原載《自然》（Nature）2009年01月01日第457卷第28頁
天文學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)進步極大地幫助人們解開那些困擾人類的最宏大的問題,Owen ingerich為你詳細評說。
整整四百年前，歐洲流傳著一件令人吃驚的新發(fā)明的消息–兩個透鏡放在一個管子里，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(zhàn)的迷霧中迷失了，但確切的是，荷蘭Middelburg市一個叫做Hans Lipperhey的人曾于1608年申請過專利。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個月后，一位意大利數(shù)學(xué)教授寫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(xiàn)。扉頁上伽利略稱之為”perspicillum”似乎在暗示這是他自己的發(fā)明，不過如果他在自夸的話也應(yīng)該可以諒解，因為伽利略的工作把這種其他人只是用來取樂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(rèn)出了月亮上存在環(huán)形山、山脈和平原。四百年后，為了紀(jì)念這些令人吃驚的發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)了木星的四顆明亮”月亮”（英文是小寫的moon，與他同時代的約翰斯·開普勒把它們稱為”衛(wèi)星”（satellite））。年底之前，伽利略又發(fā)現(xiàn)金星的位相（如月亮一般的圓缺變化），證明它圍繞太陽運動。
這些發(fā)現(xiàn)的意義是巨大的。盡管尼古拉斯·哥白尼的《天體運行論》（1543）–這部著作提出了”日心系統(tǒng)”–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(rèn)為是對宇宙真實的物理描述。居住在一顆每24小時就旋轉(zhuǎn)一圈的球體上，這件事連想想都會覺得可笑！況且如果地球每年圍繞太陽運動的話，它又怎么能帶著月亮一起運動呢？
正是伽利略的著作讓人們從理智上相信日心系統(tǒng)是物理上的真實。伽利略發(fā)現(xiàn)月亮跟地球是相似的，人們曾相信它與地球這個充滿了墮落與衰敗的地方不一樣，是由水晶般的以太構(gòu)成的完美球體。于是那個永恒而輕盈的天空開始破碎。木星悠然自得地帶著它的衛(wèi)星，而人人都知道木星正在運動，那么一顆運動著的地球為什么非要用看不見的以太才能把自己的衛(wèi)星–月亮拴在身邊呢？伽利略在這件事上充滿技巧的辯論術(shù)在他1632年的著作《關(guān)于兩大世界體系的對話》中體現(xiàn)地淋漓盡致，這本書雖沒能充分證明地球的運動，但其說服力卻足以讓他深深地觸怒了宗教裁判所。
關(guān)于天空的不同觀點
大約兩千多年以前的亞里士多德認(rèn)為地球是由土、氣、火、水四種元素構(gòu)成的世俗世界，而天空則是由輕盈的球?qū)訕?gòu)成的亙古不變的純凈的存在。教會觀點認(rèn)為地球是沉重的，居于宇宙中心的，人類的悲歡就在這里上演，這一點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也在他的著作《天球運動的完整表述》（A Perfit Description，1576）中，也把”義人的居所”放在了群星之間。
如此絕大部分教會權(quán)威們拒絕這種新的宇宙學(xué)也就在預(yù)料之中了。不僅如此，羅馬教廷的權(quán)威們還大發(fā)雷霆，因為伽利略這個業(yè)余的神學(xué)家竟然膽子大到告訴他們?nèi)绾谓忉屖ソ?jīng)。這顯然是一場勢力范圍爭奪戰(zhàn)。伽利略被傳訊至羅馬，被允許他為極端的異端懷疑做無罪辯護，但仍被認(rèn)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普勒的幫助，開普勒在理論天文學(xué)方面里程碑式的著作也出版于1609年。他很恰當(dāng)?shù)貙⒅麨椤缎绿煳膶W(xué)》，將重點放在了研究行星運動的物理原因上–這與過去的天文學(xué)家們只是用嚴(yán)格的幾何模型來說明天空中的事情。甚至開普勒的老師和指導(dǎo)邁克爾·邁特林斯也敦促他要忘掉物理學(xué)，專心于天文學(xué)（也就是幾何學(xué)）。但開普勒相信存在一個物理上實在的宇宙，他擁護哥白尼日心說甚至還在伽利略之前。
但日心說自哥白尼以來已經(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解釋，而對于一個物理上真實的系統(tǒng)，同一個模型應(yīng)該能夠處理這兩個坐標(biāo)。根據(jù)哥白尼的觀點，行星在圓周上運動（圍繞太陽的偏心圓），當(dāng)?shù)厍螂x太陽最近時其速度也不增加。正是開普勒對于物理真實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測一樣，開普勒在行星理論的方面的進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(dǎo)言中，開普勒寫道：”可能會有人的信仰太脆弱，接受哥白尼就等于冒犯了他對上帝的虔誠，那就讓他關(guān)起門來苦思冥想吧。他相信自己是最忠實地侍奉上帝，卻不知道對于天文學(xué)家來說，上帝已經(jīng)賜予我們用思維的眼睛觀察地得更加清楚的權(quán)利。”
