張雙南：人類宇宙觀的七次飛躍

以下根據張雙南教授2020年8月13日在高山大學內蒙站的課程部分內容整理而成，經老師審核後公開發布。文章僅為現場內容十分之一，點擊文末閱讀原文，加入高山大學，了解更多。

全文3483字丨6分鐘閱讀

作者丨張雙南

整理丨邱施運

編輯丨朱珍

授課老師：張雙南，中國科學院高能物理研究所研究員，中國科學院大學教授，天宮二號空間實驗室伽馬暴偏振實驗、「慧眼」天文衛星以及中國載人航天工程空間天文與天體物理領域專家組首席科學家。

張雙南

---

講到天文學史，我習慣以我個人總結的七次飛躍作為主要脈絡來理解。

第一次飛躍

日心說取代地心說

古希臘的宇宙觀，主要是最後由亞里斯多德建立起來的一個非常複雜的同心球模型。

同心球模型，圖自網絡

在這個模型裡，地球在中心，而每一個天體，包括太陽，都被「鑲嵌」在不同同心球層上面，有非常複雜的機制，保證每個天體運動是勻速圓周運動。

就經驗而言，這個模型很合理。在地球上我們每天經曆日升月落，所有天體都會升起再落下；「宇宙圍繞著地球轉」的結論不算荒謬。

美國報紙上發表過一個民意測驗，問大家到底是太陽繞地球轉，還是地球繞太陽轉？結果相當令人震驚，答案參半。當中有些人回答：「雖然學校都教後者，但我自己感覺是前者。」

按照亞里斯多德的模型，天體只能往一個方向跑，不可能倒回去，但是這樣一來，理論和人們觀察到的事實又互相違背，因為人們經常觀察到火星逆行的現象。於是，地心說的危機出現了。

後來，天才的託勒密給每個天體加上了一個輪子。每個天體有一個本輪，除了繞著地球，也繞著本輪轉，而且本輪還經常是偏心輪。所以託勒密模型異常複雜。但儘管複雜，卻可以把天體的運動描述得非常精確，而且可以進行天體預言。這就把地心說維持住了。

從此，天文學家的任務就變得既簡單，又複雜——簡單在於只需要對天體輪子的參數進行測量，複雜在於參數越來越多，每過一段時間就要更新。

然而，哥白尼抗拒複雜的模型。在他看來，好的理論應該簡潔，於是提出了日心說——所有天體都繞著太陽運動，包括地球。這個假說也能很好解釋為什麼火星會出現逆行，是因為各自繞太陽的周期不同，是相對運動造成的觀測現象。

但當時日心說對天體運動的描述精度不高，所以沒有獲得廣泛的支持。

精度問題，終於在克卜勒這裡得到了解決。克卜勒是日心說的支持者。偉大的天文學觀測家第谷英年早逝，克卜勒繼承了他的數據，很快，克卜勒三定律就誕生了。

克卜勒三定律的核心就是確定了天體繞太陽運動的軌道不是圓周，而是橢圓。

在今天看來，圓變橢圓或許不過是添加了一個參數；但當時從柏拉圖開始，所有天文學家都埋頭研究勻速圓周運動，在那樣的時代背景下，這是了不得的變化。

雖然日心說吻合了所有的觀測事實。但加了輪子的地心說同樣能解釋這些觀測現象，人們看不見日心說的優勢，所以日心說依舊沒有獲得支持。

下一個關鍵突破口，發生在伽利略。他在1609年發明了天文望遠鏡，通過前所未有的觀測精度，確立了日心說的優勢。

首先，發現月球與其他行星的光都是反射太陽的光，而非自己發光。

另外，還發現木星有4顆衛星。這意味著宇宙中已經確定了4個不繞著地球運動的天體，這對於設定地球是宇宙中心的地心說，是一種打擊。

最後，發現金星盈虧與大小的變化。這在地心說的理論框架下完全無法解釋。如果天體都繞著地球轉，無論什麼時候，都不可能出現滿金現象（金星被太陽完全照亮）；相反，如果天體都繞著太陽轉，不僅滿金現象能得到解釋，金星不同時候的亮度差異，由於與地球距離不同，也一併獲得解釋。

