4月24日 《人類怎樣認識宇宙》 趙君亮

央視國際 2004年04月21日 14:35

　　主講人簡介：

　　趙君亮，中科院上海天文臺原臺長，研究員。發表多篇天文學術著作，同時致力於天文科普事業，亦有多篇天文科普著作問世。

　　內容簡介：

　　天文學是最古老的自然科學學科之一。人類正確認識宇宙以及地球在宇宙中的地位經歷了漫長的過程，這一過程與歷史上許多著名學者的辛勤勞動——細緻的觀測和深入的理論研究——是密切不可分的。早在公元前4世紀，古希臘哲學家亞裏士多德就已提出了“地心説”，即認為地球位於宇宙的中心。同時早在兩千多年前，古希臘天文學家阿裏斯塔克就已提出了樸素的“日心説”。

　　1584年，意大利人布魯諾明確提出宇宙是無限的，恒星都是遙遠的太陽，太陽只是無數個恒星中的普通一員。1750年，英國天文學家賴特指出，銀河和所有觀測到的恒星構成一個巨大的扁平狀天體系統，由於太陽連同地球位於這一系統的內部，從不同方向觀測才看到了銀河和離散分佈的點點繁星。1785年，英籍德國天文學家威廉赫歇耳建立了第一個銀河系模型。1917年，美國天文學家沙普利通過對銀河系內天體分佈的分析，確認太陽並不位於銀河系的中心，而是處於相對説來比較靠近銀河系邊緣的地方，從而糾正了赫歇耳銀河系模型的錯誤。

　　這樣，太陽的地位也發生了變化，從居於銀河系中心的特殊恒星，降為銀河系中一顆毫無特殊地位可言的普通恒星，地球在宇宙中的地位也就更無特殊性可言了。地球不是上帝刻意安排的，人類自然也不是上帝創造的。不過，就是在這樣一顆行星上，人類演出了光輝燦爛的文明史，並最終正確地認識了宇宙的概貌。

　　（全文）

　　天文學是最古老的自然科學學科之一。每天太陽從東方升起，從西方落下。古人於是就有了對宇宙的樸素認識。人類正確認識宇宙以及地球在宇宙中的地位經歷了漫長的過程，這一過程與歷史上許多著名學者的辛勤勞動——細緻的觀測和深入的理論研究——是密切不可分的。

　　早在公元前4世紀，古希臘哲學家亞裏士多德就已提出了“地心説”，即認為地球位於宇宙的中心。公元140年，古希臘天文學家托勒密發表了他的13卷巨著《天文學大成》，在總結前人工作的基礎上系統地確立了地心説。根據這一學説，地為球形，且居於宇宙中心，靜止不動，其他天體都繞著地球轉動。這一學説從表觀上解釋了日月星辰每天東升西落、週而复始的現象，又符合上帝創造人類、地球必然在宇宙中居有至高無上地位的宗教教義，因而流傳時間長達1300餘年。早在兩千多年前，古希臘天文學家阿裏斯塔克就已提出了樸素的“日心説”。他指出，太陽位於宇宙中心靜止不動，地球則繞著太陽運動，同時又繞軸自轉。可惜由於科學水平的限制，這一天才的思想未能為人們所認識。直到中世紀末，由於用托勒密地心體系推算出來的行星位置與實際天象的觀測結果不符，人們才開始懷疑地心説的正確性。

