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人类认识宇宙的里程碑

2010-10-02  lapaix
人类认识宇宙的里程碑
[ 录入者:linq | 时间:2005-01-01 14:35:13 | 作者:赵君亮 | 来源: | 浏览:469次 ]
天文学是最古老的自然科学学科之一。人类正确认识宇宙以及地球在宇宙中的地位经历了漫长的过程,这一过程与历史上许多著名学者的辛勤劳动——细致的观测和深入的理论研究——是密切不可分的。

从托勒密到哥白尼

    早在公元前4世纪,古希腊哲学家亚里士多德就已提出了"地心说",即认为地球位于宇宙的中心。公元140年,古希腊天文学家托勒密发表了他的13卷巨著《天文学大成》,在总结前人工作的基础上系统地确立了地心说。根据这一学说,地为球形,且居于宇宙中心,静止不动,其他天体都绕着地球转动。这一学说从表观上解释了日月星辰每天东升西落、周而复始的现象,又符合上帝创造人类、地球必然在宇宙中居有至高无上地位的宗教教义,因而流传时间长达1300余年。

    早在两千多年前,古希腊天文学家阿里斯塔克就已提出了朴素的"日心说"。他指出,太阳位于宇宙中心静止不动,地球则绕着太阳运动,同时又绕轴自转。可惜由于科学水平的限制,这一天才的思想未能为人们所认识。直到中世纪末,由于用托勒密地心体系推算出来的行星位置与实际天象的观测结果不符,人们才开始怀疑地心说的正确性。1543年,波兰天文学家哥白尼在他的不朽名著《天体运行论》中系统地提出了日心说。在他阐释的日心体系中,太阳居于宇宙的中心,地球和其他行星沿着圆形轨道绕太阳运行。这样一来,托勒密地心体系中需要用极为复杂的运动图象来解释行星运动天象的烦琐的工作一下子变得十分简单。后来,德国天文学家开普勒指出,行星绕太阳运动的轨道应该是椭圆而不是圆,太阳位于椭圆的一个焦点上。这一重大发展使得观测结果完全可以用理论来加以解释和预报,日心说的地位进一步得以巩固。

    按照日心学说,就地球上的人来看,天上恒星的位置应随着地球绕太阳运动而发生变化。在哥白尼提出日心说后的近300年中,人们进行了大量的观测,企图证明这一点,可是始终没有成功。原来,恒星离开地球十分遥远,最近的一颗也远达43万亿千米。因此,地球围绕太阳运行造成的这颗恒星的位置变化只有12.5。恒星越远,这一变化也越小,当时的观测仪器是无法探测到的。直到1838年,德国天文学家白塞尔才首次利用三角方法测出一颗名为天鹅61的恒星的位置变化,并推算出它的距离为11.2光年,从而最终证实了哥白尼的日心地动学说。地球的地位从居宇宙之中的特殊天体降为绕太阳运动的一颗普通行星。

太阳并不位于宇宙中心

    1608年,荷兰人李波尔赛在一次偶然的机会中发明了望远镜。翌年,意大利物理学家、天文学家伽里略在得知这一消息后,立刻亲自动手制作了第一架天文望远镜,并不断加以改进。伽里略利用他的望远镜发现了月球表面的环形山、金星月相、木星的卫星、太阳黑子,发现了茫茫银河由无数个恒星所组成。

    早在15世纪中叶,德国大主教尼古拉就已猜测黑夜天穹中的恒星都是一个个十分遥远的太阳。1584年,意大利人布鲁诺明确提出宇宙是无限的,恒星都是遥远的太阳,太阳只是无数个恒星中的普通一员。1750年,英国天文学家赖特指出,银河和所有观测到的恒星构成一个巨大的扁平状天体系统,由于太阳连同地球位于这一系统的内部,从不同方向观测才看到了银河和离散分布的点点繁星。1785年,英籍德国天文学家威廉·赫歇尔利用他自制的当时世界上最大的46厘米望远镜,通过长期的实际观测,并经过精心的分析研究,建立了第一个银河系模型。在这一模型中,太阳仍然位于当时人们所认识的宇宙范围——银河系的中心。由于赫歇尔个人在当时的威望,这一观念一直维持了130余年之久。

