我們這樣認(rèn)識(shí)宇宙

1、我們這樣認(rèn)識(shí)宇宙（上）人類告別了充滿疑惑與震驚的 18 世紀(jì)，而展現(xiàn)在他們 面前的卻是充滿坦途與自信的 19 世紀(jì)。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(jì)牛頓力學(xué)又會(huì)帶領(lǐng)人類的航船駛向何方呢？我們 這樣認(rèn)識(shí)宇宙分為（上、中、下）三篇因?yàn)閮?nèi)容較多所 有請(qǐng)大家敬請(qǐng)關(guān)注我們下期內(nèi)容一、我們是誰(shuí)？我們從哪里 來？我們孤獨(dú)嗎？這三個(gè)思考人類自身的問題由來已久，人 類已經(jīng)花了幾千年尋找這幾個(gè)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(gè)難以回答的終極問 題，它們涉及宇宙最本質(zhì)的秘密，有關(guān)宇宙隱藏得最深的一 面，同樣困擾了人類幾十個(gè)世紀(jì)。這三個(gè)

2、問題就是宇宙 從哪里來？宇宙為什么會(huì)是現(xiàn)在這樣？宇宙將走向何方？ 接下來我們就上溯到科學(xué)長(zhǎng)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(gè) 問題。實(shí)際上，古代天文學(xué)家對(duì)于宇宙的認(rèn)識(shí)程度可能比我 們今天很多人都要深。這些認(rèn)識(shí)是古人長(zhǎng)期觀測(cè)天體的運(yùn)動(dòng) 積累起來的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，畢竟研究一樣?xùn)|西最直接的辦法就是 看看它究竟是怎么運(yùn)作的，宇宙也不例外。古代的天文學(xué)家 雖然沒有我們今天先進(jìn)的觀測(cè)工具，但他們憑借數(shù)十年如一 日的毅力和細(xì)致的觀察還是總結(jié)出了不少經(jīng)驗(yàn)。我們先不論其正確與否，單單是這樣對(duì)待宇宙和科學(xué)的態(tài)度就值得我們 肅然起敬?，F(xiàn)在看看古人都發(fā)現(xiàn)了什么吧。他們觀察日月

3、星 辰有規(guī)律的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)不只是太陽(yáng)會(huì)東升西落，繁星也是如 此，星空總是圍繞一個(gè)點(diǎn)不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，日復(fù)一日，年復(fù)一年于是古人自豪地意識(shí)到，原來我們腳下的大地就是宇宙的中 心，因?yàn)槿赵滦浅蕉荚趪@我們轉(zhuǎn)動(dòng)！其實(shí)這種轉(zhuǎn)動(dòng)被今天 的天文學(xué)家們稱為周日視運(yùn)動(dòng)，恰恰是由于地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生 的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。但古人始終無法摒棄本位主義思想，堅(jiān)信大地 就是宇宙的中心，這種觀念一直延續(xù)了數(shù)千年。他們發(fā)現(xiàn)的 不止這些。其實(shí)并不是所有的星星都年復(fù)一年地遵循相同的 軌跡，有的星星會(huì)在群星之間隨意地穿來穿去，好像并不認(rèn) 為大地是宇宙的中心。這些星星在幾個(gè)月里向東運(yùn)動(dòng)，幾個(gè) 月里向西運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)被今天的天文學(xué)家們稱為“順行”“逆行

4、”和“留”。雖然也有規(guī)律可循，但這種奇怪的運(yùn)動(dòng) 方式著實(shí)讓古人摸不著頭腦。于是古希臘的天文學(xué)家們把這 些星星叫做“行星”，意思就是會(huì)動(dòng)的星星，而其他按規(guī)矩 來的星星則被叫做“恒星”。可是為什么行星的運(yùn)動(dòng)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(zhàn)爭(zhēng)之神，木 星以眾神之王命名，土星則是農(nóng)業(yè)之神。對(duì)了，還有地球。不過古人面對(duì)腳下一望無垠的大地和海洋，很難將它同天空 中閃閃發(fā)光的星星聯(lián)系起來。可是大地究竟是什么樣的呢？ 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，

5、像古代俄羅斯人說的那樣被海龜馱著，還是 像中國(guó)人說的那樣天圓地方呢？早在公元前 3 世紀(jì)，古希臘 天文學(xué)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(rèn)識(shí)宇宙的重大成果。 以此為基礎(chǔ)，古希臘學(xué)者埃拉托斯特尼用三角測(cè)量法計(jì)算出 地球的周長(zhǎng)約為 39600 千米， 這與真實(shí)的數(shù)值 （40000 千米） 已經(jīng)十分接近；古希臘數(shù)學(xué)家畢達(dá)哥拉斯（沒錯(cuò)，就是著名 的畢達(dá)哥拉斯定理提出者，中國(guó)人把這個(gè)定理叫做“勾股定 理”）認(rèn)為月光是太陽(yáng)光被月球反射的結(jié)果，進(jìn)而計(jì)算出日 地距離約為地月距離的 18-20 倍；公元前 12

