原載《自然》（Nature）2009年01月01日第457卷第28頁(yè)
天文學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步極大地幫助人們解開(kāi)那些困擾人類(lèi)的最宏大的問(wèn)題,Owen ingerich為你詳細評說(shuō)。
整整四百年前，歐洲流傳著(zhù)一件令人吃驚的新發(fā)明的消息–兩個(gè)透鏡放在一個(gè)管子里，就可以魔術(shù)般地放大遙遠的景物。它的確切起源已經(jīng)在論戰的迷霧中迷失了，但確切的是，荷蘭Middelburg市一個(gè)叫做Hans Lipperhey的人曾于1608年申請過(guò)專(zhuān)利。他的申請被駁回，因為這項不具名的創(chuàng )新已經(jīng)人所共知。
17個(gè)月后，一位意大利數學(xué)教授寫(xiě)的一本小冊子宣布他用這種新發(fā)明的”窺鏡”（spyglass）有了神奇的發(fā)現。扉頁(yè)上伽利略稱(chēng)之為”perspicillum”似乎在暗示這是他自己的發(fā)明，不過(guò)如果他在自夸的話(huà)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(lái)取樂(lè )的玩具變成了一種科學(xué)儀器。1609年12月，他用自己的”窺鏡”辨認出了月亮上存在環(huán)形山、山脈和平原。四百年后，為了紀念這些令人吃驚的發(fā)現，聯(lián)合國將2009年命名為國際天文年（International Year of Astronomy）。
1610年1月，伽利略已經(jīng)發(fā)現了木星的四顆明亮”月亮”（英文是小寫(xiě)的moon，與他同時(shí)代的約翰斯·開(kāi)普勒把它們稱(chēng)為”衛星”（satellite））。年底之前，伽利略又發(fā)現金星的位相（如月亮一般的圓缺變化），證明它圍繞太陽(yáng)運動(dòng)。
這些發(fā)現的意義是巨大的。盡管尼古拉斯·哥白尼的《天體運行論》（1543）–這部著(zhù)作提出了”日心系統”–已經(jīng)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(shí)的物理描述。居住在一顆每24小時(shí)就旋轉一圈的球體上，這件事連想想都會(huì )覺(jué)得可笑！況且如果地球每年圍繞太陽(yáng)運動(dòng)的話(huà)，它又怎么能帶著(zhù)月亮一起運動(dòng)呢？
正是伽利略的著(zhù)作讓人們從理智上相信日心系統是物理上的真實(shí)。伽利略發(fā)現月亮跟地球是相似的，人們曾相信它與地球這個(gè)充滿(mǎn)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。于是那個(gè)永恒而輕盈的天空開(kāi)始破碎。木星悠然自得地帶著(zhù)它的衛星，而人人都知道木星正在運動(dòng)，那么一顆運動(dòng)著(zhù)的地球為什么非要用看不見(jiàn)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(mǎn)技巧的辯論術(shù)在他1632年的著(zhù)作《關(guān)于兩大世界體系的對話(huà)》中體現地淋漓盡致，這本書(shū)雖沒(méi)能充分證明地球的運動(dòng)，但其說(shuō)服力卻足以讓他深深地觸怒了宗教裁判所。
關(guān)于天空的不同觀(guān)點(diǎn)
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亙古不變的純凈的存在。教會(huì )觀(guān)點(diǎn)認為地球是沉重的，居于宇宙中心的，人類(lèi)的悲歡就在這里上演，這一點(diǎn)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(lǐng)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(xué)”的英國天文學(xué)家Thomas Digges也在他的著(zhù)作《天球運動(dòng)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(huì )權威們拒絕這種新的宇宙學(xué)也就在預料之中了。不僅如此，羅馬教廷的權威們還大發(fā)雷霆，因為伽利略這個(gè)業(yè)余的神學(xué)家竟然膽子大到告訴他們如何解釋圣經(jīng)。這顯然是一場(chǎng)勢力范圍爭奪戰。伽利略被傳訊至羅馬，被允許他為極端的異端懷疑做無(wú)罪辯護，但仍被認定為能遵守禁令（教授哥白尼宇宙學(xué)），從而并被判處終身軟禁。