　　1543年，波蘭天文學家哥白尼在他的不朽名著《天體運行論》中系統地提出了日心説。在他闡釋的日心體系中，太陽居於宇宙的中心，地球和其他行星沿著圓形軌道繞太陽運行。這樣一來，托勒密地心體系中需要用極為複雜的運動圖像來解釋行星運動天象的煩瑣的工作一下子變得十分簡單。後來，德國天文學家開普勒指出，行星繞太陽運動的軌道應該是橢圓而不是圓，太陽位於橢圓的一個焦點上。這一重大發展使得觀測結果完全可以用理論來加以解釋和預報，日心説的地位進一步得以鞏固。 按照日心學説，就地球上的人來看，天上恒星的位置應隨著地球繞太陽運動而發生變化。在哥白尼提出日心説後的近300年中，人們進行了大量的觀測，企圖證明這一點，可是始終沒有成功。原來，恒星離開地球十分遙遠，最近的一顆也遠達43萬億千米。因此，地球圍繞太陽運行造成的這顆恒星的位置變化只有12.5。恒星越遠，這一變化也越小，當時的觀測儀器是無法探測到的。直到1838年，德國天文學家白塞爾才首次利用三角方法測出一顆名為天鵝61的恒星的位置變化，並推算出它的距離為11.2光年，從而最終證實了哥白尼的日心地動學説。

　　地球的地位從居宇宙之中的特殊天體降為繞太陽運動的一顆普通行星。1608年，荷蘭人李波爾賽在一次偶然的機會中發明了望遠鏡。翌年，意大利物理學家、天文學家伽利略在得知這一消息後，立刻親自動手製作了第一架天文望遠鏡，並不斷加以改進。伽利略利用他的望遠鏡發現了月球表面的環形山、金星月相、木星的衛星、太陽黑子，發現了茫茫銀河由無數個恒星所組成。早在15世紀中葉，德國大主教尼古拉就已猜測黑夜天穹中的恒星都是一個個十分遙遠的太陽。1584年，意大利人布魯諾明確提出宇宙是無限的，恒星都是遙遠的太陽，太陽只是無數個恒星中的普通一員。1750年，英國天文學家賴特指出，銀河和所有觀測到的恒星構成一個巨大的扁平狀天體系統，由於太陽連同地球位於這一系統的內部，從不同方向觀測才看到了銀河和離散分佈的點點繁星。1785年，英籍德國天文學家威廉赫歇耳利用他自製的當時世界上最大的46厘米望遠鏡，通過長期的實際觀測，並經過精心的分析研究，建立了第一個銀河系模型。在這一模型中，太陽仍然位於當時人們所認識的宇宙範圍——銀河系的中心。由於赫歇耳個人在當時的威望，這一觀念一直維持了130餘年之久。恒星這一名稱，無論在中國還是在西歐，它的含義都是“恒定不動的星體”。因為在很長時間內人們都發現恒星間現對位置固定不動，故而取了這麼個名字。1718年，英國天文學家哈雷通過觀測和分析，首次指出恒星不動的概念是錯誤的。後來，赫歇耳正確地認識到，我們所觀測到的恒星運動是由恒星自身的運動和太陽的空間運動兩部分合成的結果。1783年，他通過對所觀測到的大量恒星運動的統計分析，發現太陽以大約每秒20千米的速度朝著織女星方向運動。太陽空間運動的發現徹底動搖了哥白尼日心體系中太陽固定不動的觀念。1917年，美國天文學家沙普利通過對銀河系內天體分佈的分析，確認太陽並不位於銀河系的中心，而是處於相對説來比較靠近銀河系邊緣的地方，從而糾正了赫歇耳銀河系模型的錯誤。這樣，太陽的地位也發生了變化，從居於銀河系中心的特殊恒星，降為銀河系中一顆毫無特殊地位可言的普通恒星，地球在宇宙中的地位也就更無特殊性可言了。銀河系是否已經包括了宇宙的全部內容呢？早在赫歇耳嘗試確定銀河系結構之前，人們就已觀測到天空中除恒星外還存在著一些暗弱而又模糊的雲霧狀天體，取名為“星雲”。比如，1612年德國天文學家馬裏烏斯率先用望遠鏡發現了仙女大星雲。1750年賴特天才地猜想，這類星雲中有一些可能是同銀河系相似的巨大恒星系統。1755年德國人康德首次明確提出在銀河系外的宇宙空間中存在著無數個類似的天體系統，稱為河外星系，或簡稱星系，甚至確指仙女大星雲即是一個很好的例子。可是當時人們對星雲的精細結構缺乏了解，更不知道它們的距離，無從妄下斷語。因為儘管在赫歇耳時代之後，觀測手段不斷改進，物理學研究方法不斷介入天文學，但直到20世紀初，關於星雲的本質仍然沒有明確的定論。但是康德的猜想可以説是一個天才的猜想，這是天文學上三個天才的猜想之一。

