探索·發(fā)現(xiàn)

2006年12月3日，瑞典皇家科學院宣布，將本年度諾貝爾物理學獎，授予美國科學家約翰·馬瑟和喬治·斯穆特，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射的黑體譜形，及其溫度在空間不同方向的微小變化。他們用COBE衛(wèi)星進行的精確觀測，為宇宙起源的大爆炸理論提供了有力支持(圖1)。大爆炸理論的確立，使人們對宇宙的起源，有了接近一致的認識。什么是大爆炸？關于宇宙的起源，人類在認知上，又經(jīng)歷了怎樣的歷程呢？

（1） 獲得2006年度諾貝爾物理獎的美國科學家約翰·馬瑟（右）和喬治·斯穆特（左）

※對宇宙起源的認識

我們在宇宙中處于怎樣的位置？宇宙有沒有起源？如果有，它怎樣起源？幾千年來，人類觀察宇宙的手段從肉眼發(fā)展到望遠鏡和人造衛(wèi)星;視野從太陽系擴展到銀河系和河外星系;對宇宙的認識則經(jīng)歷了蒙昧時期的神話，古代哲人的猜測，文藝復興以來的科學革命，直到20世紀現(xiàn)代宇宙學的誕生。

現(xiàn)代宇宙學“大爆炸”的理論認為：約在140億年前，宇宙從極端高溫高密的一個點起源。隨著體積的膨脹和溫度的下降，以質子、中子等基本粒子形態(tài)存在的物質，首先結合形成氘、氚、氦等較輕的元素，隨后進一步冷卻，形成恒星。在恒星內部合成碳、氧、硅、鐵等更重的元素，再拋射到周圍形成行星，最后在如地球這樣條件適合的行星上演化出生命，成為目前的宇宙。

宇宙有一個開端的想法并不新鮮?！妒ソ?jīng)》中就描繪了上帝用7天創(chuàng)造世界的故事。三國時徐整所著的《三五歷記》，記錄了盤古開天辟地的神話：天地之初就像一個雞蛋那樣混沌不分，盤古在里面孕育著。經(jīng)過一萬八千年，天和地一下子分開了，輕的東西上升為天，重的東西下沉為地。天，每日升高一丈，地，每日下沉一丈，盤古在中間每日長高一丈。這樣過了一萬八千年，天變得非常高，地變得非常深，天地之間相隔九萬里。

徐整的宇宙觀是中國古代渾天說的發(fā)展，早在東漢，張衡在《渾天儀注》中就曾經(jīng)把天地比擬為一個雞蛋，天像蛋殼，地像蛋黃獨居其中。徐整的創(chuàng)新在于提出天地經(jīng)歷著膨脹運動?！疤烊崭咭徽桑厝蘸褚徽伞?，表示膨脹的速度;“萬八千歲”和“九萬里”則表示著宇宙的年齡和大小。這些具體數(shù)字雖然沒有觀測依據(jù)，但至少與當時已知的歷史和地理知識并不沖突，其基本思想與今日大爆炸宇宙模型更是有異曲同工之妙。

公元前5世紀，愛琴海的薩摩斯島上，發(fā)明了幾何學中“勾股定理”的數(shù)學天才畢達哥拉斯，從球形是最完美幾何體的觀點出發(fā)，認為大地是球形的，而且所有天體都是球形的，它們的運動是勻速圓周運動。地球處于宇宙的中心，周圍是空氣和云，往外是太陽、月亮、行星做勻速圓周運動的地方，再外是恒星所在之處，最外面是永不熄滅的天火（圖2）。

（2） 畢達哥拉斯的“地球中心論”圖示

畢達哥拉斯的宇宙模型并沒有說明地球有多大，日、月、星辰離地球有多遠。最早根據(jù)實測數(shù)據(jù)算出地球大小的人，是公元前3世紀的希臘天文學家埃拉托西尼。埃拉托西尼生活的地方，是埃及的亞歷山大港。

埃拉托西尼聽說埃及塞恩（今阿斯旺）有一口深井，每逢夏至日的正午，陽光可以直射井底，這意味著太陽處于天頂。于是他在亞歷山大城選擇了一個方尖碑，測量了夏至日那天碑的影長，用數(shù)學方法算出直立的碑和太陽光線之間的夾角相當于圓周角（360度）的l／50。這就意味著地球周長是這一角度對應的弧長，即從塞恩到亞歷山大的距離（5000希臘里）的50倍，約合39600公里，恰巧與現(xiàn)代測量值十分接近。

