人类怎样认识宇宙

[内容提要] 本文对人类正确认识宇宙的全过程做了较为详细的介绍,其中包括古代的宇宙观,托勒玫地心说的产生及其历史背景,哥白尼日心学说的提出及其在科学界地位的确立,如何发现银河系的存在、太阳运动及太阳并不位于银河系的中心,以及人们最终怎样正确认识浩瀚宇宙的组成和地球在宇宙中的地位,从而以科学的解释批判了“法轮功”鼓吹的地球爆炸、世界末日等邪说。
“天”,自古以来就以其神秘的色彩影响着人们的思想以至生活。实际上,“天”可以有两层含义:其一是物质意义上的“天”,这就是天文学家的研究对象¾¾宇宙;其二是精神含义上的“天”,也就是通常所说的“升天”、“天国”中的天。前者是客观存在的;后者是某些人的一种精神寄托,实际上并不存在,而且正因为其神秘感而容易为伪科学或歪理邪说所利用,法轮功头目李洪志即是典型一例。
李洪志利用人们对“天”的神秘感和崇敬心理,胡说什么地球是宇宙的中心,鼓吹地球爆炸和世界末日论,以达到其不可告人的目的。对于这种反科学的歪理邪说,必须高举科学宇宙观的旗帜予以迎头痛击。

一、早期的宇宙观

“上下四方曰宇,古往今来曰宙”,这句古话正确地描述了宇宙同时具有空间和时间两层含义。诚然,一切事物离不开时间和空间。那么,宇宙的空间图象是什么样子?在时间流逝过程中又怎样变化?人类正是在漫长的科学探索过程中才一步一步正确地认识了宇宙。
人类从诞生之日起就生活在地球之上,但感觉到的只是周围平坦的大地,日、月、星辰东升西落,昼夜交替,周而复始,仅仅如此而已。对于严重缺乏科学知识的古代人,自然不知其所以然。即便如此,那时的人们已经开始探索宇宙的图象。比如古代印度人认为大地是一个半圆球,驮在四头大象的背上,大象居于一巨龟之上,而巨龟则遨游于大海之中。
在我国早期历史上,关于宇宙的结构主要有三派学说。周朝初期提出“盖天说”,认为大地是平坦的,上面分布着山脉、河流,天在地周围象一把大伞般地覆盖着大地。战国时期有所谓“浑天说”,这一观点认为天和地具有蛋形结构,地在中心如蛋黄,天在地的周围,犹如蛋清。同一时代的另一种学说是“宣夜说”,主张天无限而又空虚,日、月、星辰悬浮在这空虚之中。显然,“宣夜说”较之“盖天说”、“浑天说”已表现出一定的进步。在西欧,公元前六世纪到公元一世纪的古希腊和古罗马时代,也有过许多有关宇宙构造的学说,比如毕达哥拉斯学派的“中心火焰说”,柏拉图的正多面体宇宙结构模型等。总之,由于那时科学很不发达,科学知识缺乏,更谈不上那怕较好的实测手段,人类只是、也只能根据一些表观现象对宇宙的结构作种种猜测。尽管如此,其中已包含有一定的正确成份。到了中世纪,在西欧地心说开始占据统治地位,并且人们力求通过对天体的实际观测来检验有关宇宙图象理论模型的正确性。
“地心说”就是“地球中心说”,又称“地心体系”。根据这种学说,地球位于宇宙的中心,静止不动,而太阳、月亮、行星以及所有的恒星都绕着地球转动。由于人类生活在地球上,直观上感觉不到地球自身的运动,看到的只是日、月、星辰每天的东升西落,昼夜交替,周而复始。地心说无疑有它的表观合理性,很容易为人们所接受。
首先提出地心说的是生活在公元前四世纪的古希腊哲学家亚里士多德。大约200多年后的古希腊天文学家、数学家、地理学家喜帕恰斯同样主张地心说。公元140年,亚历山大城的天文学家托勒玫完成了他的13卷巨著《天文学大成》。他在该书中总结、发展了前人的观点,完整地提出了宇宙地心体系,并用以解释所观测到的太阳、月亮、行星和恒星的运动特征。根据托勒玫的地心说,地球位于宇宙中心静止不动,太阳和月亮沿着圆形轨道绕地球匀速转动。行星的运动比较复杂,每颗行星都沿着一个称为“本轮”的小圆形轨道作匀速运动,而本轮的中心又在称为“均轮”的大圆轨道上绕地球匀速转动;不过地球并不在均轮的中心,而是同圆心有一段距离。最后,全部恒星都位于称为“恒星天”的固体壳层上,日、月、行星除了上面提到的运动外,还与“恒星天”一起每天绕地球一周。托勒玫恰当地选择了各个均轮与相应本轮的质比、行星在本轮上的运动速度和本轮中心在均轮上的运动速度以及本轮平面与均轮平面的交角,从而在当时观测精度不高的情况下,用他的地心体系较好地说明了行星的视运动特征。
尽管托勒玫的体系并没有正确反映行星运动的本质,由于这一学说符合上帝创造世界和人类,因而地球应该居于宇宙中心的宗教意识,教会利用这一学说作为其理论支柱,加上科学技术不够发达和科学知识的限制,地心体系在西欧一直流传了1400多年,直到十六世纪中叶才被哥白尼的日心体系彻底推翻。