6、9 年古希臘天文 學(xué)家喜帕恰斯通過計(jì)算黃道 （地球公轉(zhuǎn)軌道平面） 和白道（月 球公轉(zhuǎn)軌道平面）交點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)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(rèn)識(shí)宇宙的腳步一點(diǎn) 點(diǎn)加快，我們已經(jīng)不再是只會(huì)抬頭仰望星空的物種，而是還 會(huì)思考這一切的成因的物種。此時(shí)，一位 * 性的人物登上了 歷史的舞臺(tái)。他將前人對(duì)于宇宙的觀察經(jīng)驗(yàn)做了系統(tǒng)的總結(jié) 和完善，并在現(xiàn)有的理論中加入了科學(xué)的觀測(cè)和計(jì)算方法， 使得天體的運(yùn)動(dòng)可以被較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)，他還將日月行星的 運(yùn)動(dòng)做了當(dāng)時(shí)看來最為準(zhǔn)確的總結(jié)，歸納出了一套被奉為經(jīng)典一千多年的理論，并將它記錄在了同樣被奉為經(jīng)典的天 文學(xué)大成中。這個(gè)偉大的人物就是生活在公元

7、2 世紀(jì)的古 希臘天文學(xué)家克羅狄斯托勒密，而他那套經(jīng)典的理論就是 帶有本輪均輪系統(tǒng)的地心說地球處在宇宙的中心靜止 不動(dòng)，日月星辰都在各自的軌道上繞地球運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)的地心 說是由托勒密提出并完善的，對(duì)于宇宙模型第一次系統(tǒng)的創(chuàng) 立也是由托勒密完成的，因此從這個(gè)角度看，托勒密的成就 足以與歷史上最知名的天文學(xué)家相提并論。然而這一理論并 不能百分之百地預(yù)測(cè)天空中那些幽靈行星的運(yùn)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(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)的需要，使得整個(gè) 系統(tǒng)龐大復(fù)雜，臃腫不堪，而這樣的系統(tǒng)恰恰違背了科學(xué)對(duì) 于一套理論的簡(jiǎn)潔明了的基本要求，也使人們?cè)诤胶５热粘?用途

8、上對(duì)于行星的觀測(cè)變得十分不便?？墒怯捎谖鞣降淖匀?科學(xué)在黑暗時(shí)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(xiàn)才改變了這樣的局面，這個(gè)人就 是波蘭天文學(xué)家哥白尼。今天先發(fā)到這里，關(guān)于哥白尼怎么 顛覆地心說以及人類對(duì)于宇宙的認(rèn)識(shí)又會(huì)有怎樣的發(fā)展，后 面接著發(fā)。二、上次我們說到托勒密的地心說越來越不適應(yīng) 人類對(duì)于天體運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)越來越高的精度要求，同時(shí)經(jīng)過完善 的地心說本輪均輪加起來多達(dá) 80 余個(gè)，實(shí)在是不方便人們 日常的計(jì)算。但是解決之道又在哪里呢？地心說是截至當(dāng)時(shí)（中世紀(jì)）最完善的天體運(yùn)動(dòng)理論，畢竟它已經(jīng)精確地預(yù)言 了日月恒星的運(yùn)動(dòng)，只不過無法預(yù)測(cè)行星，同時(shí)最重要的一 點(diǎn)在于，

9、 地心說與天主教教義相一致， 天主教廷的 “護(hù)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(duì) 疑惑和不解，人類總想刨根問底想個(gè)明白，因此其實(shí)對(duì)于更 加適用的宇宙體系的探索其實(shí)一直都沒有停止。 1499 年，一 個(gè)年輕人從意大利博洛尼亞大學(xué)畢業(yè)，回到故鄉(xiāng)并時(shí)常進(jìn)行 天文觀測(cè)。他在觀測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)地心說對(duì)于行星運(yùn)動(dòng)的預(yù)測(cè)漏洞 百出，他實(shí)在是煩透了那一大堆的本輪和均輪，想找出一個(gè) 更加簡(jiǎn)便的計(jì)算方法。于是懶人的邏輯開始發(fā)揮作用了，他 并不是自己推算，而是查閱古籍，看看古人對(duì)此有什么特別 的見解。很快他就發(fā)現(xiàn)其實(shí)早在古希臘，天文學(xué)家們就注意

10、 到了這個(gè)問題，他們還獨(dú)辟蹊徑，提出為什么不能讓太陽(yáng)位 于宇宙的中心呢？在公元前 300 多年古希臘天文學(xué)家赫拉克 里特和阿里斯塔克的著作中就明確提出假設(shè)太陽(yáng)是宇宙的 中心（沒錯(cuò)，日心說由來已久） ，地球也在圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)。 這個(gè)年輕人看后大受啟發(fā)，于是他按照這個(gè)理論進(jìn)行推導(dǎo)， 對(duì)于行星運(yùn)動(dòng)的預(yù)測(cè)結(jié)果竟然和觀測(cè)嚴(yán)絲合縫，甚至連順行 和逆行都能得到完美的解釋。此時(shí)的他已經(jīng)對(duì)太陽(yáng)是宇宙的 中心這一觀點(diǎn)深信不疑。他由此計(jì)算出 1 恒星年為 365 天 6 小時(shí) 9 分 40 秒，只比真實(shí)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(fā)現(xiàn)，但是卻接到了 羅馬教廷的警告，因?yàn)樵谒麄?/p>

