人类在宇宙中的位置

萝莉Small_Lo

天文学领域的技术进步极大地帮助人们解开那些困扰人类的最宏大的问题,Owen ingerich为你详细评说。
整整四百年前，欧洲流传着一件令人吃惊的新发明的消息--两个透镜放在一个管子里，就可以魔术般地放大遥远的景物。它的确切起源已经在论战的迷雾中迷失了，但确切的是，荷兰Middelburg市一个叫做Hans Lipperhey的人曾于1608年申请过专利。他的申请被驳回，因为这项不具名的创新已经人所共知。
17个月后，一位意大利数学教授写的一本小册子宣布他用这种新发明的"窥镜"（spyglass）有了神奇的发现。扉页上伽利略称之为"perspicillum"似乎在暗示这是他自己的发明，不过如果他在自夸的话也应该可以谅解，因为伽利略的工作把这种其他人只是用来取乐的玩具变成了一种科学仪器。1609年12月，他用自己的"窥镜"辨认出了月亮上存在环形山、山脉和平原。四百年后，为了纪念这些令人吃惊的发现，联合国将2009年命名为国际天文年（International Year of Astronomy）。

图注1:伽利略对月亮的观测产生了深远的影响.

1610年1月，伽利略已经发现了木星的四颗明亮"月亮"（英文是小写的moon，与他同时代的约翰斯·开普勒把它们称为"卫星"（satellite））。年底之前，伽利略又发现金星的位相（如月亮一般的圆缺变化），证明它围绕太阳运动。
这些发现的意义是巨大的。尽管尼古拉斯·哥白尼的《天体运行论》（1543）--这部著作提出了"日心系统"--已经将近70年了，但只是被作为一本计算行星位置的手册，从不被认为是对宇宙真实的物理描述。居住在一颗每24小时就旋转一圈的球体上，这件事连想想都会觉得可笑！况且如果地球每年围绕太阳运动的话，它又怎么能带着月亮一起运动呢？
正是伽利略的著作让人们从理智上相信日心系统是物理上的真实。伽利略发现月亮跟地球是相似的，人们曾相信它与地球这个充满了堕落与衰败的地方不一样，是由水晶般的以太构成的完美球体。于是那个永恒而轻盈的天空开始破碎。木星悠然自得地带着它的卫星，而人人都知道木星正在运动，那么一颗运动着的地球为什么非要用看不见的以太才能把自己的卫星--月亮拴在身边呢？伽利略在这件事上充满技巧的辩论术在他1632年的著作《关于两大世界体系的对话》中体现地淋漓尽致，这本书虽没能充分证明地球的运动，但其说服力却足以让他深深地触怒了宗教裁判所。

关于天空的不同观点
大约两千多年以前的亚里士多德认为地球是由土、气、火、水四种元素构成的世俗世界，而天空则是由轻盈的球层构成的亘古不变的纯净的存在。教会观点认为地球是沉重的，居于宇宙中心的，人类的悲欢就在这里上演，这一点非常符合亚里士多德的宇宙--火山喷出的烟尘和火焰表摩纳哥了地狱之火的存在，而上帝的领地和上帝选中的义人就居住在群星所在的天穹之外。甚至连支持"高贵的哥白尼哲学"的英国天文学家Thomas Digges也在他的著作《天球运动的完整表述》（A Perfit Description，1576）中，也把"义人的居所"放在了群星之间。
如此绝大部分教会权威们拒绝这种新的宇宙学也就在预料之中了。不仅如此，罗马教廷的权威们还大发雷霆，因为伽利略这个业余的神学家竟然胆子大到告诉他们如何解释圣经。这显然是一场势力范围争夺战。伽利略被传讯至罗马，被允许他为极端的异端怀疑做无罪辩护，但仍被认定为能遵守禁令（教授哥白尼宇宙学），从而并被判处终身软禁。

