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:7575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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