伽利略的論證得到了開(kāi)普勒的幫助，開(kāi)普勒在理論天文學(xué)方面里程碑式的著(zhù)作也出版于1609年。他很恰當地將之命名為《新天文學(xué)》，將重點(diǎn)放在了研究行星運動(dòng)的物理原因上–這與過(guò)去的天文學(xué)家們只是用嚴格的幾何模型來(lái)說(shuō)明天空中的事情。甚至開(kāi)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(xué)，專(zhuān)心于天文學(xué)（也就是幾何學(xué)）。但開(kāi)普勒相信存在一個(gè)物理上實(shí)在的宇宙，他擁護哥白尼日心說(shuō)甚至還在伽利略之前。
但日心說(shuō)自哥白尼以來(lái)已經(jīng)走下坡路了，露出了破綻。哥白尼對于行星的經(jīng)度和緯度用了完全不同的幾何模型來(lái)解釋?zhuān)鴮τ谝粋€(gè)物理上真實(shí)的系統，同一個(gè)模型應該能夠處理這兩個(gè)坐標。根據哥白尼的觀(guān)點(diǎn)，行星在圓周上運動(dòng)（圍繞太陽(yáng)的偏心圓），當地球離太陽(yáng)最近時(shí)其速度也不增加。正是開(kāi)普勒對于物理真實(shí)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(guān)測一樣，開(kāi)普勒在行星理論的方面的進(jìn)展也最終讓哥白尼宇宙學(xué)被廣泛接受。在《新天文學(xué)》的導言中，開(kāi)普勒寫(xiě)道：”可能會(huì )有人的信仰太脆弱，接受哥白尼就等于冒犯了他對上帝的虔誠，那就讓他關(guān)起門(mén)來(lái)苦思冥想吧。他相信自己是最忠實(shí)地侍奉上帝，卻不知道對于天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，上帝已經(jīng)賜予我們用思維的眼睛觀(guān)察地得更加清楚的權利。”
無(wú)論過(guò)去還是將來(lái)，天文儀器都在人類(lèi)努力尋找我們在宇宙中的位置上居于中心地位。這個(gè)努力所費不菲。第谷·布拉赫吹噓說(shuō)他的觀(guān)測（他沒(méi)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(guān)測的分辨率）花費了丹麥國王超過(guò)一噸的黃金，這在16世紀是一筆巨大的財富。今天，制造大型望遠鏡要花費數十億美元。有人爭論說(shuō)這樣的儀器真如詩(shī)歌一樣對人類(lèi)進(jìn)步最終起到作用（或者一樣沒(méi)用），但它們能夠獲得投資，恰如最偉大的詩(shī)歌，或者建造哥特式大教堂一樣，宇宙學(xué)是人類(lèi)精神的征程，是個(gè)人或國家值得驕傲之處。為了了解我們在復雜的時(shí)空之網(wǎng)中的位置，是值得花費大價(jià)錢(qián)的。
在那遙遠的地方
開(kāi)普勒還改進(jìn)了伽利略的作品，用一個(gè)凸透鏡物鏡和一個(gè)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(chǎng)，也可以放置十字叉絲，而觀(guān)測天文學(xué)的下一次巨大進(jìn)步則是發(fā)生在將近兩個(gè)世紀之后。接近18世紀末，威廉·赫歇爾，一位充滿(mǎn)靈氣的從音樂(lè )家轉行的業(yè)余天文學(xué)家，開(kāi)始了看似唐吉坷德式的對宇宙三維結構的探索。在這個(gè)過(guò)程中，他發(fā)現了一顆新的行星–天王星，這使他得以從業(yè)余轉為專(zhuān)業(yè)人員。在作為天文學(xué)家最具創(chuàng )造力的那幾年，赫歇爾開(kāi)創(chuàng )了建造大型反射望遠鏡的方法,空前提高將光線(xiàn)收集能力。他最終數出來(lái)成千上萬(wàn)的星星，發(fā)現了數百個(gè)星團和星云，而后者則成為超越傳統的裸眼所見(jiàn)的”恒星天”，通往更為廣袤的外部宇宙之門(mén)。
