[譯]人類在宇宙中的位置 | 科學松鼠會

原載《自然》（Nature）2009年01月01日第457卷第28頁

天文學領域的技術進步極大地幫助人們解開那些困擾人類的最宏大的問題,Owen ingerich為你詳細評說。

整整四百年前，歐洲流傳著一件令人吃驚的新發明的消息–兩個透鏡放在一個管子里，就可以魔術般地放大遙遠的景物。它的確切起源已經在論戰的迷霧中迷失了，但確切的是，荷蘭Middelburg市一個叫做Hans Lipperhey的人曾於1608年申請過專利。他的申請被駁回，因為這項不具名的創新已經人所共知。

17個月後，一位義大利數學教授寫的一本小冊子宣布他用這種新發明的」窺鏡」（spyglass）有了神奇的發現。扉頁上伽利略稱之為」perspicillum」似乎在暗示這是他自己的發明，不過如果他在自誇的話也應該可以諒解，因為伽利略的工作把這種其他人只是用來取樂的玩具變成了一種科學儀器。1609年12月，他用自己的」窺鏡」辨認出了月亮上存在環形山、山脈和平原。四百年後，為了紀念這些令人吃驚的發現，聯合國將2009年命名為國際天文年（International Year of Astronomy）。

圖注1:伽利略對月亮的觀測產生了深遠的影響.

1610年1月，伽利略已經發現了木星的四顆明亮」月亮」（英文是小寫的moon，與他同時代的約翰斯·開普勒把它們稱為」衛星」（satellite））。年底之前，伽利略又發現金星的位相（如月亮一般的圓缺變化），證明它圍繞太陽運動。

這些發現的意義是巨大的。儘管尼古拉斯·哥白尼的《天體運行論》（1543）–這部著作提出了」日心系統」–已經將近70年了，但只是被作為一本計算行星位置的手冊，從不被認為是對宇宙真實的物理描述。居住在一顆每24小時就旋轉一圈的球體上，這件事連想想都會覺得可笑！況且如果地球每年圍繞太陽運動的話，它又怎麼能帶著月亮一起運動呢？

正是伽利略的著作讓人們從理智上相信日心系統是物理上的真實。伽利略發現月亮跟地球是相似的，人們曾相信它與地球這個充滿了墮落與衰敗的地方不一樣，是由水晶般的以太構成的完美球體。於是那個永恆而輕盈的天空開始破碎。木星悠然自得地帶著它的衛星，而人人都知道木星正在運動，那麼一顆運動著的地球為什麼非要用看不見的以太才能把自己的衛星–月亮拴在身邊呢？伽利略在這件事上充滿技巧的辯論術在他1632年的著作《關於兩大世界體系的對話》中體現地淋漓盡致，這本書雖沒能充分證明地球的運動，但其說服力卻足以讓他深深地觸怒了宗教裁判所。

關於天空的不同觀點

大約兩千多年以前的亞里士多德認為地球是由土、氣、火、水四種元素構成的世俗世界，而天空則是由輕盈的球層構成的亘古不變的純凈的存在。教會觀點認為地球是沉重的，居於宇宙中心的，人類的悲歡就在這裡上演，這一點非常符合亞里士多德的宇宙–火山噴出的煙塵和火焰表摩納哥了地獄之火的存在，而上帝的領地和上帝選中的義人就居住在群星所在的天穹之外。甚至連支持」高貴的哥白尼哲學」的英國天文學家Thomas Digges也在他的著作《天球運動的完整表述》（A Perfit Description，1576）中，也把」義人的居所」放在了群星之間。

如此絕大部分教會權威們拒絕這種新的宇宙學也就在預料之中了。不僅如此，羅馬教廷的權威們還大發雷霆，因為伽利略這個業餘的神學家竟然膽子大到告訴他們如何解釋聖經。這顯然是一場勢力範圍爭奪戰。伽利略被傳訊至羅馬，被允許他為極端的異端懷疑做無罪辯護，但仍被認定為能遵守禁令（教授哥白尼宇宙學），從而並被判處終身軟禁。

圖注2 Thomas Digges的日心說宇宙結構

伽利略的論證得到了開普勒的幫助，開普勒在理論天文學方面里程碑式的著作也出版於1609年。他很恰當地將之命名為《新天文學》，將重點放在了研究行星運動的物理原因上–這與過去的天文學家們只是用嚴格的幾何模型來說明天空中的事情。甚至開普勒的老師和指導邁克爾·邁特林斯也敦促他要忘掉物理學，專心於天文學（也就是幾何學）。但開普勒相信存在一個物理上實在的宇宙，他擁護哥白尼日心說甚至還在伽利略之前。

但日心說自哥白尼以來已經走下坡路了，露出了破綻。哥白尼對於行星的經度和緯度用了完全不同的幾何模型來解釋，而對於一個物理上真實的系統，同一個模型應該能夠處理這兩個坐標。根據哥白尼的觀點，行星在圓周上運動（圍繞太陽的偏心圓），當地球離太陽最近時其速度也不增加。正是開普勒對於物理真實性的追求促使他最終假定橢圓是行星軌道的基本形式，從而消除了困難。