11、看來，任何與地心說想抵觸的 學(xué)說都是異端邪說。 于是他只好停止了演講， 轉(zhuǎn)而著書立說， 將他的理論寫在了巨著天體運(yùn)行論中。這個(gè)青年就是波 蘭天文學(xué)家尼古拉哥白尼，他的新發(fā)現(xiàn)就是日心地動(dòng)說。 后面的故事相信很多人都有所耳聞， 天體運(yùn)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(zhǎng)辭了。日心說的主要內(nèi)容是：太陽(yáng)處在宇宙的中心并靜 止不動(dòng)（沒錯(cuò)，所以日心說也不全對(duì)） ，地球和其他五顆行 星都在各自的軌道上圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，月球圍繞地球公轉(zhuǎn)，土 星軌道外是同樣靜止不動(dòng)的“恒星天” 。這下好了，你一定 會(huì)認(rèn)為整個(gè)科學(xué)界對(duì)此歡欣鼓舞，全人類終于擺脫了錯(cuò)誤理 論的羈絆了吧？沒那么簡(jiǎn)單。這種

12、公開宣揚(yáng)地球是運(yùn)動(dòng)著的 理論從一開始就不為羅馬教廷所承認(rèn)，而且當(dāng)時(shí)的天文學(xué)家 也很少有人接受這樣的觀點(diǎn)，所以日心說一直沉寂著，期待 人們重新發(fā)現(xiàn)它的那一天。但是這樣的結(jié)果對(duì)人類繼續(xù)認(rèn)識(shí) 宇宙沒有絲毫影響，天文學(xué)家們依舊滿懷熱情仰望星空，期 待著激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)。歷史就是這樣巧合，激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn) 并沒有讓人們等待太長(zhǎng)的時(shí)間。 1572 年 11月 11日夜晚，年 輕的丹麥天文學(xué)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(fā)生了，這片天區(qū)居然出 現(xiàn)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(fù)核對(duì)后，第谷發(fā)現(xiàn)喜帕恰斯的星圖 上確實(shí)沒有這顆新星。這樣的

13、發(fā)現(xiàn)著實(shí)令他不敢相信自己的 眼睛，要知道，在當(dāng)時(shí)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?yàn)樘炜罩芯幼?著各路神明，他們又怎么會(huì)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(dòng)的恒星天?？墒堑诠鹊难劬Υ_實(shí) 沒有騙他，他發(fā)現(xiàn)的其實(shí)是一種宇宙中非常普遍的現(xiàn)象 超新星爆發(fā)。一顆恒星的亮度會(huì)在一瞬間增長(zhǎng)上百倍，因此 能夠引起我們的注意。第谷的發(fā)現(xiàn)告訴人類，星空并非一成 不變，星空也并非死氣沉沉，其實(shí)每個(gè)人都可以有自己的發(fā) 現(xiàn)，每個(gè)人都可以創(chuàng)造歷史，這也正是天文學(xué)的魅力所在。 為了紀(jì)念第谷歷史性的發(fā)現(xiàn)，人們把這顆星叫做第谷星。激 動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)一串接著一串。第谷在晚年

14、時(shí)曾經(jīng)觀測(cè)火星的 運(yùn)動(dòng)，當(dāng)他嘗試用地心說來推算火星的運(yùn)行時(shí)，他發(fā)現(xiàn)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(duì)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(jù)日心說，地球和火星就像在賽跑的運(yùn)動(dòng)員， 只不過地球在內(nèi)道，火星在外道。因此地球的速度要比火星 快，所以當(dāng)?shù)厍蛲瓿蓛?nèi)道超越的時(shí)候， 火星看起來就在后退； 可是當(dāng)?shù)厍蚩煲兹Φ臅r(shí)候，火星卻在地球前面，此時(shí)火星 看起來就在前進(jìn)。日心說用簡(jiǎn)單的六條軌道解決了這個(gè) 80 多個(gè)本輪和均輪都解決不了的問題?？墒菃栴}接踵而至，第 谷的學(xué)生約翰尼斯開普勒在整理老師的觀測(cè)記錄時(shí)，發(fā)現(xiàn) 火星的運(yùn)動(dòng)總與根據(jù)日心說推算的運(yùn)動(dòng)有微