二、日心体系的确立

早在两千多年前,亚里士多德的同时代人,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的中心而且静止不动,地球绕着太阳运动,同时又绕轴自转。可惜由于当时科学水平和社会条件的限制,这一天才的思想未能为人们所认识。
中世纪末,随着观测技术的进步,用托勒玫地心体系推算出的大行星位置来说明实际天象的观测结果越来越发生困难,体系变得越来越复杂,这一事实促使一些具有进步思想的学者对托勒玫的体系深感不满。波兰天文学家哥白尼接受了这种进步思想,他受到阿里斯塔克日心学说的启发,经过潜心的分析和研究,在1543年出版的不朽名著《天体运行论》中系统地提出了“日心说”。在他的日心体系中,太阳居于宇宙的中心静止不动,包括地球在内的所有行星都围绕太阳转动,它们离太阳由近及远的排列次序为水星、金星、地球、火星、木星、土星(当时还没有发现天王星、海王星和冥王星),而月亮则绕地球转动。恒星在离开太阳很远很远的一个圆球面上静止不动。日心体系的出现,使得托勒玫地心体系中需要用极其复杂的运动图象来解释行星运动天象的困难,被一幅清晰而简单的图象所取代。哥白尼日心学说的意义不仅在于纠正了人类对宇宙的错误认识,而且从根本上动摇了中世纪欧洲宗教神学的理论支持。也正因为如此,在哥白尼之后,日心地动学说因危及教会的思想统治,赞成、维护、宣传日心地动说的学者,如布鲁诺、伽利略等人曾受到罗马教徒的残酷迫害,甚至在1616年《天体运行论》竟被罗马教廷列为禁书。然而,科学真理的确立是任何愚昧势力所阻挡不了的。经过后人的不懈努力和探索,哥白尼的日心说终于取得了胜利,确立了它在天文学以至整个自然科学中的地位,哥白尼当之无愧地成为近代天文学的奠基人。
在哥白尼的日心体系中,行星绕太阳作匀速圆周运动,太阳位于圆心。随着望远镜的发明和观测精度的提高,人们发现用哥白尼的理论仍然不能对行星的运动作出完美的解释。17世纪初,德国天文学家开普勒经过对大量观测资料的精心计算和分析,发表了他的行星运动三大定律。他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,行星绕太阳的运动速度是不均匀的。开普勒这一重大发展使得当时的观测结果完全可以利用理论来加以解释,从而把哥白尼的“日心说”向前推进了一大步,“日心说”的地位进一步得以巩固了。
按照日心说,地球上所观测到的恒星在天空中的位置应该随着地球绕太阳的运动在一年内发生周期性变化。在哥白尼提出日心说以后的近三百年时间内,人们作了大量的观测试图通过实测来证明这一点,然而都没有取得成功,以至不少人对日心说的正确性发生了怀疑。哥白尼本人也觉察到了这一点,他认为这完全是因恒星离开我们十分遥远,当时观测精度根本无法验证这种周期性变化,并且指出恒星离开我们的距离至少在日地距离的1000倍以上。现在我们知道最近一颗恒星距离地球也远达43万亿公里,或者说4.3光年(1光年=10万亿公里),而因地球绕太阳运动所引起的这颗恒星位置的最大变化只有1.5,当时观测仪器的水平是无法探测到的。直到1838年,德国天文学家白塞尔才首次利用三角方法测出了一颗名为天鹅61的恒星的位置变化,同时推算出它的距离为11.2光年。嗣后,类似的测定不断地取得成功。这样,天文学家们通过实测最终证实了哥白尼的日心地动学说,地球的地位也就从居宇宙中心的独特天体降为绕太阳运动的一颗普通行星。人类在认识宇宙的艰难历程中终于跨出了最为重要的一步。