月球離地球有多遠呢？當時希臘人已經(jīng)猜測到，月食是因為地球走到太陽與月球之間而引起的。出生于薩莫斯島的阿利斯塔克提出，測量月食時掠過月面的地影與月球的相對大小，利用幾何學方法，可以算出以地球直徑為單位的地球至月球的距離。

公元前150年，古希臘一位叫依巴谷的天文學家，重復了這項工作，得出地球到月球距離是地球直徑的30倍。根據(jù)埃拉托西尼求得的地球直徑39690公里計算，月球到地球的距離就是38萬公里，他還同時得出了地球與太陽的距離。

公元140年，埃及的亞歷山大城里，出了一位希臘裔的天文學家，他的名字叫托勒密，他提出了一個完整的地心體系。托勒密體系能在一定程度上解釋和預測行星相對于恒星背景時而向東、時而向西的復雜運動。

然而到16世紀的時候，有一個人站出來表達了相反的觀點。他認為，是地球繞太陽，而不是太陽繞地球旋轉。這個勇敢的人，就是波蘭天文學家尼古拉·哥白尼（圖3）。哥白尼假設，要是宇宙是以太陽為中心，其他天體都是圍繞太陽旋轉。

（3） 提出“日心體系”的偉大科學家哥白尼

誠如后人所說，哥白尼的日心體系，改寫了托勒密延續(xù)千年的宇宙模型，開啟了宇宙學革命性的一刻。然而哥白尼仍然沿襲了托勒密體系中，行星以勻速作圓周運動的思想。

哥白尼死后66年，德國天文學家開普勒，為太陽中心說找到了新的證據(jù)。1609年，開普勒在《新天文學》一書中宣布,他用丹麥天文學家第谷留下的精密觀測資料，發(fā)現(xiàn)行星是沿著橢圓軌道圍繞太陽運動。開普勒的發(fā)現(xiàn)，打破了天體必須做勻速圓周運動的傳統(tǒng)觀點，幾乎與此同時，另一位科學家的發(fā)現(xiàn)，宣告了“地心說”的終結。

1609年底的一天，意大利物理學家伽利略聽說市場上在出售一件有趣的東西，一根鑲有玻璃片的管子。這件被當成玩具出售的東西，出自荷蘭。伽利略把這件玩具改裝成一架口徑4.4厘米，長1.2米，放大率32倍的望遠鏡。他開始用望遠鏡來觀察天體。

伽利略通過望遠鏡觀察發(fā)現(xiàn)，關于宇宙是由完美的圓形和球形組成的看法，是值得懷疑的。因為他在比較近的，可以觀察到的天體上都看到存在某種缺陷。比如太陽有“黑子”，月亮也不像大家以為的那么亮，那么圓，而是有陡峭的環(huán)形山。

伽利略接著開始觀察水星與火星，最終，他被木星吸引住了。從1610年1月起，伽利略連續(xù)觀察木星，他有了一個驚人的發(fā)現(xiàn)。伽利略看到，在木星周圍有4個暗弱的星體在圍繞著它運轉。這4顆衛(wèi)星后來被稱為“伽利略衛(wèi)星”，它們的發(fā)現(xiàn)，宣告了托勒密地心宇宙體系的終結（圖4）。因為，人類第一次發(fā)現(xiàn)了有天體圍繞著不是地球的行星在運行。地球是宇宙中心的說法，再也說不通了。

（4） 伽利略發(fā)明了望遠鏡觀測星空

自伽利略發(fā)明望遠鏡后，對宇宙的觀測便日新月異。望遠鏡能夠發(fā)展到今天的水平，還得感謝牛頓對它的改進。

牛頓對伽利略的望遠鏡進行了改良，他在里面加了一片平面的反光鏡，這使得鏡筒變短，并觀察到更清晰的圖像。后來的巨型望遠鏡，就是在此基礎上發(fā)展起來的。已經(jīng)得享大名的牛頓，開始思考運動定律以及物體如何移動的問題。

開普勒的發(fā)現(xiàn)和伽利略的觀測結果，都導致了支持“哥白尼日心說”的直接證據(jù)。但有一個問題尚未找到答案，這個問題就是，究竟是什么力量在維系行星的運行？開普勒曾經(jīng)設想是磁力。而牛頓認為最有可能是重力，一種將物體拉向地球的牽引力。

這個重力就是“萬有引力”。由于“萬有引力”，一個大質量的物體，才可以把一個較小的物體吸引到自身上來，所以，蘋果才會從樹上落下來。

牛頓把他的理論用于天體，發(fā)現(xiàn)月亮和所有行星的軌道都可以通過嚴格的數(shù)學推導得出。牛頓終于發(fā)現(xiàn)，是“萬有引力”維系著月亮圍繞地球、行星圍繞太陽運行（圖5）。這一輝煌成就于1687年刊布在他的巨著《自然哲學的數(shù)學原理》中。哥白尼的日心體系從此有了堅實的理論基礎。