　　第一個是亞裏士多德，他猜想地球繞太陽轉。第二是布魯諾，他猜想天上的星雲都是“太陽”。第三個猜想就是康德，他猜想在銀河系外，有很多很多和銀河系同樣大小或者差不多大小的河外星系。下面我會給大家看仙女星雲，這個星雲實際上如果你知道它的確切位置，人的眼睛勉強可以看到的，就是正常1.5的眼睛。他説這個不是星雲，那麼星雲什麼樣呢？這個給大家看兩個星雲：這是一個叫蟹狀星雲，一千多年前一次恒星死亡前的爆炸到現在就成這個模樣很漂亮的一個星雲。那個是個馬頭星雲，這裡是個暗星雲，這是真正的星雲。那麼當時赫歇耳是權威，而且他手頭當時有世界上最大的望遠鏡。他説你們也不要吵了，這個星雲到底是星雲還是星系？我的望遠鏡來看，我的望遠鏡能夠把星雲看成一顆一顆恒星，伽利略看銀河系不是這樣看的嗎？我如果把星雲分成一顆一顆恒星，那麼這個星雲就是星系。對不對？如果這個星雲看來看去，不能夠分解成一顆一顆恒星，那麼這個康德這個觀點不能成立。然後赫歇耳就看，看到後來他自己也糊塗了。這是什麼意思呢？有一些星雲的確他分解很清楚了，但是有一些星雲他又沒有辦法把它分解成恒星。實際上他沒有辦法分解為恒星的是一些真正的星雲在銀河系裏面的，而給它分解成恒星的呢也不是星系，是銀河系裏面的一些星團。那麼他就搞糊塗了，所以他一會兒説河外星系有，一會兒又説河外星系沒有。那麼別人就跟著這個大權威在那兒倒來倒去，所以這個問題就沒解決。

　　這個事情一直鬧到二十世紀初，1920年4月份美國科學院專門舉辦了一次討論會，這個星雲的本質到底是什麼？這個討論會一個專門的名字叫“宇宙的尺度”，這是天文學史上有名的叫做沙普利-柯蒂斯之爭。這兩個人好像吵架一樣，沙普利倒是證明了太陽不在銀河系的中心，就是他。但在這件事情上他的觀點是不對的，他堅持沒有河外星系。那麼柯蒂斯他認為有河外星系，這實際上爭論到最後，這個會是沒結果的。為什麼沒結果呢？就是不知道仙女星雲的距離，銀河系的尺度是十萬光年，如果仙女星雲離開我們是一百萬光年，那就在裏面。如果仙女星雲離開我們一千光年，那就在銀河系外面。那麼這個問題當時就沒辦法解決，這個測定天體的距離，是天文學上非常頭痛非常困難的一件事情，那麼就是靠了望遠鏡這場爭論就解決了。這個功勞歸功於大家知道是哈勃，有個哈勃空間望遠鏡，就紀念這個哈勃。1923年10月6日，這個哈勃利用當時世界上最大的2.5米的望遠鏡就觀測爭論不休的那個仙女星雲，結果發現了就把仙女星雲邊緣的一顆一顆星分開來，它的分辨本領起作用，然後又發現了裏面的造父變星，然後利用造父變星的觀測推算出這個仙女星雲離開我們是225萬光年，那麼這個距離遠遠在銀河系以外，所以仙女星雲現在我們就叫仙女星系了，你不能叫它仙女星雲了，那麼這場爭論就到1923年結束，這個仙女星系就是這個樣子的，大體和我們銀河系的樣子差不多，但是比我們銀河系大，你看它這個像個漩渦星系，那麼哈勃觀測的就是這種邊上的星，這團還是看不出，密密麻麻的星都在裏面。剛才我不是講了，康德説有各種各樣河外星系嗎？現在天文學家就拍到各種各樣的河外星系，這就是一些河外星系照片，這個小的星系給大的星系甩出去的。這個都離開我們很遠很遠，每一個這樣的系統裏面，就有幾百、幾千億恒星，非常遠！有的星系還把東西拋出去，這都是天文學上需要研究的問題。