三、银河系的发现

1608年,荷兰一位普通的眼镜商人李波尔塞在一次十分偶然的机会中发明了望远镜。第二年,望远镜问世的消息传到了意大利。物理学家、天文学家伽里略马上意识到这一发明对天文观测的重大意义,他立即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很快作出了一系列重要发现:他观测到了月球表面的环形山、木星的卫星、太阳黑子,并确认银河实际上是无数个肉眼无法分辨的恒星所形成的图案。
早在15世纪中叶,法国大主教尼古拉就已天才地猜测黑夜天空中的繁星都是一个个十分遥远的太阳。1584年,意大利唯物主义思想家布鲁诺进一步明确提出宇宙无限的概念,他认为恒星是遥远的“太阳”,太阳只是其中一颗普通的恒星。布鲁诺由于他的宇宙图象与宗教教义相冲突而遭到教会势力的残酷迫害,并最终于1600年被活活烧死。然而,宗教的愚味终究无法阻止科学的发展。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,外形如运动员用的铁饼,只是因为我们地球位于这一系统的内部,从不同方向看去才呈现为恒星密集的银河和离散分布的点点繁星。1785年著名天文学家威廉×赫歇尔在大量观测的基础上建立了第一个银河系模型,从而把人类的视野扩展到恒星世界。在他的模型中,太阳仍然位于当时人们所认识的宇宙范围-银河系的中心。基于赫歇尔的声望,这一概念一直维持了130余年之久。
恒星,顾名思义就是恒定不动的星,无论在中国还是在西欧都是如此,其原因在于很长时间内人们发现恒星间的相对位置始终保持固定不变。1718年,哈雷彗星周期性回归地球附近的发现者、英国天文学家哈雷通过对一批恒星当时的位置和古希腊天文学家测得的位置的比较,首次指出恒星不动的概念是错误的。原来恒星离开我们都十分遥远,最近的也在数十万亿公里上,尽管实际上它们都以每秒数十公里甚至更高的速度在空间中运动,而在地球上看来由于这种运动造成的恒星位置的变化十分微小,只有在经过长时间的精密观测和对观测资料的仔细分析才能发现。后来,赫歇尔又正确地认识到,我们所测得的恒星运动包含了两种成分,即恒星自身的运动和由太阳空间运动造成的恒星相对运动。1783年,他通过对观测得到的大量恒星运动资料的分析,发现太阳大约以每秒20公里的速度朝着织女星附近的方向运动。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。
随着人类对银河系结构认识的进展,1917年,美国天文学家沙普利通过对银河系内球状星团空间分布的研究,确认太阳并不位于银河系的中心,而是处于比较靠近银河系边缘的地方,从而纠正了赫歇尔模型中太阳位于银河系中心的错误。银河系包含了一千多亿颗恒星,太阳的地位从居于银河系(当时认为银河系就是整个宇宙)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就更无特殊可言了。