（5） “萬有引力”的發(fā)現(xiàn)者牛頓

托勒密的宇宙模型，被牛頓徹底抹去了。牛頓認為，是“萬有引力”支配著宇宙，也是“萬有引力”使得人能夠站在旋轉的地球上。“萬有引力”讓宇宙中所有的行星保持運動，宇宙也因此而永恒不變。

※對宇宙的探索

17世紀18世紀，望遠鏡性能有了長足的進步，天體方位的測量精度提高了幾十倍。1716年，英國天文學家哈雷提出，利用金星凌日的機會來測量太陽和地球的距離。方法是：當金星走到太陽與地球之間時，從地球上不同的兩個地方，同時觀測金星投射到太陽圓面兩點的軌跡，由此即可推算出太陽與地球的距離?？上Ы鹦橇枞帐趾币姟Ｖ钡?772年，法國天文學家潘格雷才實現(xiàn)了這一設想（圖６）。他在分析了1769年金星凌日時各國天文學家的全部觀測資料后，得出太陽與地球的距離為1.5億公里。

（6） 利用金星凌日測算出太陽與地球的距離

像希望得知太陽和地球的距離一樣，測算恒星距離的想法，也早已產(chǎn)生。用什么樣的方法，才能測出遙遠恒星的距離呢？最早嘗試的一個人，是伽利略。

日地距離是一把量天尺。以這把尺子為單位，行星的距離是從哥白尼時代就已經(jīng)知道的。但恒星究竟有多遠呢？伽利略在1632年發(fā)表的《關于兩個世界體系的對話》中提出了一個巧妙的方法。他建議相隔半年測量一顆恒星相對于較遠恒星背景方位的變化，叫作周年視差，就可以用數(shù)學算出那顆恒星的距離。

這個方法原理雖然簡單，但由于恒星距離太遠，實測非常困難。許多天文學家多次努力都未獲成功。直到1836年以后，3位不同國籍的天文學家，才根據(jù)伽利略的方法，成功地對恒星距離進行了測算。然而一開始，他們遇到的難題和前人一樣。那就是，天上的恒星很多，應該選擇哪顆恒星，才更方便測算呢？

這3位天文學家當中，有一個俄國人，名叫斯特魯維。斯特魯維用一臺德國光學家夫朗和費制作的高品質望遠鏡，對星空進行觀測。他發(fā)現(xiàn)，哪顆恒星移動的位置最大，就表明它離我們最近，光度也越亮，觀測的精度也最高。斯特魯維將望遠鏡對準了織女星和鄰近一顆暗星的相對位置，他測出，織女星的周年視差為0.125角秒。1角秒視差對應的距離，是太陽到地球距離的20萬倍，這稱為1秒差距。離我們最近的恒星視差為0.76角秒，距離地球大約4.3光年，恒星的距離，就這樣算出來了。

3位天文學家中一位定居英國的德國人——威廉·赫歇耳，他提出了估計恒星距離的另一種方法。威廉·赫歇耳認為，假如所有恒星的真正亮度與太陽相同，那么看上去亮度越暗的，距離就應該越遠。威廉·赫歇耳用這種方法，估計銀河系的尺度至少為2600光年，從此，人類的視野從太陽系擴展到了更為廣闊的宇宙空間。

※探尋宇宙的奧秘

望遠鏡在宇宙探索中取得的成就，促使人們不斷努力提高它的性能。1845年，第3代羅斯伯爵威廉·帕森斯，在愛爾蘭中部的比爾城堡，建造了一架口徑1.8米，重達10噸的望遠鏡。牛頓的時代，望遠鏡的鏡片很小，只能看到月亮、太陽和一些行星。而羅斯伯爵的這架望遠鏡，鏡片的直徑足有1.8288米寬，它是當時世界上最大和倍率最高的望遠鏡。使用這架望遠鏡，帕森斯伯爵看到了一個呈旋渦狀的美麗星云。

英國皇家天文學會極為重視羅斯伯爵的發(fā)現(xiàn)，在這個學會1850年的記錄里，我們看到了這個旋渦星系的素描畫。這是有史以來，人類首次觀測到旋渦星系（圖7）。天文學家們后來了解到，這個旋渦星系與地球的距離為2100萬光年，遠遠超出了銀河系10萬光年的范圍。

