站在巨人的肩膀上，探索宇宙

憑著天賦五官，人類開始探索宇宙的浩瀚，並稱這趟奇幻之旅為科學。

——埃德溫·哈勃

縱觀整個人類歷史，科學家一直在努力地理解我們在夜空中所看到的一切。許多著名的天文學家都在不同的程度上，為我們打開了理解天空的視角。幾個世紀以來，從地球為宇宙中心的地心說觀點，到發現宇宙正在加速膨脹，我們的宇宙觀不斷地發生著天翻地覆的改變。在這個發現的歷程中，有許多天文學家做出的傲人的成就，今天，讓我們站在這些巨人的肩膀上，探索宇宙。

（圖片來源：Karl Tate，space.com）

當大多數人認為世界是平坦的時候，著名的希臘數學家、天文學家和地理學家埃拉托斯特尼（Eratosthenes, 276 - 195 B.C.）利用太陽來測量圓形地球的直徑。他測量的39,690公里與地球的實際直徑只相差了340公里。

在古希臘時代，天文學家、數學家克羅狄斯·托勒密（Claudius Ptolemy, A.D. 90 - 168）建立了一個以太陽、恆星還有其他行星都圍繞著地球旋轉的太陽系模型，即托勒密的地心說。儘管它推翻了地是平的這一錯誤認知，但這個理論本身也錯誤的存在了數百年的時間。後來人們認為：「托勒密代表的是整個希臘天文學知識系統的縮影。」

△ 托勒密的地心說模型。（圖片來源：Bartolomeu Velho, Public Domain）

以阿左飛（Azophi）這一名字為人知曉的波斯天文學家阿卜杜勒-拉赫曼·蘇菲（Abd al-Rahman al-Sufi, 903 - 986），第一次觀測到銀河系以外（即仙女座星系）的一群恆星。

到了16世紀的波蘭，天文學家尼古拉斯·哥白尼（Nicolaus Copernicus，1473 - 1543）提出了一個涉及地球圍繞太陽旋轉的太陽系模型，即日心說。雖然他的模型並不完全準確，因為當時的天文學家對火星時而出現的逆行感到困擾，但這並沒有阻止一些科學家開始改變對太陽系的看法。

△ 哥白尼。（圖片來源：Public Domain）

基於丹麥天文學家第谷·不拉赫（Tycho Brahe,1546 - 1601）對行星路徑的進行的詳細測量記錄，約翰內斯·開普勒（Johannes Kepler 1571 - 1630）確定了行星圍繞太陽旋轉的軌跡不是圓形，而是橢圓。同時，他也提出了關於行星運動的三大定律。然而，當時封閉的思想環境讓開普勒的工作面臨危險。

開普勒生活的時代正是思潮動蕩的時期，宗教領袖不願意放棄他們對天堂的看法。由天文學家提出的天空是在非圓形軌道上運動的星體這種說法，有悖了地心說模型且威脅著他們心中的信仰，因此，開普勒和他的第一任妻子芭芭拉創造了一系列暗號來互通信件，避免他們面臨因信件而遭受迫害的危險。

△ 開普勒的一生。（圖片來源：JEFFREY PHILLIPS/COSMOS）

伽利略·伽利萊（Galileo Galilei, 1564 - 1642）生於義大利，他經常被認作為是創造了光學望遠鏡的人，事實上他做的是在已有模型上的改進。他在1609年製造了他的第一台望遠鏡，模仿了在歐洲其他地區製造的有三倍放大倍數的望遠鏡。在同年後期，他製作了一個可將物體放大二十倍的望遠鏡。

伽利略將自己新發明的觀測工具瞄準了天空，並發現了四顆木星的主要衛星（現在被稱為伽利略衛星），以及發現了土星環。儘管是哥白尼提出了日心說模型，但經歷了很長的時間才被人們廣泛接受。在開普勒計算出行星的軌跡後，伽利略是日心說的主要擁護者。他在晚年也因此遭遇軟禁。

△ 伽利略。（圖片來源：NASA）

同樣是來自義大利的天文學家喬凡尼·卡西尼（Giovanni Cassini，1625 - 1712）測量了木星和火星旋轉一周需要多久。他也發現了土星的四顆衛星和土星環之間的縫隙。為了紀念他，NASA於1997年發射了以他命名的太空探測器，前往土星對其大氣、光環和衛星進行考察。

光的本質是什麼？這個簡單的問題困擾了科學家數百年，來自荷蘭的克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens，1629 - 1695） 是最早提出揭示光的本質的理論的科學家。他對望遠鏡的改進使他第一次識別出了土星的光環，之後還發現了土星的衛星——泰坦（土衛六），並且觀測到了獵戶座星雲等。

