程鹗的科学网博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/eddiecheng 与科学、科学家、科学历史有关的通俗小文

博文

宇宙膨胀背后的故事(之二):寻觅宇宙的中心 精选

已有 4903 次阅读 2019-1-17 08:42 |个人分类:科学历史|系统分类:科普集锦

爱因斯坦的宇宙“有限无边”,处处对称:其中每一个空间点都与其它任何点等价——这个宇宙没有中心。在他之前200来年,牛顿在辩解宇宙不会因为他的万有引力而塌陷时则说过宇宙可以是无限的,没有任何中心能作为塌陷的终点。他们的出发点完全不同,却都自然而然地假设宇宙不存在一个中心。虽然他们的说法都经历了严格的科学质疑,但至少两人都没有因此遭遇科学之外的诘难。

比牛顿再早不过几十年、上百年的伽利略(Galileo Galilei)、哥白尼(Nicolaus Copernicus)等人却没那么幸运。他们仅仅质疑了地球是否是宇宙的中心,便触犯了当时社会主流的条规。因为在那个年代,宇宙的中心不仅是一个事实判断,还更是神学、哲学之信仰。

× × × × ×

虽然直到今天还有人顽固地认为地球不是一个球体而是非常宽广的平地(即“地平说”),人类其实很早就领悟、接受了地球不是平的这一事实。古希腊人观察到迎接回港船只时总是先看到来船的桅杆然后才能看到船身、航海的船员知道越往北走北极星在天空的位置会越高,等等。

至迟在公元前350年,亚里士多德(Aristotle)在《论天》(On the Heavens)中便指出月食是因为地球挡住了太阳投向月亮的光(而不是什么“天狗吃月”)。所以,月食时月亮上那个黑影正是地球的投影,是圆的。在人造卫星、宇航员能够直接观看自己家园的两千多年前,人类其实已经用月亮做镜子看到了地球的形状。

亚里士多德之后不久,埃拉托色尼(Eratosthenes)更是利用夏至日正午太阳投影在两个不同维度的城市中的差别测量了地球的大小。他发现地球的周长是那两个城市之间距离的50倍——现代测量的结果是47.9倍。

与地球是圆的类似,也有不少证据表明地球是静止不动的:在地球上生活着的人安然若素,从来没有晕车、晕船那种处于运动环境的反应;我们在地面上跳起、或者往天上高高地抛出皮球,都会直上直下地落在原地:地面没有在腾空时移动;如果没有风吹,空中漂浮着的云彩纹丝不动,不会落在地球的后方……

因此,古希腊的先贤们认识到人类所处的是一个静止不动的圆球,被满天的繁星笼罩着,星星们绕着地球步调一致地缓慢转动(中国人称之为“斗转星移”)。为了辨识这些星星的位置,他们把比较明亮的星星们就近组合成为“星座”(constellation),并以它们的形状加以想象赋予各种形象的名称。

在这个星空背景上,还有太阳、月亮以及几个肉眼可见的星星没有固定的位置,而是在一些特定的星座——所谓“黄道十二宫”(zodiac)——中游走。这些“行走的星”(wandering stars)因此被称作行星。在没有什么测量仪器的古代,这些行星的位置只能用肉眼观察,以其所在的背景星座粗略地描述。

因为地球是圆的并有着一定的大小,在地球表面不同地方、或者在同一地方但不同时间看这些行星,它们背后的星座位置会略有差异。这是因为观察者角度不同,与行星位置的视线会延伸到星空背景的不同方位。这个现象叫做“视差”(parallax)。通过简单的几何关系很容易想象到,被观察的星星离我们越近,所看到的视差会越大。如果知道地球的大小,还可以通过视差角度计算星星离我们的距离。

vt2004-if27-fig6.jpg

在地球表面两个不同地点同时观察火星相对背景星空位置的“视差”示意图。

从亚里士多德到公元2世纪的托勒密(Claudius Ptolemaeus),希腊先贤根据这些观察和经验积累,逐渐构造出一个非常具体的宇宙模型:静止不动的地球处于宇宙的中心。行星处于地球外面不同距离的圆形球壳上,由近及远依次为月亮、水星、金星、太阳、火星、木星、土星。在往外则是一个非常大的圆球,上面镶嵌了所有那些不自己游走的星,即恒星。

这个恒星球壳便是宇宙的边界。在它之外也不是虚空,而是人类不可能接触的另一个世界:上帝以及诸神之所在。上帝推动着恒星所在的大圆球,令其每昼夜绕地球转动一周。大球还依次带动其它圆球各自的转动,那就是我们看到的行星的“行走”。

亚里士多德、托勒密的宇宙模型简单明了,通俗易懂。模型中为上帝预留的空间和人类占据宇宙中心的位置也符合上帝造人的逻辑。因此得到广泛的接受。

Bartolomeu_Velho_1568.jpg

16世纪葡萄牙人Bartolomeu Velho绘制的托勒密宇宙模型。地球处于中心,往外在圆形轨道上依次是月球、水星、金星、太阳、火星、木星、土星、固定恒星的天球。最外面是“天堂帝国,上帝之所在”。图上还标识着每层轨道和地心的距离和它们的旋转周期。

