人类宇宙观的七次飞跃
原创 GASA 高山书院 2020-10-27收录于话题#高山经典50个
以下根据张双南教授2020年8月13日在高山大学内蒙站的课程部分内容整理而成，经老师审核后公开发布。文章仅为现场内容十分之一，点击文末阅读原文，加入高山大学，了解更多。全文3483字丨6分钟阅读作者丨张双南整理丨邱施运编辑丨朱珍授课老师：张双南，中国科学院高能物理研究所研究员，中国科学院大学教授，天宫二号空间实验室伽马暴偏振实验、“慧眼”天文卫星以及中国载人航天工程空间天文与天体物理领域专家组首席科学家。
张双南讲到天文学史，我习惯以我个人总结的七次飞跃作为主要脉络来理解。第一次飞跃日心说取代地心说古希腊的宇宙观，主要是最后由亚里士多德建立起来的一个非常复杂的同心球模型。
同心球模型，图自网络在这个模型里，地球在中心，而每一个天体，包括太阳，都被“镶嵌”在不同同心球层上面，有非常复杂的机制，保证每个天体运动是匀速圆周运动。 就经验而言，这个模型很合理。在地球上我们每天经历日升月落，所有天体都会升起再落下；“宇宙围绕着地球转”的结论不算荒谬。美国报纸上发表过一个民意测验，问大家到底是太阳绕地球转，还是地球绕太阳转？结果相当令人震惊，答案参半。当中有些人回答：“虽然学校都教后者，但我自己感觉是前者。”按照亚里士多德的模型，天体只能往一个方向跑，不可能倒回去，但是这样一来，理论和人们观察到的事实又互相违背，因为人们经常观察到火星逆行的现象。于是，地心说的危机出现了。
后来，天才的托勒密给每个天体加上了一个轮子。每个天体有一个本轮，除了绕着地球，也绕着本轮转，而且本轮还经常是偏心轮。所以托勒密模型异常复杂。但尽管复杂，却可以把天体的运动描述得非常精确，而且可以进行天体预言。这就把地心说维持住了。从此，天文学家的任务就变得既简单，又复杂——简单在于只需要对天体轮子的参数进行测量，复杂在于参数越来越多，每过一段时间就要更新。然而，哥白尼抗拒复杂的模型。在他看来，好的理论应该简洁，于是提出了日心说——所有天体都绕着太阳运动，包括地球。这个假说也能很好解释为什么火星会出现逆行，是因为各自绕太阳的周期不同，是相对运动造成的观测现象。
但当时日心说对天体运动的描述精度不高，所以没有获得广泛的支持。精度问题，终于在开普勒这里得到了解决。开普勒是日心说的支持者。伟大的天文学观测家第谷英年早逝，开普勒继承了他的数据，很快，开普勒三定律就诞生了。开普勒三定律的核心就是确定了天体绕太阳运动的轨道不是圆周，而是椭圆。在今天看来，圆变椭圆或许不过是添加了一个参数；但当时从柏拉图开始，所有天文学家都埋头研究匀速圆周运动，在那样的时代背景下，这是了不得的变化。虽然日心说吻合了所有的观测事实。但加了轮子的地心说同样能解释这些观测现象，人们看不见日心说的优势，所以日心说依旧没有获得支持。下一个关键突破口，发生在伽利略。他在1609年发明了天文望远镜，通过前所未有的观测精度，确立了日心说的优势。首先，发现月球与其他行星的光都是反射太阳的光，而非自己发光。另外，还发现木星有4颗卫星。这意味着宇宙中已经确定了4个不绕着地球运动的天体，这对于设定地球是宇宙中心的地心说，是一种打击。
最后，发现金星盈亏与大小的变化。这在地心说的理论框架下完全无法解释。如果天体都绕着地球转，无论什么时候，都不可能出现满金现象（金星被太阳完全照亮）；相反，如果天体都绕着太阳转，不仅满金现象能得到解释，金星不同时候的亮度差异，由于与地球距离不同，也一并获得解释。用温伯格的话来说就是，“这是地心说棺材上的最后一根钉子。” 从理念上，伽利略的望远镜，使得天文学脱离了纯粹的思辨，进入通过天文仪器进行观测并建立理论模型解释世界的新天文时代。这是一个根本性的改变。直到现在，世界各地包括中国都在持续建造各种天文仪器，以此进一步理解宇宙，当然，也包括我们今天看到的明安图射电望远镜。除了更精确的观测，伽利略的实验主义，对于当时对自然只能观察、不能实验的亚里士多德学派科学风格，也有极其重大的突破意义。爱因斯坦评价，伽利略开创的科学方法是人类思想史上最伟大的成就之一，用实验和论证彻底代替了直觉，标志着物理学真正的开端。第二次飞跃太阳系不是宇宙的中心荷兰天文学家卡普坦测量了45万颗恒星的距离——他假定所有恒星的绝对亮度都一样，并通过观测的亮度推导恒星的距离。结果，他发现从地球上观测到的恒星，分布并不均匀，有些方向上多、有些方向上少，这意味着我们并不处于宇宙的中心。同时，他也发现一定距离之外，就不再有恒星，由此确定了银河系的规模。美国天文学家沙普利，也做了类似测量。他的测量基础比卡普坦的假定好一些，建立在69个当时已知的球状星团中，而结果是类似的——我们太阳系不在宇宙的中心，而宇宙也存在一个边界和规模。 第三次飞跃银河系不是整个宇宙
