常更為光滑的一塊卵石或比尋常更為美麗的一片貝殼而沾沾自喜,而對于展現在我面前的浩瀚的真理的海洋,卻全然沒有發現?!钡撬暗降呢悮s讓后來的人們聽到了大海的聲音,看到了浪花的美麗,更感受了海水的沐浴。當人類在真理的大海中揚帆遠航的時候,他們手中緊握著的,定然是那個為他們帶來希望與自信,告訴他們大海有多么美麗的沙灘上的貝殼。

人類告別了充滿疑惑與震驚的18世紀,而展現在他們面前的卻是充滿坦途與自信的19世紀。人類探索真理海洋的航程剛剛起步,人類丈量宇宙的腳步也才剛從搖籃中邁出。19世紀牛頓力學又會帶領人類的航船駛向何方呢?且看下回分解。

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本文說明:

作者:土衛六萬歲

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