唯一的缺陷是,即使在没有精确测量的年代,这个模型所描述的行星位置和走向也经常与实际观测不符。托勒密不得不持续加上一系列诸如“均轮”(deferent)、“本轮”(epicycle)再加上“偏心”(eccentric)、“载轮”(equant)的数学手段来修正——或者说拼凑。于是,就像理想的“球形奶牛”突然到处长出好多犄角,原本简洁的模型迅速异化成繁复混乱的大杂烩。

× × × × ×

古欧洲的科学、人文在托勒密时代登峰造极,其后却随着中世纪的到来被他们的后代丢弃、遗忘,直到一千多年后的文艺复兴时期才从阿拉伯人保存的译本中重新发现这个宝藏。在那漫长的十几世纪里,伊斯兰科学家做出过一些改进,但托勒密的宇宙模型依然保持着原样。

当16世纪的波兰人哥白尼重新研究托勒密繁复的修正过程时,他很快发现如果改动一下,把行星绕静止的地球运动改为太阳不动,其它行星(包括地球)绕太阳运动,可以大大简化所需要的计算。他指出这样还可以很简单地解释为什么水星和金星永远地离太阳非常近:它们处在离太阳最近的圆球上,从外面圆球上的地球往里看,它们会总是在一起。

哥白尼自己没有观测过行星的位置,也没有新的数据。他只是用托勒密原有的数据,从数学上说明以太阳为中心的计算手段有明显的优势。当然,他也明白从把一个静止、处于宇宙中心的地球转换为太阳中心,而上帝为人类特制的地球只是众多绕太阳转的行星之一会是一个非同小可的思想转变。虽然有当时教皇的鼓励,他对公开发表这个理论依然迟疑不决。他的著作直到死后才问世。

他不可能知道的是,这个简单的数学变换不仅引发了“地心说”与“日心说”旷日持久的争执,而且标志了一场科学革命的到来。

× × × × ×

托勒密的宇宙模型成功地预测到1560年8月的一次日食。才13岁的第谷(Tycho Brahe)一方面对如此异常的天象和它的可被预测惊异无比,一方面也因为预测的日期与实际差了一天耿耿于怀,于是迷上了天文。后来,他发明了可以精确测量星星高度的六分仪(sextant)。

1572年,他在仙后星座(cassiopeia)发现了一颗以往没见过的星(现在知道那是一次“超新星”爆发)。他跟踪了几个月,没有发现像月亮所有的视差。因此他断定这颗新出现、后来又消失了的星比月亮远得多,应该处于最外围的恒星球。(在中国的明朝,宰相张居正因为这颗“客星”的出现教导了新登基的万历皇帝应该自省修身。)

然而,亚里士多德曾经信誓旦旦地说月球所在的天球之外是永恒、不变的,不可能突然冒出以前没有的星星来。年轻的第谷用实际的证据推翻了经典。

丹麦国王因此赐给他一座小岛和资金修建一个专业天文台。第谷在那里发明、建造了一系列可以精准测量星星位置的大型六分仪、象限仪(quadrant)等仪器,开创了精确记录行星数据的先河。他还通过测量彗星的位置变化证明这些太阳系的不速之客不但也是来自远方、还由远而近地“穿透”了诸行星所在的那一层层球壳,证明亚里士多德所说的实体球并不存在。

Tycho-Brahe-Mural-Quadrant.jpg

描绘第谷使用他自制的大型墙式象限仪测量星星位置情形的绘图。

1601年,第谷在54岁时“英年早逝”。他的死因一直是科学史上的一个谜,以至于迟至2010年他的遗体还被挖掘出来以现代技术分析是否死于谋杀。

但对于他的同时代人来说,更值得挖掘的是他遗留下来的海量天文数据。第谷自己坚持地心说,也构造过复杂的太阳系模型试图解释这些数据。但他的数据比他的理论更富有说服力。因为它们具备前所未有的精确度,迫使人们不得不正视无论是托勒密还是哥白尼的模型都无法与数据吻合的事实。他的继任开普勒(Johannes Kepler)为此不得不另辟蹊径。

在各种各样的尝试失败后,开普勒终于领悟到第谷的数据说明行星所走的路径是椭圆,而不是从亚里士多德、托勒密到哥白尼、第谷等人一致坚持的圆形。这些前人之所以对标准的圆形情有独钟,除了来自数学、哲学乃至宗教思维上的对称、唯美倾向之外,也有现实的考虑:没有什么实在的东西可以转出一个非圆形的形状。行星可能不依赖任何实体、“漂浮”在虚渺的空间里沿着抽象的“轨道”运动还不是他们所能想象的概念。

开普勒也无法解释、理解这其中的原理。但他发现采取椭圆轨道后,其它种种困难都可以迎刃而解。他陆续总结出后来以他名字命名的“行星轨道三定律”,揭开了整个太阳系的运动规律。

