"無知破碎者"伽利略:如何一步步顛覆人類認識?

恆星無法被放置入巨大的盒中，但它們遵循著守恆定律。根據喬爾丹諾·布魯諾（Giordano Bruno）、伽利略等科學家，恆星是物質，擁有有限的能量。恆星向太空輻射能量，逐漸耗儘自身有限的核能。最終，這些珍貴的恆星將燃盡、變暗。在大約50億年後，我們太陽也會如此。大概在1萬億年後，宇宙中所有的恆星都將變得冰冷、消逝而去。

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據國外科學網站Nautilus報導，伽利略出版《星空使者》後，變革了人們對天地分隔的認識，並對當時人們所篤信的「絕對真理」構成了尖銳挑戰。物質世界範疇的擴大使人們不知所措。恆星的物質本質以及能量守恆定律共同表明，恆星註定要消亡。人們本以為天空中的恆星是不朽和永恆的代表，沒想到它們會熄滅和死亡。

1610年，義大利天文學家兼數學家伽利略·伽利萊（Galileo Galilei）出版了《星空使者》。第一版印刷了550本，目前僅存150本。幾年前，初版《星空使者》的價值據估計在每本60萬美元和80萬美元之間。1989年印刷的平裝本的定價約為12美元。

儘管科學史並未授予《星空使者》等同牛頓《自然哲學的數學原理》或達爾文《物種起源》的榮譽，但它是有史以來最重要的科學著作之一。在這本篇幅不長的書中，伽利略描述了他使用望遠鏡觀察星空時看到的情況，並提供強有力的證據表明，天體由普通物質構成。

伽利略在義大利的比薩出生，在佛羅倫斯長大。1592年起，他在帕多瓦大學教數學。僅憑工資他無力承擔各種經濟負擔，除了支付姐妹們的嫁妝，還要撫養情婦的三個孩子。於是他在家中接收租客並提供食宿，還銷售科學儀器。16世紀80年代後期，他進行了著名的自由落體實驗。1609年，45歲時，他聽說荷蘭發明了一種新型的放大設備。雖然從未見過這種設備，但他很快就自行設計並打造了一臺望遠鏡，它比荷蘭的那臺設備還強大幾倍。而且，用望遠鏡觀測夜空，他似乎是首例。

伽利略自己打磨和改進鏡頭。他的首批望遠鏡能夠把對象放大十幾倍。最終他打造出能夠放大1000倍的望遠鏡，讓觀測對象看起來比實際近30倍。他製作的一些望遠鏡被保存在佛羅倫斯的伽利略博物館中。他的首個望遠鏡長90釐米，寬3.8釐米，由木頭和皮革製成，一端帶有凸透鏡，另一端帶凹面目鏡。透過望遠鏡，視野很小，就好像在一根一臂之長的長管末端看到一團硬幣大小的昏暗光圈，只能辨認出模糊的影像。如果拿著這個望遠鏡的仿製品看向大約90米遠的建築物，可以看到肉眼所看不到的磚塊細節。

很難想像伽利略用他的發明首次仰望星空和凝視「天體」時會怎樣的激動和驚訝。幾個世紀來，在人們的描述中，這些天體是指月亮、太陽和行星等旋轉球體，它們的運行依託於類似水晶球層的結構，最外層的天體是由上帝手指旋轉的第十層天。這就是古希臘天文學家託勒密提出的地心說，它是一個以地球為中心的學說。所有這一切都由以太構成。在亞里斯多德看來，以太是除火、水、土、氣以外的第五元素，是一種在本質和形式上都沒有瑕疵的完美元素。約翰·彌爾頓（John Milton）在史詩《失樂園》中把它描述為「天國的空中精髓（ethereal quintessence of Heaven）」。所有這一切都由神聖的上帝掌控。伽利略通過他製作的粗糙望遠鏡看到的實際上是月球上的隕石坑和太陽黑子。