一個(gè)世紀之后，感謝工程上的進(jìn)步，人們發(fā)現了如何在玻璃鏡面上鍍銀，并發(fā)明了照相術(shù)得以捕捉星星和星云的圖像，天文學(xué)家們最終越過(guò)了這道門(mén)檻。1859年，在海德堡的一個(gè)化學(xué)實(shí)驗室中，化學(xué)家羅伯特·本生和物理學(xué)家古斯塔夫·基爾霍夫發(fā)現了解開(kāi)宇宙中化學(xué)元素構成之秘密的鑰匙：通過(guò)不同的譜線(xiàn)辨認相關(guān)的元素。同時(shí)，富裕的慈善家慨解囊，天文學(xué)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(fā)現。其中就包括銀河系的巨大尺度，它比赫歇爾曾設想過(guò)的任何結果都要龐大得多。隨后人們認識到銀河系也僅僅是無(wú)數星系中的一個(gè)，而這些星系都是從幾十億年前的一次災難性的大爆炸產(chǎn)生的，它們正在相互遠離，相互之間的距離可以達到數百萬(wàn)年甚至數十億光年。
我們所觀(guān)察到的宇宙的尺度和年齡的飛速增長(cháng)讓人們產(chǎn)生了一種擔心，正如古代的人類(lèi)中心宇宙論破滅所引起擔心的一樣，人們會(huì )問(wèn)：在近乎無(wú)限的時(shí)空曠野中，具有理性、能夠進(jìn)行觀(guān)測的人類(lèi)還有什么意義？這個(gè)存在論的問(wèn)題在數十年間已經(jīng)被反復提出，毫無(wú)疑問(wèn)這也驅使我們心甘情愿地把納稅人的錢(qián)投入到將來(lái)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，從而可以收集并處理數十億字節的數據，并使用高速的自適應光學(xué)補償大氣變動(dòng)，使天文學(xué)家可以最大限度地利用地面上的大型望遠鏡。宇宙中的恒星和星系居民們如今開(kāi)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(fā)現太陽(yáng)系外的行星的統計。這些研究的成功會(huì )幫助我們回答接下來(lái)這個(gè)令我們關(guān)于宇宙的觀(guān)念再次發(fā)生劇變的問(wèn)題：”我們是孤獨的嗎？”
美國宇航局的”開(kāi)普勒號”任務(wù)計劃于2009年發(fā)射，是第一個(gè)專(zhuān)門(mén)設計用來(lái)尋找類(lèi)似地球的太陽(yáng)系外行星的飛行器。不要期待能夠收到某個(gè)行星上的智慧生命發(fā)來(lái)的無(wú)線(xiàn)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(jiàn)遙遠行星上的大氣，并從中尋找可能表征生命存在的化學(xué)元素的痕跡–這即使對于能夠在行星大氣層中產(chǎn)生氧氣的最基本生命形式也會(huì )有效。這些研究可以幫助我們回答接下來(lái)那個(gè)會(huì )再次改變我們宇宙觀(guān)念的問(wèn)題：”我們是孤獨的嗎?”
國際天文年可能標志著(zhù)我們在理解人類(lèi)在宇宙中的位置的又一次理性革命。它能否像伽利略和開(kāi)普勒確立日心說(shuō)那樣對社會(huì )產(chǎn)生重大影響嗎？時(shí)間會(huì )告訴我們一切。
注：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(xué)和科學(xué)史榮譽(yù)退休教授，著(zhù)有《上帝的宇宙》（God’s Universe）
原文見(jiàn)此
http://www.nature.com/nature/journal/v457/n7225/full/457028a.html