（7）人類首次通過望遠鏡觀測到的旋渦星系的素描畫

無論在托勒密還是哥白尼的體系中，恒星都是固定在天球上不動的。但是，天文學家發(fā)現(xiàn)，事實并非如此。1718年，哈雷把他測定的大角星和天狼星的方位與1500年前托勒密的觀測結果比較，發(fā)現(xiàn)這兩顆星有了明顯位移。這是怎么回事呢？

實際上每顆恒星都會在萬有引力作用下運動。這種運動可以分解為視線方向和垂直視線方向兩個成分。哈雷所測的是后者，稱為自行；盤古開天地故事中所說的“天日高一丈”是前者，稱為視向速度，測量它需要一種全新的方法。

1842年，在維也納，一個名叫多普勒的奧地利物理學家，發(fā)表了一篇討論雙星顏色的論文。他認為，如果有兩顆恒星在萬有引力作用下，圍繞同一軌道運行。其中一顆朝向我們運動，而另一顆則遠離我們運動。若讓來自這兩顆星的光通過三棱鏡，仔細觀察它們的光譜，就會發(fā)現(xiàn)它們的光的波長和光的顏色在發(fā)生完全相反的變化。宇宙的秘密，就隱藏在這光線里。

最初發(fā)現(xiàn)這一奧秘的人，是德國光學家約瑟夫·馮·夫朗和費。夫瑯和費是德國的玻璃透鏡制造家，1816年的一天，他在測試用來制造透鏡的光學玻璃的時候發(fā)現(xiàn)，在使用人造光源時，會有一些不尋常的現(xiàn)象出現(xiàn)。于是他想看一看，若是以太陽光作光源，在太陽光被折射的多色光譜中，會不會有相同的現(xiàn)象發(fā)生。

在一個隔絕了光線的房間里，陽光穿過窗簾的一角，投射在三棱鏡上。夫瑯和費看到，在光譜中存在著許許多多清晰的線。其中有明顯的暗線，還有一些不太清楚的，比較淡的線。夫瑯和費發(fā)現(xiàn)，這些光譜中所產(chǎn)生的線，與人造光源下的譜線分布完全相符。他意識到，在這些被折射的光譜中，隱藏著發(fā)出這些譜線的化學元素的“指紋”，只要對這些“指紋”加以考察，就能鑒別出這些譜線是由什么元素構成的。一種尋找宇宙秘密的奇方妙法，就這樣被找到了。

然而真正使這些譜線的意義得到闡發(fā)的人，還是克里斯蒂安·多普勒（圖８）。

（8）圖組: （上圖）發(fā)明了利用光譜測量和觀察星體運動的科學家多普勒（下圖）隨光源移動而變化的光譜

用宇宙中星球所發(fā)光的譜線，來測量和觀察星體的不同運動方向，是多普勒運用夫瑯和費線的一個創(chuàng)造。如果光源在向我們接近，夫瑯和費線就會向光譜的藍端移動，這叫“藍位移”。如果光源在后退，這些譜線會向光譜的紅端移動，這叫“紅位移”。78年以后，美國天文學家哈勃，運用光譜位移的原理，在宇宙觀察上作出了重大發(fā)現(xiàn)。

星體位移，光線也會隨之不同的現(xiàn)象，在我們的日常生活中，因為光波的運動速度太快，以現(xiàn)有的技術，無法測量和觀察。但是在聲音上，可以體驗到相同的結果。當一列火車向我們駛來的時候，汽笛聲漸大，音調也逐漸高亢;而當火車離開時，汽笛聲也隨之變小，音調降低。這是因為聲音在遠離時被拉長的緣故，因而離我們越遠，聲音也就越小。這就是“多普勒效應”，或稱“多普勒位移”。

1859年，英國天文學家威廉·哈金斯，用一臺裝有高色散分光儀的20厘米望遠鏡，開始觀測一些亮星的光譜，并在其中找出了鈉、鈣、鎂等化學元素的譜線。1868年，他利用多普勒效應，首次從譜線的微小位移，測出了天狼星的視向速度。1880年前后，哈金斯對太陽光譜中構成譜線的化學元素進行分析，以了解太陽和恒星都是由何種成分構成的。哈金斯發(fā)現(xiàn)，太陽和恒星的光譜線中，都有著清晰的氫和氦的特征線。于是他得出結論：太陽和恒星主要是由氫和氦構成的。這一發(fā)現(xiàn)等于宣告，太陽和一顆普通的恒星沒有什么差別。人類也因此徹底了解到，地球不是宇宙的中心，太陽也同樣不是宇宙的中心。

人們的視野已超越銀河系，進入了一個前所未知的廣闊宇宙。