與伽利略的望遠鏡觀測一樣，開普勒在行星理論的方面的進展也最終讓哥白尼宇宙學被廣泛接受。在《新天文學》的導言中，開普勒寫道：」可能會有人的信仰太脆弱，接受哥白尼就等於冒犯了他對上帝的虔誠，那就讓他關起門來苦思冥想吧。他相信自己是最忠實地侍奉上帝，卻不知道對於天文學家來說，上帝已經賜予我們用思維的眼睛觀察地得更加清楚的權利。」

無論過去還是將來，天文儀器都在人類努力尋找我們在宇宙中的位置上居於中心地位。這個努力所費不菲。第谷·布拉赫吹噓說他的觀測（他沒有使用望遠鏡，但利用象限儀及其他儀器相當仔細地提高了裸眼觀測的解析度）花費了丹麥國王超過一噸的黃金，這在16世紀是一筆巨大的財富。今天，製造大型望遠鏡要花費數十億美元。有人爭論說這樣的儀器真如詩歌一樣對人類進步最終起到作用（或者一樣沒用），但它們能夠獲得投資，恰如最偉大的詩歌，或者建造哥特式大教堂一樣，宇宙學是人類精神的征程，是個人或國家值得驕傲之處。為了了解我們在複雜的時空之網中的位置，是值得花費大價錢的。

在那遙遠的地方

開普勒還改進了伽利略的作品，用一個凸透鏡物鏡和一個凹透鏡目鏡代替了伽利略的兩片凸透鏡，從而取得更大的視場，也可以放置十字叉絲，而觀測天文學的下一次巨大進步則是發生在將近兩個世紀之後。接近18世紀末，威廉·赫歇爾，一位充滿靈氣的從音樂家轉行的業餘天文學家，開始了看似唐吉坷德式的對宇宙三維結構的探索。在這個過程中，他發現了一顆新的行星–天王星，這使他得以從業餘轉為專業人員。在作為天文學家最具創造力的那幾年，赫歇爾開創了建造大型反射望遠鏡的方法,空前提高將光線收集能力。他最終數出來成千上萬的星星，發現了數百個星團和星雲，而後者則成為超越傳統的裸眼所見的」恆星天」，通往更為廣袤的外部宇宙之門。

一個世紀之後，感謝工程上的進步，人們發現了如何在玻璃鏡面上鍍銀，並發明了照相術得以捕捉星星和星雲的圖像，天文學家們最終越過了這道門檻。1859年，在海德堡的一個化學實驗室中，化學家羅伯特·本生和物理學家古斯塔夫·基爾霍夫發現了解開宇宙中化學元素構成之秘密的鑰匙：通過不同的譜線辨認相關的元素。同時，富裕的慈善家慨解囊，天文學家們得以利用新的巨大望遠鏡做出了一系列讓人們增強自我意識的發現。其中就包括銀河系的巨大尺度，它比赫歇爾曾設想過的任何結果都要龐大得多。隨後人們認識到銀河系也僅僅是無數星系中的一個，而這些星系都是從幾十億年前的一次災難性的大爆炸產生的，它們正在相互遠離，相互之間的距離可以達到數百萬年甚至數十億光年。

我們所觀察到的宇宙的尺度和年齡的飛速增長讓人們產生了一種擔心，正如古代的人類中心宇宙論破滅所引起擔心的一樣，人們會問：在近乎無限的時空曠野中，具有理性、能夠進行觀測的人類還有什麼意義？這個存在論的問題在數十年間已經被反覆提出，毫無疑問這也驅使我們心甘情願地把納稅人的錢投入到將來的宇宙探索之中。

今天的，電子革命使CCD取代了照相底片，效率提高了近50倍，從而可以收集並處理數十億位元組的數據，並使用高速的自適應光學補償大氣變動，使天文學家可以最大限度地利用地面上的大型望遠鏡。宇宙中的恆星和星系居民們如今開始一一被列入統計表中，這遠非從前可比。這也包括最近幾年，對發現太陽系外的行星的統計。這些研究的成功會幫助我們回答接下來這個令我們關於宇宙的觀念再次發生劇變的問題：」我們是孤獨的嗎？」

美國宇航局的」開普勒號」任務計劃於2009年發射，是第一個專門設計用來尋找類似地球的太陽系外行星的飛行器。不要期待能夠收到某個行星上的智慧生命發來的無線電信號。但其他令人興奮的信號必定可以找到。今天的光譜儀可以窺見遙遠行星上的大氣，並從中尋找可能表徵生命存在的化學元素的痕迹–這即使對於能夠在行星大氣層中產生氧氣的最基本生命形式也會有效。這些研究可以幫助我們回答接下來那個會再次改變我們宇宙觀念的問題：」我們是孤獨的嗎?」

國際天文年可能標誌著我們在理解人類在宇宙中的位置的又一次理性革命。它能否像伽利略和開普勒確立日心說那樣對社會產生重大影響嗎？時間會告訴我們一切。

註：Owen Gingerich是麻省坎布里奇市哈佛-史密斯松天體物理中心天文學和科學史榮譽退休教授，著有《上帝的宇宙》（God』s Universe）

原文見此

http://www.nature.com/nature/journal/v457/n7225/full/457028a.html