幾個世紀前，聖託馬斯·阿奎納（Saint Thomas Aquinas）成功地把亞里斯多德的宇宙論與基督教教義結合在一起，其中包括天體由以太構成的本質以及地球位於宇宙中心並保存靜止不動的觀念。不過，亞里斯多德認為宇宙的壽命是無限的，基督教則認為是有限的，在這一問題上阿奎納對前者表示異議。伽利略對天體存在缺陷的發現嚴重地挑戰了教會。而且伽利略設計的望遠鏡本身也遭到質疑。它是擴大人類感官的首批工具之一，展現了單憑肉眼和耳朵無法感知的世界。以前人們從未見過這種工具。許多人持懷疑態度，質疑它的合法性及其觀測結果的可信度。在有些人看來，這個工具是神奇的，但不屬於他們的世界，就好比手機穿越到1800年那樣令人不可思議。雖然伽利略是個科學家，但對望遠鏡究竟如何運作，他並不完全明白。

回想一下16世紀和17世紀在歐洲廣為流傳的魔法和巫術。這兩個世紀裡，有4萬名被懷疑是巫師的人（其中大多數是女性）被燒死在火刑柱上、絞死在絞刑架上或被斬首。1597年，蘇格蘭國王詹姆斯六世（1603年英國女王伊莉莎白一世去世後，他即位為英格蘭國王，史稱詹姆士一世）曾抱怨說，「此時這個國家存在著大量的巫師，令人驚駭。」當時人們相信，巫師可通過毀壞一個人的一縷頭髮或指甲以施展法術對他加以傷害。這位義大利數學家的望遠鏡是否帶有那麼一點巫術的味道？

其他人認為，伽利略通過望遠鏡獲得的發現遭到質疑，不是因為它們具有巫術的嫌疑或挑戰了神學教義，而是因為它們顛覆了個人的世界觀和哲學觀。帕多瓦大學一名亞里斯多德哲學教授切薩雷·克雷莫尼尼（Cesare Cremonini）公然抨擊伽利略有關月球隕石坑和太陽黑子的說法，並且拒絕使用伽利略的望遠鏡觀測天空。伽利略也曾任教這所大學。他說，「我不想贊成我不了解的說法，也不贊成我沒有見過的東西，通過望遠鏡觀察讓我頭疼。夠了！我不想再聽有關它的一切。」與伽利略同時代的亞里斯多德哲學教授朱利奧·利布裡（Giulio Libri）也拒絕使用望遠鏡。伽利略在給科學家約翰尼斯·克卜勒（Johannes Kepler）寫的信中回應了這些質疑者：

「親愛的克卜勒，讓我們嘲笑這些芸芸眾生非同尋常的愚蠢吧。他們如此頑固，我無數次自願並特意向他們提供使用望遠鏡觀察行星或月球的機會，他們卻看都不想看。對這個領域的這些重要哲學家你還有什麼可說的？真的，就像驢堵上了耳朵，面對真相之光，這些哲學家閉上了眼睛。」

《星空使者》的扉頁上除了標題還印著，「佛羅倫斯貴族、帕多瓦大學知名數學家伽利略·伽利萊藉助他最近設計的小型望遠鏡向所有人，尤其是哲學家和天文學家，展現了他所觀察到的偉大而精彩的景象。」在這本書中，伽利略收錄了他手繪的畫，畫的是他通過望遠鏡看到的月球，呈現了月球上的明暗區域、山谷與丘陵、隕石坑、山脊和山脈。他甚至通過月球上山脈陰影的長度來估計山脈的高度。

當他觀察月球上的明暗界線時，發現它是一條鋸齒狀的不規則曲線，這與神學所認為的相悖。神學認為月球是個完美的球體，因此明暗界線應是平滑的曲線。伽利略寫道：「任何人都會明白，月球的表面不可能是平滑的，而是粗糙不平的，就像地球表面那樣，巨峰、深淵和盤旋的地形無處不在。他還在書中描述了環繞木星的四顆衛星，這讓其他行星與地球相似的觀念更具有可信度。換句話說，地球不再是特別的。這一切都支持著哥白尼在67年前提出的日心說——太陽，而不是地球，是行星系的中心。這樣薄的一本書卻包含著相當多的顛覆式觀念，對亞里斯多德或教會構成了巨大挑戰。