15、小的偏差，可是 他反復(fù)驗(yàn)算也找不出問題的癥結(jié)所在。于是他開始像哥白尼 一樣探尋新的理論。在這個(gè)過程中，開普勒發(fā)現(xiàn)無論是托勒 密、哥白尼還是第谷都在默認(rèn)一點(diǎn)，那就是行星的軌道都是 完美的圓形，其實(shí)這也是亞里士多德“天體完美無缺”理論 的演繹。那么問題會(huì)不會(huì)出現(xiàn)在這里呢？他開創(chuàng)性地提出行 星軌道都是橢圓，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量的觀測(cè)與計(jì)算 （要知道當(dāng)時(shí)微積分還沒有創(chuàng)立，對(duì)于這種計(jì)算的難度是可 想而知的），事實(shí)證明開普勒是對(duì)的，人類用自己的雙手再 一次顛覆了我們腦海中想當(dāng)然的觀念，天空不會(huì)亙古不變， 行星的軌道也不是圓形，而是一個(gè)一個(gè)的橢圓。開普勒一鼓 作氣，研究了所有當(dāng)時(shí)已知行星的軌道后提出了他著

16、名的開 普勒行星運(yùn)動(dòng)三定律，即： 1、每一個(gè)行星都沿各自的橢圓 軌道環(huán)繞太陽(yáng)，而太陽(yáng)則處在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)。 2、在相等 時(shí)間內(nèi)，太陽(yáng)和運(yùn)動(dòng)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(shí)際揭示了行星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的角 動(dòng)量守恒。 3、繞以太陽(yáng)為焦點(diǎn)的橢圓軌道運(yùn)行的所有行星， 其橢圓軌道半長(zhǎng)軸的立方與周期的平方之比是一個(gè)常量。因 為上述發(fā)現(xiàn)，開普勒被人們冠以“天空立法者”的頭銜，這 足以證明他的發(fā)現(xiàn)有多么重要。實(shí)際上，開普勒定律為萬有 引力定律的誕生奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。牛頓說過： “我之所以 比別人看得遠(yuǎn)，是因?yàn)槲艺驹诰奕说募绨蛏稀?”開普勒無疑 是這些巨人中的一員。說到這里，似乎人類科

17、學(xué)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(duì)話了。可是別忘了，阻撓日心說 的那股力量可是一點(diǎn)都沒閑著。 1600 年 2 月 17 日，羅馬鮮 花廣場(chǎng)聚集了很多圍觀群眾，大家都在看著那個(gè)被釘在十字 架上的瘋子，至少羅馬教廷說他是瘋子，因?yàn)樗尤还_支 持日心說，這樣一來上帝該被放在哪里呢？根據(jù)宗教裁判所 的裁決，這個(gè)人將被施以火刑。你可能猜到了，這個(gè)人就是 意大利天文學(xué)家布魯諾。其實(shí)布魯諾的死不僅僅因?yàn)樗С?日心說，更重要的是他經(jīng)常同教廷作對(duì)，早就成了羅馬教廷 的眼中釘，日心說只不過是一個(gè)借口罷了。這樣一來，布魯 諾就成了對(duì)那些反對(duì)地心說的人們

18、最好的警告?？墒悄睦镉?壓迫，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(gè)夏 夜，意大利天文學(xué)家、物理學(xué)家和數(shù)學(xué)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(gè)小玩 意。他擺弄著那個(gè)小玩意，仔細(xì)端詳后又反復(fù)調(diào)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(gè)東 西，對(duì)準(zhǔn)了自己的眼睛。 當(dāng)然， 另一端對(duì)準(zhǔn)的是浩瀚的銀河。 他也許沒有想到，他的輕輕一舉終結(jié)了一個(gè)時(shí)代，也開創(chuàng)了 一個(gè)時(shí)代；為人類關(guān)上了一扇大門，卻開啟了另一扇窗。他 手里的東西有個(gè)好玩的名字：望遠(yuǎn)鏡。他究竟用望遠(yuǎn)鏡干了 什么，又對(duì)人類歷史干了

19、什么呢？且看下回分解。三、上次 說到意大利天文學(xué)家伽利略開創(chuàng)性地將望遠(yuǎn)鏡同天文觀測(cè) 結(jié)合起來。說到這里，我們就不能不提及這一劃時(shí)代的發(fā)明 望遠(yuǎn)鏡。一般認(rèn)為望遠(yuǎn)鏡是在 1608 年由荷蘭眼鏡商漢 斯李波爾發(fā)明的。其實(shí)歐洲人很早就發(fā)現(xiàn)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(chǔ)上，人們通過調(diào)整玻璃片的形狀和厚度來矯正近視眼的 技術(shù)也日益成熟，望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明是一個(gè)量變引起質(zhì)變的過 程。眼鏡商漢斯偶然發(fā)現(xiàn)將一塊凸透鏡和一塊凹面鏡排成一 條直線時(shí)， 透過這條直線望去， 遠(yuǎn)處教堂的尖頂變大了許多。 于是他為自己的發(fā)明申請(qǐng)了專利，并將其命名為“望遠(yuǎn)鏡” 伽利略的望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)原理其