图注2 Thomas Digges的日心说宇宙结构

伽利略的论证得到了开普勒的帮助，开普勒在理论天文学方面里程碑式的著作也出版于1609年。他很恰当地将之命名为《新天文学》，将重点放在了研究行星运动的物理原因上--这与过去的天文学家们只是用严格的几何模型来说明天空中的事情。甚至开普勒的老师和指导迈克尔·迈特林斯也敦促他要忘掉物理学，专心于天文学（也就是几何学）。但开普勒相信存在一个物理上实在的宇宙，他拥护哥白尼日心说甚至还在伽利略之前。
但日心说自哥白尼以来已经走下坡路了，露出了破绽。哥白尼对于行星的经度和纬度用了完全不同的几何模型来解释，而对于一个物理上真实的系统，同一个模型应该能够处理这两个坐标。根据哥白尼的观点，行星在圆周上运动（围绕太阳的偏心圆），当地球离太阳最近时其速度也不增加。正是开普勒对于物理真实性的追求促使他最终假定椭圆是行星轨道的基本形式，从而消除了困难。
与伽利略的望远镜观测一样，开普勒在行星理论的方面的进展也最终让哥白尼宇宙学被广泛接受。在《新天文学》的导言中，开普勒写道："可能会有人的信仰太脆弱，接受哥白尼就等于冒犯了他对上帝的虔诚，那就让他关起门来苦思冥想吧。他相信自己是最忠实地侍奉上帝，却不知道对于天文学家来说，上帝已经赐予我们用思维的眼睛观察地得更加清楚的权利。"
无论过去还是将来，天文仪器都在人类努力寻找我们在宇宙中的位置上居于中心地位。这个努力所费不菲。第谷·布拉赫吹嘘说他的观测（他没有使用望远镜，但利用象限仪及其他仪器相当仔细地提高了裸眼观测的分辨率）花费了丹麦国王超过一吨的黄金，这在16世纪是一笔巨大的财富。今天，制造大型望远镜要花费数十亿美元。有人争论说这样的仪器真如诗歌一样对人类进步最终起到作用（或者一样没用），但它们能够获得投资，恰如最伟大的诗歌，或者建造哥特式大教堂一样，宇宙学是人类精神的征程，是个人或国家值得骄傲之处。为了了解我们在复杂的时空之网中的位置，是值得花费大价钱的。

在那遥远的地方
开普勒还改进了伽利略的作品，用一个凸透镜物镜和一个凹透镜目镜代替了伽利略的两片凸透镜，从而取得更大的视场，也可以放置十字叉丝，而观测天文学的下一次巨大进步则是发生在将近两个世纪之后。接近18世纪末，威廉·赫歇尔，一位充满灵气的从音乐家转行的业余天文学家，开始了看似唐吉坷德式的对宇宙三维结构的探索。在这个过程中，他发现了一颗新的行星--天王星，这使他得以从业余转为专业人员。在作为天文学家最具创造力的那几年，赫歇尔开创了建造大型反射望远镜的方法,空前提高将光线收集能力。他最终数出来成千上万的星星，发现了数百个星团和星云，而后者则成为超越传统的裸眼所见的"恒星天"，通往更为广袤的外部宇宙之门。
一个世纪之后，感谢工程上的进步，人们发现了如何在玻璃镜面上镀银，并发明了照相术得以捕捉星星和星云的图像，天文学家们最终越过了这道门槛。1859年，在海德堡的一个化学实验室中，化学家罗伯特·本生和物理学家古斯塔夫·基尔霍夫发现了解开宇宙中化学元素构成之秘密的钥匙：通过不同的谱线辨认相关的元素。同时，富裕的慈善家慨解囊，天文学家们得以利用新的巨大望远镜做出了一系列让人们增强自我意识的发现。其中就包括银河系的巨大尺度，它比赫歇尔曾设想过的任何结果都要庞大得多。随后人们认识到银河系也仅仅是无数星系中的一个，而这些星系都是从几十亿年前的一次灾难性的大爆炸产生的，它们正在相互远离，相互之间的距离可以达到数百万年甚至数十亿光年。
我们所观察到的宇宙的尺度和年龄的飞速增长让人们产生了一种担心，正如古代的人类中心宇宙论破灭所引起担心的一样，人们会问：在近乎无限的时空旷野中，具有理性、能够进行观测的人类还有什么意义？这个存在论的问题在数十年间已经被反复提出，毫无疑问这也驱使我们心甘情愿地把纳税人的钱投入到将来的宇宙探索之中。
今天的，电子革命使CCD取代了照相底片，效率提高了近50倍，从而可以收集并处理数十亿字节的数据，并使用高速的自适应光学补偿大气变动，使天文学家可以最大限度地利用地面上的大型望远镜。宇宙中的恒星和星系居民们如今开始一一被列入统计表中，这远非从前可比。这也包括最近几年，对发现太阳系外的行星的统计。这些研究的成功会帮助我们回答接下来这个令我们关于宇宙的观念再次发生剧变的问题："我们是孤独的吗？"
美国宇航局的"开普勒号"任务计划于2009年发射，是第一个专门设计用来寻找类似地球的太阳系外行星的飞行器。不要期待能够收到某个行星上的智慧生命发来的无线电信号。但其他令人兴奋的信号必定可以找到。今天的光谱仪可以窥见遥远行星上的大气，并从中寻找可能表征生命存在的化学元素的痕迹--这即使对于能够在行星大气层中产生氧气的最基本生命形式也会有效。这些研究可以帮助我们回答接下来那个会再次改变我们宇宙观念的问题："我们是孤独的吗?"
国际天文年可能标志着我们在理解人类在宇宙中的位置的又一次理性革命。它能否像伽利略和开普勒确立日心说那样对社会产生重大影响吗？时间会告诉我们一切。
注：Owen Gingerich是麻省坎布里奇市哈佛-史密斯松天体物理中心天文学和科学史荣誉退休教授，著有《上帝的宇宙》（God's Universe）