四、天外有天

银河系是否已囊括了整个宇宙的全部内容呢?早在赫歇尔尝试确定银河系结构之前,已经有人观测到夜间天空中除了恒星外,还存在一些光度较为暗弱、外形模糊的云雾状天体,天文学家取名为星云。1750年,赖特天才地猜想,这种星云中有一些可能是同银河系一样的巨大恒星系统。1755年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与银河系相类似的天体系统,称为河外星系,或简称星系,他甚至确指1612年发现的仙女星云即在此例。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,于是无法轻下断语。
赫歇尔首次想到通过观测来探究这一问题的答案:如果通过望远镜的放大作用可以把星云分解成一颗颗恒星,星云就是星系,否则的话康德的观点即不能成立。开始不少星云被分解成恒星,然后却又发现许多星云无法分解为恒星,这使得赫歇尔先是赞成而后又反对河外星系的存在。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月美国科学院举办的“宇宙的尺度”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,而以沙普利为首的另一方则坚持相反的立场,这就是天文学史上有名的“沙普利-柯蒂斯之争”。争论双方互相对立的观点相持不下,胜负难决。问题的关键在于正确测定这些星云的距离:如果距离远远大于银河系尺度,而且又可以分解为一颗颗恒星,那么河外星系的存在就可以肯定下来了。可是,测定遥远天体的距离又谈何容易。
长期以来天文学家始终为天体距离的测定进行不懈的努力。我们在前文中提到的三角方法能测定的恒星距离最远也只有几百光年,再远三角测量就无能为力了。另一条途径是由光度测量来推算天体的距离。恒星世界中有一类变星具有特别的光度变化特性,称为造父变星。这类变星的光度变化十分有规则,而且光度越大光变周期就越长。于是,只要测出造父变星的光变周期就可以确定它的实际亮度-光度,再把实际亮度与观测到的亮度进行比较就可以推知造父变星的距离了。20世纪初,美国威尔逊山天文台建成了当时世界上最大的2.5米口径望远镜。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,照片上星云外缘已被分解成一颗颗恒星。哈勃在这些恒星中辨认出多颗造父变星,并利用它们推算出仙女星云的距离为225万光年,远远超出银河系范围之外。河外星系的存在经哈勃的工作最终得以确认,仙女星云应更名为仙女星系,一场旷时持久的科学争论终于有了明确的结果。
赫歇尔的工作把天文学家的视野扩大到银河系,而哈勃的发现又进而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。迄今发现的河外星系已数以千亿计,其中最远的星系离开我们的距离达150亿光年以上。它们的分布不是均匀的,有的会比较密集地聚在一起,构成星系团或星系群。那么这些星系是怎样形成和演化的呢?这就是现代宇宙学所要解决的问题。根据目前大多数天文学家所公认的大爆炸宇宙论,我们所观测到的全部宇宙物质大约是在150亿年前从极高温度、极高密度状态在一次超级规模的爆炸中诞生,并经过漫长的时间过程演变成为今天所看到的形形式式的天体,其中包括我们人类的栖息地¾¾地球。由此可见,我们的地球在宇宙中的地位毫无特殊之处可言。地球并不位于宇宙的中心,它不是上帝刻意安排的,人类自然不是由上帝所创造。不过,就是在这样一颗位于银河系中毫不起眼的行星上,人类演出了自己光辉灿烂的文明史,并最终正确地认识了宇宙。
李洪志和世界上其它邪教组织的头目一样,对物质意义上的“天”——宇宙毫无一点知识,却无一不利用精神含义上的“天”的神秘色彩来愚弄民众,以达到其不可告人的目的。因此,努力提高全民族的正确的科学认识,对抵制李洪志之流的邪教侵蚀就有了坚实的基础。
现代科学研究表明,地球从诞生至今已经有大约46亿年的历史,而太阳的年龄则有50亿年,太阳的主要成份是氢,它以内部不断进行着的由氢转变为氦的热核反应在这漫长的时期中持续不断地释放出大量的光和热。地球内部不存在产生热核反应的条件,当然更不会发生爆炸。它在太阳光辉的孕育下,诞生并抚养着包括人类在内的全部生物。太阳以目前的状态大约还能存在50亿年,50亿年之后将会发生剧烈的变化。那时太阳的体积会发生极度膨胀,并严重影响地球和地球上的一切。然而我们完全不必为50亿年后的那场灾变而杞人忧天,仅仅几千年的人类文明史便造就了现代科学的奇迹,同50亿年相比,几千年只不过是一瞬间而已,科学技术的不断发展必将把我们带入更加美好的未来。