　　那麼我們如果總結一下哥白尼他正確地認識太陽系，赫歇耳把我們帶入恒星世界，就是擴大到銀河系，哈勃使我們進入了星系世界。那麼現在同樣地通過理論計算知道，宇宙中間各種各樣星系的數目大概有一千億，這個數字好像很巧，銀河系裏面的恒星數目有一千億個，這個宇宙中間的星系數目一千億個，最遠的離開我們大概是150億光年不到一點。那麼這些星系或者説恒星集團，它又構成更大的集團——星系團。星系團還會構成更大更大的集團——就是超星系團。所以我們把恒星構成星系，星系構成星系團、超星系團，這個現象成為宇宙的成團結構。宇宙中間大概有85％的星系都構成各種各樣的星系團，這裡是張星系團的照片，請大家注意，除了這個以外，其他都是星系。就是這顆是銀河系中間暗的恒星，你們看看這個地方，你看這一個叫漩渦星系，像水裏面的漩渦一樣。仔細看，看得出來，這個還有一點小的漩渦，這都是星系，這就是一個離開我們比較近的一個星系團。

　　那麼天文學家始終為測定不同天體的距離而進行不懈的努力。除了三角測量方法外，又發展了由光度測量確定天體距離的各種辦法，其中之一就是利用一種有特殊光度變化特性的變星——造父變星。原來，造父變星光度的變化十分有規則，而且光度越大光變週期也越長。因此，只要測出造父變星的光變週期，就可以推算出它的實際光度，再把實際光度與觀測到的亮度進行比較，就可以推算出它的距離來了。這種推算相當準確，因而造父變星有“量天尺”之稱。20世紀初，美國威爾遜山天文臺建成了當時世界上最大口徑的2.5米天文望遠鏡。1923年10月6日，美國天文學家哈勃利用這臺望遠鏡拍攝了仙女星雲的照片，照片上星雲的外緣已被分解成一顆顆恒星。哈勃從中發現了多顆這類變星。利用這些造父變星，哈勃推算出仙女星雲的距離為225萬光年，遠遠超出銀河系範圍。河外星系的存在最終得以確認。人類對宇宙的認識又大大地跨進了一步。我們的地球在宇宙之中毫無特殊之處可言，地球不是上帝刻意安排的，人類自然也不是上帝創造的。不過，就是在這樣一顆行星上，人類演出了光輝燦爛的文明史，並最終正確地認識了宇宙的概貌。好了！

　　作為今天這個報告的結束，我們前面講了人類怎樣認識宇宙的三個主要里程碑：地心説到日心説、日心説到銀河系、銀河系到河外星系。那麼我們來看看我們這個宇宙到底整體是個什麼模樣？它將來會向何處去？這就是宇宙學研究的內容。它從總體上整體角度探討宇宙的結構和演化，那麼這個歷史過程很長，我講了幾個主要的階段性，那麼印度人又説大地是在幾頭大象上，大象在烏龜上，烏龜在海裏遊。古人都有各種各樣的想法，那麼到了十七世紀牛頓開始利用力學方法來研究宇宙，這個就是經典宇宙學。在牛頓時代這個時間和空間是分開的，時間和空間是沒有關係的。到了二十世紀初，愛因斯坦發現了廣義相對論，他開始用廣義相對論來研究宇宙學。這就開創了現代宇宙學，那麼在愛因斯坦時代時間和空間已經聯絡在一塊兒，不分了。

