類文閱讀：人類認(rèn)識(shí)宇宙的里程碑

人類認(rèn)識(shí)宇宙的里程碑趙君亮天文學(xué)是最古老的自然科學(xué)學(xué)科之一。人類正確認(rèn)識(shí)宇宙以及地球在宇宙中的地位經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過(guò)程，這一過(guò)程與歷史上許多著名學(xué)者的辛勤勞動(dòng)——細(xì)致的觀測(cè)和深入的理論研究——是密切不可分的。從托勒密到哥白尼早在公元前4世紀(jì)，古希臘哲學(xué)家亞里士多德就已提出了“地心說(shuō)”，即認(rèn)為地球位于宇宙的中心。公元140年古希臘天文學(xué)家托勒密發(fā)表了他的13卷巨著《天文學(xué)大成》，在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上系統(tǒng)地確立了地心說(shuō)。根據(jù)這一學(xué)說(shuō)，地球?yàn)榍蛐?，且居于宇宙中心，靜止不動(dòng)，其他天體都繞著地球轉(zhuǎn)動(dòng)。這一學(xué)說(shuō)從表觀上解釋了日月星辰每天東升西落、周而復(fù)始的現(xiàn)象，又符合上帝創(chuàng)造人類、地球必然在宇宙中居有至高無(wú)上地位的宗教教義，因而流傳時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1300余年。早在兩千多年前，古希臘天文學(xué)家阿里斯塔克就已提出了樸素的“日心說(shuō)”。他指出，太陽(yáng)位于宇宙中心靜止不動(dòng)，地球則繞著太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又繞軸自轉(zhuǎn)。可惜由于科學(xué)水平的限制，這一天才的思想未能為人們所認(rèn)識(shí)。直到中世紀(jì)末，由于用托勒密地心體系推算出來(lái)的行星位置與實(shí)際天象的觀測(cè)結(jié)果不符，人們才開(kāi)始懷疑地心說(shuō)的正確性。1543年，波蘭天文學(xué)家哥白尼在他的不朽名著《天體運(yùn)行論》中系統(tǒng)地提出了日心說(shuō)。在他闡釋的日心體系中，太陽(yáng)居于宇宙的中心，地球和其他行星沿著圓形軌道繞太陽(yáng)運(yùn)行。這樣一來(lái)，托勒密地心體系中需要用極為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)圖像來(lái)解釋行星運(yùn)動(dòng)天象的煩瑣的工作一下子變得十分簡(jiǎn)單。后來(lái)，德國(guó)天文學(xué)家開(kāi)普勒指出，行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道應(yīng)該是橢圓而不是圓，太陽(yáng)位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。這一重大發(fā)展使得觀測(cè)結(jié)果完全可以用理論來(lái)加以解釋和預(yù)報(bào)，日心說(shuō)的地位進(jìn)一步得以鞏固。按照日心學(xué)說(shuō)，就地球上的人來(lái)看，天上恒星的位置應(yīng)隨著地球繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變化。在哥白尼提出日心說(shuō)后的近300年中，人們進(jìn)行了大量的觀測(cè)，企圖證明這一點(diǎn)，可是始終沒(méi)有成功。原來(lái)，恒星離開(kāi)地球十分遙遠(yuǎn)，最近的一顆也遠(yuǎn)達(dá)43萬(wàn)億千米。因此，地球圍繞太陽(yáng)運(yùn)行造成的這顆恒星的位置變化只有。恒星越遠(yuǎn)，這一變化也越小，當(dāng)時(shí)的觀測(cè)儀器是無(wú)法探測(cè)到的。直到1838年，德國(guó)天文學(xué)家白塞爾才首次利用三角方法測(cè)出一顆名為天鵝61的恒星的位置變化，并推算出它的距離為光年，從而最終證實(shí)了哥白尼的日心地動(dòng)學(xué)說(shuō)。地球的地位從居宇宙之中的特殊天體降為繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的一顆普通行星。太陽(yáng)并不位于宇宙中心1608年，荷蘭人李波爾賽在一次偶然的機(jī)會(huì)中發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡。翌年，意大利物理學(xué)家、天文學(xué)家伽里略在得知這一消息后，立刻親自動(dòng)手制作了第一架天文望遠(yuǎn)鏡，并不斷加以改進(jìn)。伽里略利用他的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了月球表面的環(huán)形山、金星月相、木星的衛(wèi)星、太陽(yáng)黑子，發(fā)現(xiàn)了茫茫銀河由無(wú)數(shù)個(gè)恒星所組成。早在15世紀(jì)中葉，德國(guó)大主教尼古拉就已猜測(cè)黑夜天穹中的恒星都是一個(gè)個(gè)十分遙遠(yuǎn)的太陽(yáng)。1584年，意大利人布魯諾明確提出宇宙是無(wú)限的，恒星都是遙遠(yuǎn)的太陽(yáng)，太陽(yáng)只是無(wú)數(shù)個(gè)恒星中的普通一員。1750年，英國(guó)天文學(xué)家賴特指出，銀河和所有觀測(cè)到的恒星構(gòu)成一個(gè)巨大的扁平狀天體系統(tǒng)，由于太陽(yáng)連同地球位于這一系統(tǒng)的內(nèi)部，從不同方向觀測(cè)才看到了銀河和離散分布的點(diǎn)點(diǎn)繁星。