《星空使者》出版幾個月後，伽利略在歐洲成名了，部分原因是望遠鏡具有軍事、商業以及科學價值。在寫給朋友的一封信中，伽利略描述，你可以「觀察遠處的船帆和船隻，它們滿帆行駛兩個多小時後才消失在我的望遠鏡中。」有關這一發明的消息通過信件和談話不斷得到傳播。

伽利略宣布的太陽黑子對天堂的完美和神聖構成了更大的挑戰。我們現在知道，太陽黑子是由太陽外層高密度的磁能活動造成的。1611年，來自德國西南部土瓦本（Swabia）的一位重要數學家、耶穌會信徒克裡斯託夫·沙奈爾（Christoph Scheiner）購買了一個望遠鏡，並證實了伽利略所看到的太陽黑子在太陽表面不斷移動的景象。但是，沙納爾對亞里斯多德等人的地心說深信不疑，認為太陽是完美無瑕的，並以此為基礎，提出各種順應地心說的論據，試圖解釋太陽黑子現象是由環繞地球的其它行星或衛星造成的，而不是太陽本身的現象。

正如他書中扉頁所印，伽利略是一位數學家。數學通常被視為一個抽象的邏輯學科。數學幫助學者計算和預測「現實世界」，但數學所描述的世界與現實世界不同。特別是，天體系統的那些反神學模式僅被視為計算方法，它們描述的是與現實相反的現象。因此，從計算方法的角度來看，亞里斯多德和託勒密的地心說以及哥白尼的日心說處於同等地位，因為這兩種理論都能夠相當精確地說明行星的位置。但地心說符合當時的神學和哲學信仰，因此被視為對現實的反映。

當伽利略的觀察結果開始得到公認，教會信徒們仍對此持懷疑態度。1611年3月19日，羅馬學院（Collegio Romano）負責人、主教羅伯特·貝拉明（Robert Bellarmine）在寫給他身兼數學家的耶穌會信徒們的信中寫道，「我知道你們已經聽說一位知名數學家新近觀察到的天文現象。對此我也聽到了不同的觀點。你們是熟練掌握數學科學的人，你們能否簡單地告訴我這些發現是否依據確鑿？是真還是假？」

這些數學家們對伽利略的觀測細節展開了爭論，並一致認為這些發現是真實的。然而，伽利略的發現以及他對哥白尼日心說的支持被視為對神學信仰的不可饒恕的攻擊。他是一名虔誠的羅馬天主教徒，曾認真考慮過從事神職工作。但由於上述「罪行」，他最終受到宗教法庭的審判，被迫公開宣布放棄他的大部分發現，並在軟禁中度過了自己的晚年。

如今，地心說的錯誤早已是不爭的事實。自伽利略之後天文學家們對宇宙的認識不斷深入，宇宙的物質性衝擊著了恆星的絕對本質，降低了神學中天體的崇高地位。這種落差始於人們觀測到月球上的隕石坑和溝壑。 1610年後，一些思想家和作家開始把月球和行星視為擁有土壤、空氣和水的地方，適合類似人類的生物居住。1630年，約翰尼斯·克卜勒（Johannes Kepler）完成了一部名為《夢境（Somnium）》的暢銷幻想作品，書中講述了一個男孩和他的母親穿越太空來到利瓦尼亞（Levania）衛星上的故事。利瓦尼亞的一切都比地球更極端。在那裡，山脈遠高於地球，山谷則要深得多。這顆衛星的熱帶地區中居住著一些生物，它們極其龐大並且只能活一天。它們會遊泳、飛行或爬行，但由於壽命過短，不足以建立城鎮或政府，但能夠找到食物度過短暫的一生。由於克卜勒是一位傑出的科學家，在17世紀、18世紀甚至19世紀，受過良好教育的民眾樂於閱讀這本小說。