20、實(shí)與此相同，當(dāng)通過兩塊鏡片 的光線匯聚在同一個(gè)焦點(diǎn)時(shí)，凸透鏡對(duì)光線的彎折就表現(xiàn)為 對(duì)遠(yuǎn)處物體的拉近。說到這里，我想說一句題外話，我們大 多數(shù)人對(duì)于望遠(yuǎn)鏡的理解都存在一個(gè)謬誤。當(dāng)看到一架望遠(yuǎn) 鏡時(shí)，很多人都會(huì)問： “它能望多遠(yuǎn)？”其實(shí)這個(gè)問題是沒 有意義的，如果真要給出一個(gè)答案，那就是無限遠(yuǎn)，別 急著驚訝， 肉眼同樣可以望無限遠(yuǎn)。 只要有光線進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡， 它就會(huì)被忠實(shí)地偏折，不論這道光來自多么遙遠(yuǎn)的地方。所 以對(duì)于望遠(yuǎn)鏡的能力大小的評(píng)價(jià)依據(jù)其實(shí)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(shí)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(dāng)時(shí)望遠(yuǎn)鏡的成

21、像質(zhì)量如果在今天甚至不如 玩具望遠(yuǎn)鏡，伽利略手中的望遠(yuǎn)鏡就是這么一件東西。其實(shí) 誰(shuí)發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡并不重要，重要的是誰(shuí)將它指向天空。 1609 年的那個(gè)夏夜，伽利略的望遠(yuǎn)鏡首先對(duì)準(zhǔn)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?yàn)樗牧炼纫呀?jīng) 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(biāo)。 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(shí)濺出的乳汁。而伽利略卻在望遠(yuǎn)鏡中看到了不一樣 的景色，望遠(yuǎn)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

22、星的數(shù)量多到簡(jiǎn)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?yàn)橥h(yuǎn) 鏡的分辨率高于人眼，因此望遠(yuǎn)鏡能夠分辨單個(gè)的恒星，而 肉眼看上去只是一團(tuán)模糊的光斑） 。視線離開望遠(yuǎn)鏡，伽利 略定了定神，這是真實(shí)發(fā)生的事情，還是僅僅是一個(gè)光影幻 象呢？伽利略相信科學(xué)的本性指引他越來越堅(jiān)信自己看到 的是事實(shí)。于是他鼓起勇氣，再次湊到了望遠(yuǎn)鏡前，只不過 這次他換了一個(gè)觀測(cè)對(duì)象，瞄準(zhǔn)了那個(gè)與地球相伴數(shù)十億年 的鄰居月球。這一次的發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)直讓他倒吸一口涼氣，平時(shí)看上去潔白無瑕，溫柔似水的月球在望遠(yuǎn)鏡里完全變了模 樣。明暗交界處坑坑洼洼、溝壑縱

23、橫的景象不禁讓伽利略聯(lián) 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(xiǎn)灘急流，有江河湖海，有森林草原嗎？而且這一發(fā)現(xiàn)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(duì)月球進(jìn)行了全面細(xì)致的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)月球 上有相對(duì)明亮的區(qū)域，也有顏色相對(duì)較深的區(qū)域，他認(rèn)為深 色的的地方是注滿水的海洋，于是將其命名為“月海”，月球上還有許多大坑（今天的天文學(xué)家們將其稱為”環(huán)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(duì)于古代科學(xué)家們的尊敬，用他們的名 字命名了其中幾個(gè)較大的大坑。于是

24、，托勒密、喜帕恰斯、 柏拉圖、亞里士多德、畢達(dá)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(yuǎn)銘記并被地球上的人類世世代代仰望著。伽利略在觀測(cè)月球之余也沒閑著，他將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)了當(dāng)時(shí)發(fā) 現(xiàn)的幾顆行星。奇妙的事情發(fā)生了，在望遠(yuǎn)鏡中，在地球內(nèi) 側(cè)運(yùn)行的水星和金星會(huì)像月亮一樣，出現(xiàn)陰晴圓缺的變化（今天的天文學(xué)家們將其稱作”相位變化“） ，而處在最外 側(cè)的土星則仿佛長(zhǎng)出了兩個(gè)耳朵（土星環(huán)） ，太陽(yáng)刺眼的表 面出現(xiàn)了許多小黑點(diǎn)（太陽(yáng)黑子）。最令人稱奇的是”眾神 之王“木星的周圍多了幾個(gè)小星，這些小星只有在望遠(yuǎn)鏡中 才能顯露真容，伽利略對(duì)于它們的運(yùn)動(dòng)做了詳

