人类认识宇宙的几次大突破

天文学在人类文明的发展中起着重要作用。人类对宇宙的认识是不断发展的，天文学发展史是人类文明的重要成果。天文学史中有很多生动有趣的事迹，尤其是人类认识宇宙的几次大飞跃影响深远。

第一次飞跃是人类认识到地球是球形的、日月星辰远近不同，它们的视运动有客观规律可循，人们可以通过天象观测来编制历法和星表。古代人往往凭主观猜测或幻想来看待天与地的各种问题，有些看法成为流传的神话故事，例如我国“盘古开天辟地”“嫦娥奔月”的故事。然而，人们经过长期观测和思考探索，逐渐形成科学的认知，例如，从月食时地球投到月球上的圆弧影子等现象推断大地为球形；从同一经度上南北两地正午太阳的地平高度（角）差别，用几何方法推算地球的周长。古人直观感觉日月星辰好像嵌在一个巨大的天穹或天球上，绕地球旋转。大多数星辰好像组成特定的不变图形一起旋转，因而称它们为恒星；但有五颗亮星（水星、金星、火星、木星、土星）却常在恒星之间游动，称为行星。人们用三角测量法测定太阳和月球的大小以及它们之间的距离。公元2世纪，生于埃及的克劳迪厄斯·托勒密（Claudius Ptolemy）集古代天文学成就，在其名著《天文学大成》中阐述了宇宙地心体系（即地心说）（见图1-1）。他认为地球静止地位于宇宙中心，各行星在其特定轮上绕地球转动且与恒星一起每天绕地球转一圈，这给天象规律做了一种数学理论描述，有其历史功绩。因他否认上帝，直到1215年教会还禁止讲授他的理论，不过后来教会又把地心说作为统治的理论工具。

第二次大飞跃是1543年波兰数学家和天文学家尼古劳斯·哥白尼（Nicolaus Copernicus）在其名著《天体运行论》中提出宇宙日心体系（即日心说）（见图1-2），形成太阳系概念。他论证了地球和行星依次在各自轨道上绕太阳公转；月球是绕地球转动的卫星，同时随地球绕太阳公转；日月星辰每天东升西落现象是地球自转的反映；恒星比太阳远得多。正如书名中“revolution”一词有运行（绕转或公转）和革命双关意思，从此自然科学便开始从神学中解放出来。17世纪初，意大利物理学家、数学家、天文学家及哲学家伽利略·伽利雷（Galileo Galilei）［见图1-3（b）］制成天文望远镜观测星空，看到月球表面有多种特征，金星也像月球一样有圆缺变化，发现木星的四颗卫星，提供太阳系的新证据，又从太阳黑子的运动推断太阳在自转，分辨出银河由密集的恒星组成，写了《星空使者》和《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，开创了近代天文学。

图1-1　托勒密与地心体系简图

图1-2　哥白尼与日心说简图

第三次大飞跃是万有引力定律和天体力学的建立。17世纪科学革命的关键人物、德国天文学家和数学家约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler）［见图1-3（a）］分析研究第谷·布拉赫（Tycho Brahe）留下的行星观测资料，发现行星运动三定律；继而，伟大的科学家艾萨克·牛顿（Isaac Newton）［见图1-3（c）］总结当时的天文学和力学，进行科学抽象和数理推演，写出名著《自然哲学的数学原理》，由开普勒定律导出万有引力定律，奠定了天体力学基础。埃德蒙·哈雷（Edmond Halley）用牛顿理论计算彗星轨道，预报哈雷彗星的回归。公元1781年，威廉·赫歇耳（Wilhelm Herschel）发现天王星。U.勒威耶（Urbain Le Verrier）和J.C.亚当斯（John Couch Adams）分别从天王星的观测与预报的位置偏差推算出一颗未知行星的轨道和位置，由J.伽勒（Johann Galle）观测找到，命名为海王星。海王星是唯一利用天体力学预测而非有计划地观测发现的行星。哈雷彗星的回归和海王星的发现显示了牛顿理论的威力。(www.xing528.com)

图1-3　开普勒（a）、伽利略（b）与牛顿（c）

第四次大飞跃是人类认识到太阳系有其起源演化史。在牛顿时代，自然界除了往复的机械运动外，绝对不变的自然观占主导地位。在自然界不变的僵化自然观上打开第一个缺口的是18世纪德国著名哲学家伊曼纽尔·康德（Immanuel Kant）和法国著名科学家P.-S.拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）先后提出两种太阳系起源的星云假说。他们都认为，太阳系的各天体都是从同一个原始星云按自然规律，主要是在引力作用下聚集形成的。天体演化观的建立对自然科学和哲学的发展都有深远的影响。

第五次大飞跃是银河系和星系概念的建立。哈雷把当时的星表和古代的星表比较，发现某些恒星有位置移动——自行。后来，天文学家测出各恒星离我们远近不同，这样就打破了恒星固定在天球上的错误概念。继而英国天文学家托马斯·赖特（Thomas Wright）、德国数学家J.H.朗伯特（Johann Heinrich Lambert）提出恒星组成扁盘状系统（银河系）的看法，出生于德国的英国天文学家赫歇耳观测研究得出银河系的粗略结构图。弗兰克·埃尔莫尔·罗斯（第三代罗斯伯爵，3rd Earl of Rosse，原名为William Parsons）观测到某些星云可分辨出恒星，因而它们是银河系之外的星系。

第六次大飞跃是天体物理学的兴起。19世纪中叶以来，照相术、光谱分析和光度测量技术相继应用于天文观测，导致天体物理学的兴起。法国哲学家奥古斯特·孔德（Auguste Comte）在1825年断言“恒星的化学组成是人类绝对不能得到的知识”，然而不久，光谱分析就可得知天体的化学组成了。随着原子物理等理论物理学的创立和发展，人们建立了理论天体物理学去分析观测资料，“破解”天体的物理状况和化学组成信息。

第七次大飞跃是时空观的革命。牛顿认为时间和空间都是绝对的、与外界任何事物无关的，即绝对时空观。20世纪初期，近代物理先驱阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）创立相对论，把时间、空间与物质及其运动紧密联系起来，得出观察者看到运动的尺（在运动方向）缩短、运动的时钟变慢、运动的质量增加、引力表现为由物质存在而导致的时空弯曲、光线在引力场中弯曲、强引力场中时钟变慢等结论，打破了绝对时空观，建立了相对论时空观。他得到质量m和能量E的重要关系——质能关系：E=mc2（c是光速），成为包括天体的核能等问题的理论基础。

随着地面现代光学观测仪器和技术方法的发展，以及无线电（射电）技术和空间探测技术的进步，天文观测从可见光波段扩展到红外、紫外、射电、X射线和γ射线的全波段，并实现粒子、物理场（引力场、电磁场等）探测和登上一些太阳系天体进行实地考察。在理论研究方面，天文学不仅有现代数学、物理、化学以及电子计算机等基础和工具，而且发展了一系列现代天文分支学科以及有关的交叉、边缘学科。近年来，探索宇宙中物质的起源、探测广义相对论预言的引力辐射——引力波等新兴天文学分支将揭示前所未知的宇宙奥秘。接踵而来的是新发现、新课题，尤其是暗物质和暗能量“两朵乌云”问题，人类对宇宙的认识面临新的飞跃，乃至孕育自然科学新的革命。