其他作家也創作了許多類似的幻想小說。詩人塞繆爾·巴特勒（Samuel Butler）的《大象月亮》中，一群沾沾自喜的科學家們使用望遠鏡觀察月球時，看到了一場正在進行的戰役，期間一隻大象在幾秒內從一排士兵中跳到了另一排士兵中（可能由於月球引力比地球要小得多）。1698年，荷蘭數學家和科學家克裡斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）撰寫了一本名為《已發現的天體世界（Celestial Worlds Discovered）》的書，書中可以讀到對不同行星上的居民、植物和生產情況的猜測。這些書籍和詩作為大眾而寫。它們從某種程度上體現了17世紀人們對行星物質性的看法。

但從恆星的本質來看，伽利略研究結果的影響可能是最深遠的。義大利哲學家兼作家焦爾達諾·布魯諾在1584年出版的《論無限宇宙與世界（Infinite Universe and Worlds）》中提出了星星可能是恆星的觀點。布魯諾寫道：「可能存在無數與地球條件相似的其它世界，也可能存在無數的太陽或性質相似的熾熱星球……」由於這些觀念以及他對其它天主教信仰的否定，1600年他被燒死在火刑柱上。到17世紀初，各種思想家都接納了恆星可能是太陽的觀念。因此，當伽利略指出太陽是有瑕疵的，他的發現為人們對恆星的認識帶來了顯著的影響。在人們看來，恆星不再完美，不再是由不同於地球上任何東西的某種永恆和堅不可摧的物質組成。太陽和月亮就像地球一樣具有物質性。在19世紀，天文學家開始通過稜鏡來分析恆星的化學成分。稜鏡能夠把星光分成不同的波長。不同的顏色可能與不同化學元素相關。結果，天文學家發現恆星含有氫、氦、氧、矽等許多地球上常見的元素。這證明了恆星的物質性，它們由原子構成。

所有物質都受到能量守恆定律的制約。無論是廣泛的適用性，還是定量和邏輯表述，這一定律是所有自然定律的範例。本質而言，這條定律指出，能量不能被創造或毀滅。但能量可以從一種形式轉變為另一種形式，例如，火柴的化學能可轉變為燃燒時的熱能和光能。但是在封閉的自足系統中，總能量保持不變。

恆星就像一根巨大的火柴。它內部存儲的能量有限，並且存儲的是核能而不是化學能。當原子融合在一起形成更重的原子時，核能被釋放。但一顆恆星供應核能的能力是有限的，就像火柴燃盡後化學能的供應也隨著結束。當恆星「燃燒」核燃料時，能量釋放到太空中，其中大部分能量以光的形式被釋放。打個比方，就好比把恆星放入一個巨大的盒子裡，盒子裡的總能量保持不變，但能量逐漸從恆星轉移到盒子中的光線，而吸收光線的所有物質的熱量和化學能逐漸增加。

當然，恆星無法被放置入巨大的盒中，但它們遵循著守恆定律。根據喬爾丹諾·布魯諾（Giordano Bruno）、伽利略等科學家，恆星是物質，擁有有限的能量。恆星向太空輻射能量，逐漸耗儘自身有限的核能。最終，這些珍貴的恆星將燃盡、變暗。在大約50億年後，我們太陽也會如此。大概在1萬億年後，宇宙中所有的恆星都將變得冰冷、消逝而去。

到那個時候，夜空將徹底黑暗。陽光照耀的白天也不復存在了。天空中無數的恆星，曾被視為法老死後的最後安息之地，也曾被認為是永恆和不朽的象徵，最終將成為太空中漂浮的寒冷灰燼。

本文來源：網易科學人 責任編輯：郭浩_NT5629