1667年，艾薩克·牛頓（Sir Isaac Newton，1643 - 1727）在經歷了20年的思考、實驗研究、大量的天文觀測和無數次的數學演算，終於出版了他的曠世之作《自然哲學之數學原理》。在書中，牛頓闡述了萬有引力和運動定律，並詳細地推導了這些定律導致的後果。牛頓的思想受到了哥白尼、伽利略、笛卡爾、培根、洛克和摩爾等人的影響，因此他曾說「如果說我看得比別人更遠些，那是因為我站在巨人的肩膀上。」

△ 為了慶祝劍橋大學圖書館600周年，圖書館展出了這本牛頓珍藏的初版《自然哲學的數學原理》，書中有牛頓的註解和修正。（圖片來源：劍橋大學圖書館）

牛頓的合作者愛德蒙·哈雷（Edmond Halley，1656 – 1742）研究了在1456、1531、1607和1682年夜空中出現的彗星後，得出一個結論：這幾次出現的彗星是同一顆彗星。他也預言了該彗星會在1758年再次回歸。儘管他沒有等到彗星回歸的日子，但他被證明是對的，而該彗星也被稱之為「哈雷彗星」。

法國天文學家查爾斯·梅西耶（Charles Messier，1730 - 1817）製作了一張當時已知為「星雲」的天體的資料庫。在資料庫中的天體都有相應的編號，比如M31代表了仙女座星系。他一生中還發現了13顆彗星。

英國天文學家威廉·赫歇爾（William Herschel,1738 - 1822）收編了超過2500個深空天體。他也發現了天王星和它的兩顆最明亮的衛星，兩顆土星的衛星，以及火星冰帽。他也訓練了自己的妹妹卡羅琳·赫歇爾（Caroline Herschel，1750 – 1848）成為天文學家，是第一位發現彗星的女性，並在一生中發現許多其它彗星。

△亨麗愛塔·斯萬·勒維特。（圖片來源： Harvard College Observatory）

亨麗愛塔·斯萬·勒維特（Henrietta Swan Leavitt, 1868 - 1921）是在哈佛大學當「人工計算機」的女性之一，她的工作是在相片底片上識別變星（Variable Star）的圖像。她發現一顆有著特殊閃光被稱為造父變星的亮度與其脈衝頻率有關。這一發現使得天文學家可以計算恆星間與星系間的距離、銀河系的大小以及宇宙的膨脹。

在阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）提出新的引力理論的不久後，他將自己的理論運用在宇宙學的研究上，並得到了出乎意料的結果。他發現我們的宇宙是不穩定、隨時間演化的。在1917年的一篇論文中，為了使宇宙保持靜止，他在自己的方程中引進了「宇宙學常數」，現在有許多物理學家認為該常數與神秘的暗能量有關。愛因斯坦在1917年發表的論文無疑是現代宇宙學的開篇。羅伯特·奧本海默（Robert Oppenheimer）曾在1966年發表的一次演講中說：「愛因斯坦是一位物理學家，一位天才哲學家，是我們時代最偉大的人物。」

△ 愛因斯坦在1917年發表的論文被標記為現代宇宙學的誕生。（圖片來源：Albert Einstein）

在美國天文學家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble，1899 – 1953）登場之前，人們普遍認為銀河系就是整個宇宙。當時，天文學家對夜空中觀測到的「螺旋星雲」（比如仙女座星系）的本質的看法存在著分歧，並引發了一場大辯論。以哈羅·沙普利（Harlow Shapley，1885 - 1972）為首的一派認為螺旋星雲不過是銀河系內的氣體雲。而以希伯·柯蒂斯（Heber Curtis，1872 - 1942）的一派則認為它們遠在銀河系之外。在那場大辯論的最後投票中，沙普利獲得了更人的支持。

然而，沙普利只是贏得了一時。哈勃在基於勒維特的工作上，計算了仙女座星系中造父變星的距離，強有力的證明了仙女座星系的確是在銀河系之外。後來，哈勃不僅對星系進行了分類，還找到了宇宙膨脹的證據。當哈勃的觀測證實了我們的宇宙並非靜止的時候，愛因斯坦拜訪了在威爾遜的他，並稱自己對方程的修正是這一生犯過最大的錯誤。

△ 上行為德雷克方程，下行為天文學家Adam Frank和Woodruff Sullivan提出的新方程來尋找在宇宙中有可能發展成先進文明的數量。（? A. Frank/University of Rochester）

弗蘭克 · 德雷克（Frank Drake，1930 - ）是尋找地外智慧生物的先驅者。他是搜尋地外文明計劃（SETI）的創始人之一。1961年，他提出了著名的德雷克方程，依賴於一些列的未知量（比如銀河系內恆星形成的速率；恆星有行星的可能性；位於可宜居地帶行星的平均數等等。），他估算了在銀河系內可能存在其它先進文明數量的方程式。

△ 在這張照片中，地球看起來像是一粒懸浮在陽光中的點，大小不超過0.12個像素，因此科學家將我們的家園稱為「暗淡藍點」。（圖片來源：NASA）