25、細(xì)的記錄：第 一天一一木星左邊兩個(gè)，右邊兩個(gè)。第二天一一左邊一個(gè)， 右邊三個(gè)。第三天一一左邊三個(gè)，右邊一個(gè)。第四天一一左 邊兩個(gè)，右邊兩個(gè)。忽然，伽利略發(fā)現(xiàn)了問題所在：原來這 四顆小星在圍繞木星轉(zhuǎn)動(dòng)，就像月球圍繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)一樣！它 們是木星的衛(wèi)星，就像月球是地球的衛(wèi)星一樣！從伽利略意 識(shí)到這一點(diǎn)的那一刻起，托勒密的地心體系就已經(jīng)在不知不 覺中轟然坍塌。木星衛(wèi)星的存在告訴我們，宇宙中存在不圍 繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的天體，單從這一點(diǎn)看，地心體系中所有天體圍 繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)會(huì) 這下伽利略更加堅(jiān)信自己是正確的，與一個(gè)世紀(jì)前的

26、哥白尼 不同，這一次他掌握了確鑿的證據(jù)，那個(gè)證據(jù)每天都會(huì)掛在 天邊，只不過前人都沒有發(fā)現(xiàn)。他開始在意大利的各個(gè)大學(xué) 宣講自己的理論，想讓更多的人認(rèn)識(shí)到地心說的錯(cuò)誤。但是 這個(gè)發(fā)現(xiàn)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(huì)成為第二個(gè)布魯諾。但是 伽利略對(duì)此毫不理睬，畢竟他堅(jiān)信眼見為實(shí)，自己親眼所見 又有誰(shuí)能說錯(cuò)呢？于是羅馬教廷逮捕了伽利略，但是在學(xué)生 們的壓力下只是將他軟禁，并且禁止他繼續(xù)進(jìn)行關(guān)于日心說 的研究。但是伽利略不甘沉淪，他將自己的發(fā)現(xiàn)寫在了關(guān) 于托勒密與哥白尼兩大世界體系的對(duì)話一書中，并經(jīng) 由他的學(xué)生出版。這本書中詳盡敘述了地心說與觀測(cè)證據(jù)的 矛盾，

27、又利用日心說解釋了諸如金星的相位變化和木星衛(wèi)星 等現(xiàn)象，是伽利略大法官對(duì)地心說和亞里士多德的經(jīng)驗(yàn)理論 判處死刑的審判書。伽利略因?yàn)榧づ颂熘鹘虝?huì)，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(xué)、數(shù)學(xué)和天文學(xué)方面的建樹前無古人，他對(duì)于力和 慣性的解釋為牛頓定律的創(chuàng)立鋪平了道路，他用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè) 星空的舉動(dòng)開啟了人類以鏡觀天的時(shí)代。望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡能一直看到宇宙的邊緣， 接收來自遙

28、遠(yuǎn)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(lǐng)我們走進(jìn)了全新的時(shí)代。為了紀(jì) 念 1609 年伽利略以鏡觀天， 2009 年被聯(lián)合國(guó)定為國(guó)際天文 年，而木星的四顆大衛(wèi)星則被命名為伽利略衛(wèi)星，以紀(jì)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(jié)束了，可是人類認(rèn)識(shí)宇宙的故事卻才剛剛開始。就在 17 世紀(jì)，意大利天文學(xué)家卡西尼和荷蘭天文學(xué)家惠更斯確認(rèn) 了土星的光環(huán)和衛(wèi)星，丹麥天文學(xué)家羅默通過對(duì)木星衛(wèi)星的 觀測(cè)發(fā)現(xiàn)了光速的有限性，波蘭天文學(xué)家赫維留繪制了詳盡的月面圖和星表。所有這些成就都在預(yù)示著人類對(duì)于宇宙認(rèn)識(shí)的一次飛躍。還記得我們一開始提出的那三個(gè)問題 嗎？宇宙

29、從何而來？宇宙為什么會(huì)是現(xiàn)在這樣？宇宙又將 走向何方？從遠(yuǎn)古時(shí)代到伽利略的時(shí)代，人類已經(jīng)在探索宇 宙的道路上走了很遠(yuǎn)，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(yùn)的是人類迎來了巨星閃耀的時(shí)代，這幾個(gè) 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(zhǎng)辭，但就在同一年，英國(guó)誕生了一位人類科學(xué) 史上最偉大的人物（沒有之一） 。這個(gè)人在數(shù)學(xué)、力學(xué)、光 學(xué)、天文學(xué)、哲學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和神學(xué)上均有建樹，他的理論一 語(yǔ)道破了宇宙萬物運(yùn)行的基本規(guī)律，他總結(jié)出的定律直到今 天仍然是經(jīng)典中的經(jīng)典。沒錯(cuò)，這個(gè)人就是英國(guó)科學(xué)家艾薩 克牛頓