1785年，英籍德國(guó)天文學(xué)家威廉·赫歇爾利用他自制的當(dāng)時(shí)世界上最大的46厘米望遠(yuǎn)鏡，通過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)際觀測(cè)，并經(jīng)過(guò)精心的分析研究，建立了第一個(gè)銀河系模型。在這一模型中，太陽(yáng)仍然位于當(dāng)時(shí)人們所認(rèn)識(shí)的宇宙范圍——銀河系的中心。由于赫歇爾個(gè)人在當(dāng)時(shí)的威望，這一觀念一直維持了130余年之久。恒星這一名稱，無(wú)論在中國(guó)還是在西歐，它的含義都是“恒定不動(dòng)的星體”。因?yàn)樵诤荛L(zhǎng)時(shí)間內(nèi)人們都發(fā)現(xiàn)恒星間相對(duì)位置固定不動(dòng)，故而取了這么個(gè)名字。1718年，英國(guó)天文學(xué)家哈雷通過(guò)觀測(cè)和分析，首次指出恒星不動(dòng)的概念是錯(cuò)誤的。后來(lái)，赫歇爾正確地認(rèn)識(shí)到，我們所觀測(cè)到的恒星運(yùn)動(dòng)是由恒星自身的運(yùn)動(dòng)和太陽(yáng)的空間運(yùn)動(dòng)兩部分合成的結(jié)果。1783年，他通過(guò)對(duì)所觀測(cè)到的大量恒星運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)以大約每秒20千米的速度朝著織女星方向運(yùn)動(dòng)。太陽(yáng)空間運(yùn)動(dòng)的發(fā)現(xiàn)徹底動(dòng)搖了哥白尼日心體系中太陽(yáng)固定不動(dòng)的觀念。1917年，美國(guó)天文學(xué)家沙普利通過(guò)對(duì)銀河系內(nèi)天體分布的分析，確認(rèn)太陽(yáng)并不位于銀河系的中心，而是處于相對(duì)說(shuō)來(lái)比較靠近銀河系邊緣的地方，從而糾正了赫歇爾銀河系模型的錯(cuò)誤。這樣，太陽(yáng)的地位也發(fā)生了變化，從居于銀河系中心的特殊恒星，降為銀河系中一顆毫無(wú)特殊地位可言的普通恒星，地球在宇宙中的地位也就更無(wú)特殊性可言了。天外有天銀河系是否已經(jīng)包括了宇宙的全部?jī)?nèi)容呢？早在赫歇爾嘗試確定銀河系結(jié)構(gòu)之前，人們就已觀測(cè)到天空中除恒星外還存在著一些暗弱而又模糊的云霧狀天體，取名為“星云”。比如，1612年德國(guó)天文學(xué)家馬里烏斯率先用望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了仙女大星云。1750年賴特天才地猜想，這類星云中有一些可能是同銀河系相似的巨大恒星系統(tǒng)。1755年德國(guó)人康德首次明確提出在銀河系外的宇宙空間中存在著無(wú)數(shù)個(gè)類似的天體系統(tǒng)，稱為河外星系，或簡(jiǎn)稱星系，甚至確指仙女大星云即是一個(gè)很好的例子。可是當(dāng)時(shí)人們對(duì)星云的精細(xì)結(jié)構(gòu)缺乏了解，更不知道它們的距離，無(wú)從妄下斷語(yǔ)。盡管在赫歇爾時(shí)代之后，觀測(cè)手段不斷改進(jìn)，物理學(xué)研究方法不斷介入天文學(xué)，但直到20世紀(jì)初，關(guān)于星云的本質(zhì)仍然沒(méi)有明確的定論。在1920年4月美國(guó)科學(xué)院以“宇宙的尺度”為題的辯論會(huì)上，以柯蒂斯為首的一方認(rèn)為一部分星云實(shí)際上是河外星系，而以沙普利為代表的一方堅(jiān)持反對(duì)的立場(chǎng)，這就是天文學(xué)發(fā)展史上頗為有名的“沙普利——柯蒂斯之爭(zhēng)”。爭(zhēng)論雙方對(duì)立的觀點(diǎn)相持不下，勝負(fù)難決，問(wèn)題的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確測(cè)定星云的距離。天文學(xué)家始終為測(cè)定不同天體的距離而進(jìn)行不懈的努力。除了三角測(cè)量方法外，又發(fā)展了由光度測(cè)量確定天體距離的各種辦法，其中之一就是利用一種有特殊光度變化特性的變星——造父變星。原來(lái)，造父變星光度的變化十分有規(guī)則，而且光度越大光變周期也越長(zhǎng)。因此，只要測(cè)出造父變星的光變周期，就可以推算出它的實(shí)際光度，再把實(shí)際光度與觀測(cè)到的亮度進(jìn)行比較，就可以推算出它的距離來(lái)了。這種推算相當(dāng)準(zhǔn)確，因而造父變星有“量天尺”之稱。20世紀(jì)初，美國(guó)威爾遜山天文臺(tái)建成了當(dāng)時(shí)世界上最大口徑的米天文望遠(yuǎn)鏡。1923年10月6日，美國(guó)天文學(xué)家哈勃利用這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡拍攝了仙女星云的照片，照片上星云的外緣已被分解成一顆顆恒星。哈勃從中發(fā)現(xiàn)了多顆這類變星。利用這些造父變星，哈勃推算出仙女星云的距離為225萬(wàn)光年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出銀河系范圍。河外星系的存在最終得以確認(rèn)，仙女星云應(yīng)該更名為仙女星系，一場(chǎng)曠日持久的科學(xué)爭(zhēng)辯終于有了結(jié)論。赫歇爾的工作把