天文学的宇宙–人类的知识

第二章　天文学的宇宙

天文学是一门最古老的科学，对于天体及其周期性运行规律的观察使人类得到了关于自然界规律的最初的概念。可是尽管天文学非常古老，它却仍然和以前任何时期一样富有生命力，在帮助我们正确估量人在宇宙中所占的地位上也仍然起着重要的作用。

在希腊人开始提出天文学上的假说以前，巴比伦人和埃及人对于太阳、月亮和行星在恒星中间的运动已经观察了好几千年，他们也掌握了准确地推测月食和非常不准确地推测日食的方法。希腊人和古代其他民族一样，相信每个天体都是神，或者至少受天体自己的神或女神的严格支配。确实也有人怀疑过这种看法：庇里克里斯时期的安那克萨哥拉就认为太阳是一块赤热的石头，而月亮则是土做成的。可是他却因为主张这种意见而受到迫害，被迫离开雅典。不管是柏拉图还是亚里士多德，他们的唯理主义倾向都不见得能达到这样的程度。但是当时最好的天文学家并不是唯理主义倾向最强的人；最好的天文学家是毕达哥拉斯学派的学者，他们受了迷信的启示，碰巧提出了最好的假说。

在纪元前五世纪末，毕达哥拉斯学派的学者发现大地是个球体；大约一百年之后，伊拉托斯提尼斯正确推算出地球的直径，和实际相差不到五十英里左右。在纪元前四世纪，旁都斯的希拉克里底斯主张地球每天自转一周，金星和水星按照轨道围绕太阳运行。纪元前三世纪，沙摩斯的亚里斯塔库斯提出了一个完备的哥白尼体系，并且得出一个理论上正确的推算地球与太阳和月亮之间距离的方法。虽然由于他掌握的数据不够准确，这个结果就太阳来说错误非常之大；可是一百年以后，波西顿尼乌斯所作的一次推算和正确数字相差就不过一半。可是这种非常蓬勃的发展并没有继续下去，其中很大一部分成就由于古代后期理智的普遍衰退而被人遗忘了。

比方说把普洛提努斯著作里所说的宇宙和后来对于宇宙的看法对比一下，他所说的宇宙就显得像个舒适宜人的小寓所。整个宇宙受最高的神的管理，但是每个星球也是一个等级较低的神，这些神和人相差不多，然而不论在哪一方面都比人高贵聪明。普洛提努斯指责诺斯提教派，因为后者相信在创造出来的宇宙中最值得人们称赞的莫过于人类的灵魂。在他看来，天体不仅看来是美的，而且在道德和理智上也是美的。太阳、月亮和行星都是高贵的神灵，受这位哲学家在他最高境界中感兴趣的那些动机所支配。他愤怒地谴责诺斯提教派（以及后来的摩尼教徒）的悲观看法，按照这种看法，有形的世界是一个邪神创造出来的，所以要受到每个真心向上、向往美德的人的鄙弃。恰好相反，这些装饰天空的明亮的神灵是聪明而善良的，这些神灵正是在倾覆罗马帝国的种种愚行和灾祸所造成的混乱当中唯一使这位哲学家得到安慰的东西。

中古时代基督教的宇宙虽然不及摩尼教的宇宙那样严峻，可是它却失掉了非基督教直到最后还保留着的一些富有诗意的想象力。然而这个变化并不算很大，因为天使或大天使多少代替了多神教中天体上的神灵。中古时代的宇宙，包括它的科学和诗的方面，都写进了但丁的《天堂篇》；其中科学一方面是沿袭亚里士多德和托勒密的。大地是个球体，位于宇宙的中心；撒旦在地球的中心，地狱是座倒立的圆锥，撒旦就是圆锥的顶端。在地球另一面和耶路撒冷正好相对的地方是炼狱，它的最高峰就是地上的天堂，正好和月亮接触。

天体是由十个同心的天球构成的，最靠下面的是月球。凡是比月亮低的东西都是可以腐化败坏的；凡是比月亮高的东西都是永不毁灭的。比月亮高的天球照顺序排有水星、金星、太阳、火星、木星、土星和各恒星，再往上就是最外层的天球。过了最外层的天球最后还有最高天，最高天没有运动，也没有时间和地点的分别。上帝，这个亚里士多德所谓的不受动的推动者，先使最外层的天球运转，再由最外层天球把运动传到恒星层，这样依次把运动最后传到月球。但丁的作品并没有提到这些不同的天球的大小，可是他却能够在二十四小时之内走遍天球。显然他所想象的宇宙用现代的标准来衡量未免小了一点，因为这个宇宙不过是几千年前才创造出来的。所以它的开始并不是很久以前的事。各天球都以地球为中心，它们是上帝选民的永久住所。上帝的选民包括那些受过洗礼，在信仰和德行两方面都达到要求标准的人，那些预见到基督降生的教长和先知，以及少数在尘世受到奇迹的启示的非基督教徒。

近代天文学的开路人正是为了反对这样一种宇宙观而进行斗争的。把哥白尼所引起的震动和亚里斯塔库斯所遭到的默默无闻作一个对比是很有意思的。斯多葛学派的克林提斯认为亚里斯塔库斯犯了亵渎神明的罪，应当受到审判，但是当时的政府对这个提议却表示了非常冷淡的态度；假如他真和伽利略一样受到迫害，说不定他的学说会变得人所共知。亚里斯塔库斯和伽利略后世声名的不同当然还有其他重要的原因。希腊时代的天文学是有闲富人的一种消遣——尽管是种高尚的消遣，却不是整个社会生活的一个组成部分。到了十六世纪，科学已经发明了火药和罗盘针，美洲的发现使人们看出了古代地球构造学的局限，天主教的正统开始成了阻挡物质进步的一道障碍，蒙昧主义的神学家的狂怒使得科学家在世人眼中成了代表新智慧的英勇战士。十七世纪由于发明了望远镜、动力学和万有引力定律，科学的世界观取得了完全的胜利，人们不仅把科学看成探索纯粹知识的一把钥匙，而且也把它当作推动经济进步的一个有力工具。从这时起，人们才认识到科学并不只是关系到个人，而且是关系到整个社会的一件事情。