30、。他在伽利略關(guān)于慣性和力的解釋的基礎(chǔ)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(guī)律，用 簡(jiǎn)潔明了的相互性和放諸四海皆準(zhǔn)的慣性定律深深折服了 所有的科學(xué)家。他的萬有引力定律更是讓他戴上了科學(xué)的皇 冠：在當(dāng)時(shí)的人們看來，就連宇宙中的天體都被牛頓力學(xué)約 束著，這樣的理論和上帝又有什么區(qū)別呢？他在天文學(xué)上也 有很多貢獻(xiàn)。牛頓發(fā)明了反射式望遠(yuǎn)鏡，后人為了紀(jì)念他把 這種光學(xué)系統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡稱為牛頓反射式望遠(yuǎn)鏡。他還透過三 棱鏡研究了太陽(yáng)光的色散，使人類第一次能夠解讀恒星的語(yǔ) 言一一光譜。最重要的是，牛頓第一次嘗試性地解答了那三 個(gè)終極問題中的一個(gè)，那就是”宇宙為什么會(huì)是現(xiàn)在這個(gè)樣 子？ “答案很簡(jiǎn)

31、單，因?yàn)橛钪嫒f物都遵循牛頓的經(jīng)典力學(xué)規(guī) 律。幾條纖細(xì)的方程式就捆住了整個(gè)宇宙，是不是聽起來很 瘋狂？但事實(shí)就是這樣瘋狂，就像當(dāng)初托勒密認(rèn)為地球是圓 的，哥白尼認(rèn)為大地在運(yùn)動(dòng)，伽利略發(fā)現(xiàn)土星有耳朵一樣瘋 狂。但是對(duì)于其他兩個(gè)問題，牛頓也有他時(shí)代的局限性。行 星圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)靠慣性，可是一開始它們又是因?yàn)槭裁崔D(zhuǎn)起 來的呢？畢竟沒有最初的運(yùn)動(dòng)，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(dòng)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(jīng)解答 了一個(gè)終極問題，下面的工作就是享受牛頓力學(xué)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(xué)銀河中

32、無數(shù)不起眼的星星，但是科學(xué)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(xué) 家和天文學(xué)家們又會(huì)用什么樣的方式詮釋他們對(duì)于宇宙的 見解呢？且看下回分解。四、上次說到英國(guó)大科學(xué)家牛頓創(chuàng) 立了束縛整個(gè)宇宙的力學(xué)體系，第一次解答了人類“宇宙為 什么是現(xiàn)在這個(gè)樣子”的疑問。牛頓體系的創(chuàng)立宣告著人類 進(jìn)入了一個(gè)偉大的黃金時(shí)代，此時(shí)的人類擁有了撬動(dòng)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(zhǎng)嘆，期盼宇宙自己告訴他們問題的答案，但是現(xiàn)在我們 可以利用雙手和雙眼，自己去摘取科學(xué)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(xué)三定律創(chuàng)立之

33、初，人類似乎難以改掉 在搖籃中蜷縮的習(xí)慣，畏手畏腳停滯不前。但是當(dāng)我們?cè)囍?邁出第一步、第二步、第三步的時(shí)候，人類驚奇地發(fā)現(xiàn)自己 手中的工具竟然如此神奇，輕輕一算宇宙便無法繼續(xù)保有它 延續(xù)了數(shù)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(xué)之樹上真理的果實(shí)落下將它填滿。不出人類 所料，一個(gè)又一個(gè)從前高不可攀的果實(shí)悉數(shù)被我們收入囊 中。 1682 年，一顆拖著長(zhǎng)長(zhǎng)尾巴的彗星出現(xiàn)在歐洲的夜空。 在中世紀(jì)的歐洲，彗星被認(rèn)為是災(zāi)難和痛苦的預(yù)兆，甚至在 古代中國(guó)，彗星也被稱作“掃帚星” ，同樣預(yù)示著不吉利的 事情。但是在年輕的英國(guó)天文學(xué)家埃德蒙哈雷看來，這次 彗星的出現(xiàn)卻為他的觀測(cè)提供了絕佳

34、的機(jī)會(huì)，也引起了他對(duì) 于太陽(yáng)系中這種特殊天體的興趣。哈雷在整理前人的觀測(cè)記 錄時(shí)發(fā)現(xiàn)， 1531 年和 1607 年歐洲出現(xiàn)的彗星的軌道根數(shù)與 1682 年出現(xiàn)的這顆彗星十分相似。 他通過開普勒定律推導(dǎo)后 預(yù)言，這顆彗星的運(yùn)行周期為 76年，因此會(huì)在 1759 年再次 出現(xiàn)。哈雷的上述言論一經(jīng)發(fā)表，馬上遭到了科學(xué)界的抨擊 和嘲笑。有誰(shuí)能預(yù)言看似沒有任何規(guī)律的彗星的回歸呢？可 事實(shí)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(duì)于哈雷預(yù)言準(zhǔn)確的深深敬意。后人為了 紀(jì)念哈雷，把這顆彗星命名為哈雷彗星（國(guó)際編號(hào) 1