無論過去還是將來，天文儀器都在人類努力尋找我們在宇宙中的位置上居于中心地位。這個努力所費不菲。第谷·布拉赫吹噓說他的觀測（他沒有使用望遠鏡，但利用象限儀及其他儀器相當(dāng)仔細地提高了裸眼觀測的分辨率）花費了丹麥國王超過一噸的黃金，這在16世紀(jì)是一筆巨大的財富。今天，制造大型望遠鏡要花費數(shù)十億美元。有人爭論說這樣的儀器真如詩歌一樣對人類進步最終起到作用（或者一樣沒用），但它們能夠獲得投資，恰如最偉大的詩歌，或者建造哥特式大教堂一樣，宇宙學(xué)是人類精神的征程，是個人或國家值得驕傲之處。為了了解我們在復(fù)雜的時空之網(wǎng)中的位置，是值得花費大價錢的。
在那遙遠的地方
開普勒還改進了伽利略的作品，用一個凸透鏡物鏡和一個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，也可以放置十字叉絲，而觀測天文學(xué)的下一次巨大進步則是發(fā)生在將近兩個世紀(jì)之后。接近18世紀(jì)末，威廉·赫歇爾，一位充滿靈氣的從音樂家轉(zhuǎn)行的業(yè)余天文學(xué)家，開始了看似唐吉坷德式的對宇宙三維結(jié)構(gòu)的探索。在這個過程中，他發(fā)現(xiàn)了一顆新的行星–天王星，這使他得以從業(yè)余轉(zhuǎn)為專業(yè)人員。在作為天文學(xué)家最具創(chuàng)造力的那幾年，赫歇爾開創(chuàng)了建造大型反射望遠鏡的方法,空前提高將光線收集能力。他最終數(shù)出來成千上萬的星星，發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個星團和星云，而后者則成為超越傳統(tǒng)的裸眼所見的”恒星天”，通往更為廣袤的外部宇宙之門。
一個世紀(jì)之后，感謝工程上的進步，人們發(fā)現(xiàn)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)家們最終越過了這道門檻。1859年，在海德堡的一個化學(xué)實驗室中，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(xiàn)了解開宇宙中化學(xué)元素構(gòu)成之秘密的鑰匙：通過不同的譜線辨認(rèn)相關(guān)的元素。同時，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(xiàn)。其中就包括銀河系的巨大尺度，它比赫歇爾曾設(shè)想過的任何結(jié)果都要龐大得多。隨后人們認(rèn)識到銀河系也僅僅是無數(shù)星系中的一個，而這些星系都是從幾十億年前的一次災(zāi)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(shù)百萬年甚至數(shù)十億光年。
我們所觀察到的宇宙的尺度和年齡的飛速增長讓人們產(chǎn)生了一種擔(dān)心，正如古代的人類中心宇宙論破滅所引起擔(dān)心的一樣，人們會問：在近乎無限的時空曠野中，具有理性、能夠進行觀測的人類還有什么意義？這個存在論的問題在數(shù)十年間已經(jīng)被反復(fù)提出，毫無疑問這也驅(qū)使我們心甘情愿地把納稅人的錢投入到將來的宇宙探索之中。
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(shù)十億字節(jié)的數(shù)據(jù)，并使用高速的自適應(yīng)光學(xué)補償大氣變動，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?nèi)缃耖_始一一被列入統(tǒng)計表中，這遠非從前可比。這也包括最近幾年，對發(fā)現(xiàn)太陽系外的行星的統(tǒng)計。這些研究的成功會幫助我們回答接下來這個令我們關(guān)于宇宙的觀念再次發(fā)生劇變的問題：”我們是孤獨的嗎？”
美國宇航局的”開普勒號”任務(wù)計劃于2009年發(fā)射，是第一個專門設(shè)計用來尋找類似地球的太陽系外行星的飛行器。不要期待能夠收到某個行星上的智慧生命發(fā)來的無線電信號。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有效。這些研究可以幫助我們回答接下來那個會再次改變我們宇宙觀念的問題：”我們是孤獨的嗎?”
國際天文年可能標(biāo)志著我們在理解人類在宇宙中的位置的又一次理性革命。它能否像伽利略和開普勒確立日心說那樣對社會產(chǎn)生重大影響嗎？時間會告訴我們一切。
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)史榮譽退休教授，著有《上帝的宇宙》（God’s Universe）
原文見此
http://www.nature.com/nature/journal/v457/n7225/full/457028a.html