　　但是愛因斯坦的宇宙是一個靜態的宇宙，它是不動的。到了1922年弗裏德曼，他就探討非靜態宇宙，就是這個宇宙會不會膨脹？1927年比利時的主教，這個人是個主教，勒梅特。他提出宇宙是膨脹的，而且是均勻各向同性膨脹。到1948年美國籍的俄國人伽莫夫，他首先建立了大爆炸宇宙學。大爆炸宇宙學的説法是：大約在150億年之前，宇宙處於一個溫度極高、體積極小、密度極高、或者説是一個奇點，然後開始膨脹。膨脹以後體積不斷變大，密度下降、溫度下降，經過150億年時間的演化，變成今天的宇宙。那麼這個大爆炸模型得到一些觀測事實的支持，比如説哈勃發現河外星系在離開我們，而且越遠的河外星系離開我們的速度越大，這就證明宇宙膨脹。還有從理論上可以算出來，早期宇宙的溫度經過不斷下降，現在我們應該可以觀測到大約在絕對溫度三度左右的均勻各向同性的背景輻射。這個波長在微波階段，這件事情居然被觀測成功，這個是一個得諾貝爾獎的，等等還有些重要觀測事實。所以大爆炸宇宙學成為一種主流學説，就是大部分天文學家都贊成。

　　現在問題是我們以後宇宙跑哪兒去？就是一直膨脹，最後它的結局是怎麼樣？那麼這個就要看，這個膨脹過程是一個斥力起作用還是引力起作用？宇宙中間存在著很多物質，物質之間有萬有引力，因此這個過程是一個引力與斥力之爭，到底誰厲害？是引力厲害還是斥力厲害？這就要看宇宙中間物質的密度，如果這個宇宙中間物質比較多，密度比較高，這個斥力最後頂不過引力的。總會有一天膨脹結束，然後就開始收縮。如果宇宙中間這個物質密度不夠高，它頂不住那個斥力，那麼這個宇宙就會一直不斷地膨脹下去。一直不斷膨脹下去的宇宙稱為開宇宙，開放式的。有一天要收縮的，這個叫閉宇宙。那麼這兩類宇宙有不同的情況。首先我們探討一下開宇宙，開宇宙不斷地膨脹，宇宙中間的恒星不斷誕生。十的十四次方年以後，恒星不但不會誕生，而且恒星已經全部死亡了，全部失去光輝了，星系中間只剩下星系核中間的黑洞了。到十的十七次方和十的十八次方年以後，只有黑洞和死亡的恒星，而且恒星中的質子開始變得不穩定，就是質子要衰變。經過十的二十四次方年，質子開始衰變，就變為光子和其他輕子。經過十的三十二次方年衰變過程結束，這個宇宙中間只剩下了光子輕子和大黑洞。但是到了十的一百次方年以後，這個宇宙恐怕就完蛋了。就是所有的黑洞全部蒸發了，這個大概可以稱為宇宙的末日。

　　那麼另一個結局閉宇宙，這個就比較差勁一點。這個閉宇宙就是説宇宙膨脹要停止了，然後這個宇宙就開始收縮，收縮過程和膨脹的過程恰好相反，就倒過來。開始收縮得很慢，然後變快，越來越快。那麼膨脹是五百億年，收縮也是五百億年。所以一千億年以後又回到大爆炸的那個狀態，這個時候稱為大暴縮。我想我們不需要擔心，我今天講這個課，你們也不會擔心。這個時間尺度實在太長！將來怎麼辦完全不是我們考慮的問題，對吧！你像太陽，太陽已經生活五十億年了。再過五十億年，太陽要膨脹，那時怎麼辦？那是近的事情，太陽膨脹可能會把地球吞掉，等等這些問題呢，那只有靠我們科學技術的發展來解決。比如説把這個地球，我的設想，我們把整個地球當成一個宇宙飛船飛走。因為五十億年以後，你想人類有文明史大概四千年吧，我們一百年前才發明的飛機，現在計算機發展快得不得了，所以我們對開宇宙也好，閉宇宙也好，都不要多去想，以前説杞人憂天，這個不要去杞人憂天，未來是美好的！

　　（來源：cctv-10《百家講壇》欄目）