这是通过哈勃望远镜拍到的一张照片。点状的东西，是恒星，这没有异议。但除此之外，那些模模糊糊的云状物体，到底是什么？如果这些云在银河系内，那么这些云延伸到哪里，银河系的边界就大致到哪。如果这些云在银河系外，那么银河系就不是整个宇宙，而宇宙会非常之大。最后，这问题是靠哈勃解决。他通过仔细观察这些星云，并提升分辨率越看越请，发现这些星云实际上和星系无异，只不过是形态不同、距离很远，并做了分类，这一套分类（哈勃系列）我们至今仍然沿用。观察结果也让人们意识到，银河系并非整个宇宙，只是宇宙中很小的一部分。而人类在宇宙当中的地位，就显得越来越不特殊，也不重要了。第四次飞跃宇宙是膨胀的根据哈勃的观测，什么时候观测星系都处于不变的状态，而且在大尺度上各方位的分布也是均匀的，我们不难推测得到这样的结论——宇宙是无限的、永恒的。然而，这结论和古老的奥伯斯佯谬产生了矛盾。即如果宇宙无限大，那么我们在地球上接收来自于各方位无数天体的光，加起来就是无限大，那么我们应该会被亮瞎眼。这显然不符合现实观察。那么矛盾出在哪里？这个矛盾，既由哈勃的观测产生，也由哈勃的观测解决。1929年，哈勃发现了哈勃定律——星系相对于我们，一直在后退，离我们越远，后退速度越大。可见，宇宙在膨胀。那么倒推回去，宇宙必然有个起源。既然有起源，那么宇宙的寿命必然有限。既然寿命有限，我们接收到的这些天体的光也就必然有限。有限的时间之内，光线传输需要时间，所以我们只能接收到有限的天体的光。如此，矛盾迎刃而解了。 第五次飞跃宇宙大爆炸产生了宇宙哈勃定律表明：宇宙有起源。但起源是什么，依然成谜。1965年，美国两位射电工程师彭基亚斯和威尔逊，通过当时通讯用的天线，无意发现了一种四面八方的信号。最初以为是噪声，花了各种方法去噪，一度以为天线挨了鸟粪而清理了一遍，但没有用。考虑到当时已知的天体也产生信号，他们接着再把这些信号去除后，信号依旧。最后，他们明白，这是宇宙背景里四方八面的微波辐射信号。在当时，已经有人提出了宇宙大爆炸的理论——爆炸之后的膨胀过程中，宇宙逐渐冷却，一直到现在非常低的温度，进而产生了这微波背景辐射。两人的发现确立了哈勃膨胀是由宇宙大爆炸的结果，并于1978年获得诺贝尔物理学奖。第六次飞跃宇宙加速膨胀由于宇宙大尺度上只有引力，那么宇宙大爆炸以后，在引力的作用下，膨胀只能就逐渐减速。那么。天文学家的任务就变成测量宇宙膨胀的减速参数。意想不到的是，1988年，三位年轻的天文学家普尔穆特、赖斯和施密特测量发现，遥远的宇宙天体膨胀确实在减速，但靠近我们的那些天体，膨胀速度却是正在加速。换句话说，宇宙早期膨胀之后，是先经历了一段减速，接着转向加速。但如果只有引力，膨胀只会减速，最后不膨胀、塌缩，为什么会加速？所以，人们认为存在一种未知的暗能量，使得天体之间同时存在相互排斥力——只不过早期宇宙密度大，引力更关键，而今天宇宙密度低了，排斥力反超了引力，使得宇宙膨胀从减速转向加速。
至今，我们认识的宇宙，起源于大爆炸，之后先减速、后加速；成分上，4%由正常物质组成，其余则是暗物质和暗能量。暗物质和暗能量是目前笼罩现代物理学和天文学上空的“两朵乌云”，任何突破，将可能带来一次新的物理学革命。 第七次飞跃可能存在其它世界和文明为什么要研究其他的地方呢？其实有一个非常重要的问题。关于地球生命的起源，至今仍然是未知。地球上的生命起源于海洋，但这些生命的源头又在哪里？或许是地球，或许是太阳系其他行星，甚至其他星系。1992年，科学家在一颗脉冲星周围，发现了太阳系外的第一个行星，不过那是一个中子星，但因为环境太恶劣，所以不可能存在生命。1995年，在飞马座51附近，天文学家发现了类似太阳系的行星系统。目前，在太阳系外3000多个恒星周围，共发现了4000多个行星。而且当中有一些居于宜居带，行星和恒星的距离不近不远，来自恒星的辐射能量恰到好处，类似于地球，所以上面有可能有生命。但到目前为止，地球以外的其他生命还没发现。※高小山※：对于是否地外生命这个话题，欢迎在文末互动区留言或者发问，可能下次课程中，张双南教授会就你的问题进行探讨~
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