× × × × ×

第谷去世三年后,一颗更为明亮的超新星在1604年出现在蛇夫座(ophiuchus),持续三个星期在白天都能看得很清楚。(在那之后,要等到1987年才能再看到类似的超新星。)开普勒和伽利略都对它进行了长期的观测。伽利略当时在意大利帕多瓦大学担任数学教授,因为讲授新星的出现表明亚里士多德体系的错误而与本校的几个哲学教授结下了梁子。但他更大的麻烦还在后面。

早在托勒密时代,人们就知道一定形状的透明晶体、玻璃可以用来制作放大镜、老花眼镜。但直到17世纪初,才有荷兰人想起将两个镜片用圆筒一前一后连接起来,可以观看很远的物体。伽利略在1609年听说后,立刻就自己琢磨着制作出了望远镜(当时叫做“间谍镜”:spyglass)。他把这个对航海价值无比的新发明捐献给当时的威尼斯共和国,因此赢得终身教职,工资也翻了三番。但更重要的是,他同时也把自制的望远镜指向了夜晚的星空。

这一看不打紧,用现代的话说就是“三观尽毁”。

首先,他看到月球的表面坑坑洼洼,完全不是亚里士多德所想象的那种光滑圆润、完美无缺的天体。进而,他发现木星附近还有小星星,从它们不断变化的位置可以推断它们是在环绕着木星转圈,也就是木星有卫星——不是所有星星都在绕地球这个中心转。后来,他又看到了金星像月亮一样有圆缺盈亏,其变化幅度无法与托勒密的地心模型合拍,但可以用哥白尼的日心模型解释。

Galileo_manuscript.png

伽利略描述他看到土星的卫星的笔记。

伽利略不计前嫌,邀请他的老对手来亲眼察看这些奇观,却被拒绝。哲学教授们对自己既有的世界观更为珍惜,只好纷纷做了鸵鸟。科学家则不一样。开普勒收到伽利略送来的望远镜后,很快就证实了他的发现,还自己发明出不同镜片设计的望远镜来。

随着伽利略支持日心说的态度越来越明朗、拥有的证据越来越坚实,他与维护地心说的哲学家、神学家的关系也越来越复杂、紧张。1633年,他在教会面前被迫认错,被判终身软禁。传说他在离开裁判所时,依然嘟囔了一句“可【地球】的确是在动。”("But it does move.")

迟至1979年,教皇保罗二世(John Paul II)才正式为伽利略“平反”。

× × × × ×

没有证据表明伽利略曾经在比萨斜塔上投下过不同重量的球做演示。但他的确在比萨大学任职时开创了系统、精确运动学——或科学——实验的先河,并用数据否定了亚里士多德重量与速度关系的谬误。因此,伽利略普遍被认为是物理学——甚至是现代科学——的开山鼻祖。

开普勒的行星定律和伽利略的运动学实验成果后来在牛顿那里得以集大成,以牛顿动力学三定律和万有引力定律奠定经典物理学牢固的根基。太阳成为新的中心,行星——包括地球——因为太阳的引力而围绕太阳在椭圆轨道上运动成为新的科学真理。(牛顿引进的“惯性”概念也解决了地球上的人感觉不到地球在运动中这个难题。)而当牛顿展望整个宇宙,猜测不存在什么中心时,也没有人再去追究他的离经叛道。

伽利略通过他的望远镜还看到了一个人类从来没有见识过的世界:更多更多——“几乎不可思议之多”("an almost inconceivable crowd")——的肉眼无法看见的星星。宇宙比当时任何人想象的还要更大、更丰富。而他的望远镜为人类认识、探索宇宙打开了一个崭新的窗口。

1672年,伽利略逝世三十年后,法国戏剧家莫里哀(Moliere)公演了喜剧《女学究》(The Learned Ladies)。剧中男主角对他的妻子、妹妹和大女儿三名女性不思女红、家务,一味追求科学牢骚满腹。他的抱怨之一是她们在自家楼上装置了一具天文望远镜,要看月亮上在发生什么!

的确,还在那个年代,拥有、使用望远镜进行天文观察,已经成为欧洲上层人物、甚至并不富裕的中产阶层附庸风雅的重要标志。他们所有的,也已经不是伽利略拿在手上的简单直筒,而是占据整个房间,甚至是需要专门修建天文馆式建筑才能容纳的庞然大物。

自然,他们所观看的,也不只是月亮上的变故。人们的视野正投向更高更远,逐渐超越太阳系、银河系,直至宇宙的旷古幽深。


(待续)




http://blog.sciencenet.cn/blog-3299525-1157533.html

上一篇:宇宙膨胀背后的故事(之一):爱因斯坦无中生有的宇宙常数
下一篇:宇宙膨胀背后的故事(之三):坐井观天看银河

9 刁承泰 杨金波 赵克勤 晏成和 彭美勋 马德义 张学文 王永晖 吴明火

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (4 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备14006957 )

GMT+8, 2019-2-21 11:33

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部