    恒星这一名称,无论在中国还是在西欧,它的含义都是"恒定不动的星体"。因为在很长时间内人们都发现恒星间现对位置固定不动,故而取了这么个名字。1718年,英国天文学家哈雷通过观测和分析,首次指出恒星不动的概念是错误的。后来,赫歇尔正确地认识到,我们所观测到的恒星运动是由恒星自身的运动和太阳的空间运动两部分合成的结果。1783年,他通过对所观测到的大量恒星运动的统计分析,发现太阳以大约每秒20千米的速度朝着织女星方向运动。太阳空间运动的发现彻底动摇了哥白尼日心体系中太阳固定不动的观念。

    1917年,美国天文学家沙普利通过对银河系内天体分布的分析,确认太阳并不位于银河系的中心,而是处于相对说来比较靠近银河系边缘的地方,从而纠正了赫歇尔银河系模型的错误。这样,太阳的地位也发生了变化,从居于银河系中心的特殊恒星,降为银河系中一颗毫无特殊地位可言的普通恒星,地球在宇宙中的地位也就更无特殊性可言了。

天外有天

    银河系是否已经包括了宇宙的全部内容呢?

    早在赫歇尔尝试确定银河系结构之前,人们就已观测到天空中除恒星外还存在着一些暗弱而又模糊的云雾状天体,取名为"星云"。比如,1612年德国天文学家马里乌斯率先用望远镜发现了仙女大星云。1750年赖特天才地猜想,这类星云中有一些可能是同银河系相似的巨大恒星系统。1755年德国人康德首次明确提出在银河系外的宇宙空间中存在着无数个类似的天体系统,称为河外星系,或简称星系,甚至确指仙女大星云即是一个很好的例子。可是当时人们对星云的精细结构缺乏了解,更不知道它们的距离,无从妄下断语。

    尽管在赫歇尔时代之后,观测手段不断改进,物理学研究方法不断介入天文学,但直到20世纪初,关于星云的本质仍然没有明确的定论。在1920年4月美国科学院以"宇宙的尺度"为题的辩论会上,以柯蒂斯为首的一方认为一部分星云实际上是河外星系,而以沙普利为代表的一方坚持反对的立场,这就是天文学发展史上颇为有名的"沙普利——柯蒂斯之争"。争论双方对立的观点相持不下,胜负难决,问题的关键在于准确测定星云的距离。

    天文学家始终为测定不同天体的距离而进行不懈的努力。除了三角测量方法外,又发展了由光度测量确定天体距离的各种办法,其中之一就是利用一种有特殊光度变化特性的变星——造父变星。原来,造父变星光度的变化十分有规则,而且光度越大光变周期也越长。因此,只要测出造父变星的光变周期,就可以推算出它的实际光度,再把实际光度与观测到的亮度进行比较,就可以推算出它的距离来了。这种推算相当准确,因而造父变星有"量天尺"之称。20世纪初,美国威尔逊山天文台建成了当时世界上最大口径的2.5米天文望远镜。1923年10月6日,美国天文学家哈勃利用这台望远镜拍摄了仙女星云的照片,照片上星云的外缘已被分解成一颗颗恒星。哈勃从中发现了多颗这类变星。利用这些造父变星,哈勃推算出仙女星云的距离为225万光年,远远超出银河系范围。河外星系的存在最终得以确认,仙女星云应该更名为仙女星系,一场旷日持久的科学争辩终于有了结论。

    赫歇尔的工作把人们的视野扩大到银河系,而哈勃的发现又进一步把人们从恒星世界带入星系世界,人类对宇宙的认识又大大地跨进了一步。我们的地球在宇宙之中毫无特殊之处可言,地球不是上帝刻意安排的,人类自然也不是上帝创造的。不过,就是在这样一颗行星上,人类演出了光辉灿烂的文明史,并最终正确地认识了宇宙的概貌。

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