35、P/Halley ）。從此，彗星不再是帶來災(zāi)禍的怪獸，而是向人 類傳達(dá)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(shí)，五艘來自蘇聯(lián)、日本和歐空局的探測(cè)器作為人 類的使者飛近這顆對(duì)人類來說意義深遠(yuǎn)的彗星，為它送上全 人類最誠(chéng)摯的感謝。天文學(xué)家哈雷最著名的貢獻(xiàn)就是成功預(yù) 言了哈雷彗星的回歸。然而很少有人直到，他對(duì)于人類認(rèn)識(shí) 宇宙的貢獻(xiàn)絕不僅僅于此。實(shí)際上，正是他后來的發(fā)現(xiàn)從根 本上動(dòng)搖了人類對(duì)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(cè)了夜空中最 亮的幾顆恒星，并將它們同古希臘時(shí)代的天文學(xué)家喜帕恰斯 和托勒密繪制的星圖進(jìn)行比較。有意思的事

36、情發(fā)生了，哈雷 發(fā)現(xiàn)自己望遠(yuǎn)鏡中的恒星位置與那些先賢們的觀測(cè)有很大 的偏差，雖然古希臘的人們只靠肉眼觀測(cè)，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(zhǎng)了 腿，自己會(huì)動(dòng)嗎？哈雷搖了搖頭，恒星又不是行星，它們只 是忠實(shí)地圍繞北天極轉(zhuǎn)動(dòng)，日復(fù)一日，年復(fù)一年。他又對(duì)比 了一個(gè)世紀(jì)前著名天文學(xué)家第谷繪制的星圖，發(fā)現(xiàn)即使是相 隔時(shí)間如此之短，觀測(cè)精度如此之高的情況下，那些恒星的 位置依然有著細(xì)微的移動(dòng)。哈雷同樣是個(gè)不迷信權(quán)威的人， 他大膽猜測(cè)，也許恒星的位置根本就不是固定的，而是有著 微小的移動(dòng)，年復(fù)一年，這種移動(dòng)累加起來的效應(yīng)就非常明 顯了。這樣的現(xiàn)象被今天的天文學(xué)家們稱為恒星的自行

37、，其 實(shí)就是恒星本身在天空中的移動(dòng)，而不是由于地球的運(yùn)動(dòng)產(chǎn) 生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此，有許多我們熟悉的星座的形狀在數(shù)萬 年后都會(huì)發(fā)生變化，就是因?yàn)楹阈堑淖孕?。那么這個(gè)發(fā)現(xiàn)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(yáng)是宇宙的中心。古人早就意識(shí)到地球與其他 恒星的距離要比地球到太陽(yáng)的距離遠(yuǎn)很多，因此日心說也可 以理解為太陽(yáng)系處在宇宙的中心。但是奇妙的事情發(fā)生了， 遙遠(yuǎn)的恒星居然都在移動(dòng)，而且移動(dòng)的方向也不盡相同，這 無疑在暗示一點(diǎn)：太陽(yáng)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(yáng)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(dāng)時(shí)的天文學(xué)界引起了很大的爭(zhēng)

38、議，但同時(shí)也引發(fā)了人們對(duì)于宇宙模型的新思考。的確，人 類的思維被禁錮在太陽(yáng)系中太久，一葉障目不見泰山的日子 也太久，是時(shí)候放眼太陽(yáng)系外的浩瀚銀河了。德國(guó)天文學(xué)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(xué)家不同，夜空中最令他著迷的就是無數(shù)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(zhǎng)達(dá) 12 米的望遠(yuǎn)鏡就會(huì)在天空中幾乎無處不在的雙星、 變星、星 團(tuán)、星云和星系之間徘徊。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間對(duì)深空天體（就是上 面說的雙星變星之類）的觀測(cè)，他編制了詳盡的梅西耶星 云表，共記錄深空天體 103 個(gè)，因此我們?cè)谛菆D上看到的 M1 、M2 等等縮寫就是“梅西耶天體第某某號(hào)”的

39、意思。赫 歇爾還對(duì)我們身處其中的銀河系做了大量的研究。最后他得 出結(jié)論：銀河系外觀大致呈一個(gè)橢圓形的透鏡形，包含有大 約一千億顆恒星，我們的太陽(yáng)只是其中之一。這樣的結(jié)論雖 然不甚精確，但是在當(dāng)時(shí)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(shí)到了宇宙的廣闊，單單是我 們的星系就有數(shù)量如此眾多的恒星，宇宙的結(jié)構(gòu)果然名符其 實(shí)。威廉赫歇爾因?yàn)槿绱俗吭降呢暙I(xiàn)，被后人稱為“恒星天 文學(xué)之父”。但是恒星天文學(xué)之父偶爾也搞搞副業(yè)。 1781 年 3月 13日晚，赫歇爾像往常一樣搜索著星團(tuán)和星云。 當(dāng)他的 視線在雙子座徘徊的時(shí)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(jìn)一步的觀測(cè)告訴他事實(shí)沒那 么簡(jiǎn)單。當(dāng)換上更高倍率的目鏡進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，這顆亮星變成 了一個(gè)藍(lán)綠色的小圓盤。要知道，因?yàn)楹阈蔷嚯x太過遙遠(yuǎn)， 再高倍率的觀測(cè)也只能看到它們一個(gè)星點(diǎn)一樣的身姿。赫歇 爾瞬間