把太阳和行星看作一个完整体系的学说实际上是由牛顿完成的。这个学说与亚里士多德和中世纪的哲学家所不同的地方在于：它不是以地球，而是以太阳作为太阳系的中心；天体在不受外力作用下，沿着直线而不是圆来运动；事实上天体运动的轨道既不是直线也不是圆，而是椭圆；保持它们的运动并不需要外力的作用。但是关于太阳系的起源，牛顿却没有说出什么科学性的意见；他设想上帝在创造世界时，用手沿着切线的方向把行星掷了出去，然后就交给万有引力定律去支配它们。在牛顿之前，笛卡尔曾经提出太阳系起源的学说，可是他的学说看来是站不住脚的。康德和拉普拉斯发明了星云说，根据这个假说，太阳是由一块原始星云凝聚形成的，行星则是由于太阳自转越来越快而被抛出去的。这个学说看来也有缺点，近代天文学家都趋向一种看法，认为行星是当另外一个星体经过太阳附近时形成的。在这个题目上人们所知道的仍然不多，但是没有一个人怀疑行星是由于某种内部作用从太阳产生出来的。(www.xing528.com)

晚近天文学最显著的进步是关于星体和星云这一方面。恒星中最近的半人马座α星离地球大约有25×10¹²英里，或4.2光年。（光速每秒186，000英里；一光年是光在一年内所走的距离。）最早一次测定星体的距离是在1835年；从那时起，人们使用各种巧妙的方法算出越来越远的距离。人们相信用现有的威力最强的望远镜可以看到的最远目标离地球大约有5亿光年。

人们现在有了一些关于宇宙的一般结构的知识。太阳是银河系中的一个星体，银河系由大约3，000亿颗星体汇集而成，广度大约有150，000光年，厚度大约有25，000至40，000光年。银河的总质量大约为太阳质量的1，600亿倍；而太阳的质量大约为2×10²⁷吨。整个银河系缓慢地绕着它的重心旋转；太阳需要2.25亿年才能走完它绕着银河系所走的轨道。

我们用望远镜可以观察到，在银河以外的空间相当均匀地散布着和银河系大小差不多的其他星系。这些星系叫作外银河星云，其中可以观察到的估计约有3，000万个，但是这个统计还不完全。两个星云之间的平均距离大约有200万光年。（这些事实大多数采自赫伯尔的《星云的世界》，1936年版。）

有关星云的最奇异的事实之一就是除了极少例外，它们的光谱线都向着红端移动，移动量和星云的距离成正比。唯一看来合理的解释是说星云正在远离我们，最远的星云离开的速度也最快。在13，500万光年远的距离这种速度达到每秒14，300英里。（赫伯尔，第118页，第八图。）速度到了一定的距离就会和光速变得相等，结果不管我们用的望远镜威力有多大，星云仍然不会被我们观察到。

广义相对论对这个奇异的现象提出了一种解释。这个理论认为宇宙的大小是有限的——这并不是说它有一个边缘，超过了这个边缘就不再是宇宙的一部分，而是说宇宙是一个三度的球体，其中无可再直的直线最后都又回到出发点，像地球表面的情况一样。这个理论进一步推测宇宙一定不是逐渐缩小就是逐渐扩大，然后它根据从星云上观察到的事实断定宇宙是在逐渐扩大。照爱丁敦的说法，宇宙每13亿年左右扩大一倍。（《科学的新途径》第210页。）如果这是正确的话，那就是说宇宙以前曾经很小，但是将来会变得很大。

这就使我们想到地球、星体和星云的年龄问题。根据大部分从地质学得来的证据，人们估计地球的年龄大约有30亿年。太阳和其他星体的年龄仍然是一个争执不决的问题。如果在星体的内部，物质能够因一个电子和一个质子转化为辐射而归于消灭，那么星体的年龄可能有好几亿万年；如果不能够，那么星体的年龄可能只有几十亿年。（H.斯宾塞·琼斯：《无尽的世界》第231页。）总的说来，后一种看法似乎更为普遍。

我们甚至有理由相信宇宙有一个时间上的开始，爱丁敦一直主张宇宙大约从纪元前900亿年开始。这比起我们的曾祖父一辈所相信的纪元前4004年确实要长，但是它仍是一段有限的时期，至于这个时间以前到底是什么样子，这类古老的谜语仍然没有得到解答。

我们从这个天文学的宇宙概观所得到的最重要的结论是：虽然宇宙确实很广大很悠久，我们却有理由——尽管这些理由现在看来还带有很大的臆测性——相信宇宙既不是无限广大，也不是无限悠久。广义相对论，通过把观察和推理巧妙地结合起来，自认能够告诉我们宇宙整体是什么样子。如果这是确实的话——我并不相信它是这样——那么一直成为天文学的特点的空间和时间上的度量的增加将会有一个限度，这个限度是我们测度能力所及的范围。爱丁敦主张宇宙的周界的数量级是60亿光年。（《科学的新途径》第218页。）如果真是这样，更好一些的望远镜将使我们“完全掌握这个令人感到棘手的局面”。我们正在开始看到，我们不久也可能“把它击成粉末”。但是我并不认为我们将来能够“把宇宙改造得更合乎我们的心愿”。