用溫伯格的話來說就是，「這是地心說棺材上的最後一根釘子。」

從理念上，伽利略的望遠鏡，使得天文學脫離了純粹的思辨，進入通過天文儀器進行觀測並建立理論模型解釋世界的新天文時代。這是一個根本性的改變。

直到現在，世界各地包括中國都在持續建造各種天文儀器，以此進一步理解宇宙，當然，也包括我們今天看到的明安圖射電望遠鏡。

除了更精確的觀測，伽利略的實驗主義，對於當時對自然只能觀察、不能實驗的亞里斯多德學派科學風格，也有極其重大的突破意義。

愛因斯坦評價，伽利略開創的科學方法是人類思想史上最偉大的成就之一，用實驗和論證徹底代替了直覺，標誌著物理學真正的開端。

第二次飛躍

太陽系不是宇宙的中心

荷蘭天文學家卡普坦測量了45萬顆恆星的距離——他假定所有恆星的絕對亮度都一樣，並通過觀測的亮度推導恆星的距離。

結果，他發現從地球上觀測到的恆星，分布並不均勻，有些方向上多、有些方向上少，這意味著我們並不處於宇宙的中心。

同時，他也發現一定距離之外，就不再有恆星，由此確定了銀河系的規模。

美國天文學家沙普利，也做了類似測量。他的測量基礎比卡普坦的假定好一些，建立在69個當時已知的球狀星團中，而結果是類似的——我們太陽系不在宇宙的中心，而宇宙也存在一個邊界和規模。

第三次飛躍

銀河系不是整個宇宙

這是通過哈勃望遠鏡拍到的一張照片。點狀的東西，是恆星，這沒有異議。但除此之外，那些模模糊糊的雲狀物體，到底是什麼？

如果這些雲在銀河系內，那麼這些雲延伸到哪裡，銀河系的邊界就大致到哪。如果這些雲在銀河系外，那麼銀河系就不是整個宇宙，而宇宙會非常之大。

最後，這問題是靠哈勃解決。他通過仔細觀察這些星雲，並提升解析度越看越請，發現這些星雲實際上和星系無異，只不過是形態不同、距離很遠，並做了分類，這一套分類（哈勃系列）我們至今仍然沿用。

觀察結果也讓人們意識到，銀河系並非整個宇宙，只是宇宙中很小的一部分。而人類在宇宙當中的地位，就顯得越來越不特殊，也不重要了。

第四次飛躍

宇宙是膨脹的

根據哈勃的觀測，什麼時候觀測星系都處於不變的狀態，而且在大尺度上各方位的分布也是均勻的，我們不難推測得到這樣的結論——宇宙是無限的、永恆的。

然而，這結論和古老的奧伯斯佯謬產生了矛盾。即如果宇宙無限大，那麼我們在地球上接收來自於各方位無數天體的光，加起來就是無限大，那麼我們應該會被亮瞎眼。

這顯然不符合現實觀察。那麼矛盾出在哪裡？這個矛盾，既由哈勃的觀測產生，也由哈勃的觀測解決。

1929年，哈勃發現了哈勃定律——星系相對於我們，一直在後退，離我們越遠，後退速度越大。

可見，宇宙在膨脹。那麼倒推回去，宇宙必然有個起源。既然有起源，那麼宇宙的壽命必然有限。既然壽命有限，我們接收到的這些天體的光也就必然有限。有限的時間之內，光線傳輸需要時間，所以我們只能接收到有限的天體的光。如此，矛盾迎刃而解了。

第五次飛躍

宇宙大爆炸產生了宇宙

哈勃定律表明：宇宙有起源。但起源是什麼，依然成謎。

1965年，美國兩位射電工程師彭基亞斯和威爾遜，通過當時通訊用的天線，無意發現了一種四面八方的信號。最初以為是噪聲，花了各種方法去噪，一度以為天線挨了鳥糞而清理了一遍，但沒有用。

考慮到當時已知的天體也產生信號，他們接著再把這些信號去除後，信號依舊。最後，他們明白，這是宇宙背景裡四方八面的微波輻射信號。

在當時，已經有人提出了宇宙大爆炸的理論——爆炸之後的膨脹過程中，宇宙逐漸冷卻，一直到現在非常低的溫度，進而產生了這微波背景輻射。

兩人的發現確立了哈勃膨脹是由宇宙大爆炸的結果，並於1978年獲得諾貝爾物理學獎。

第六次飛躍

宇宙加速膨脹

由於宇宙大尺度上只有引力，那麼宇宙大爆炸以後，在引力的作用下，膨脹只能就逐漸減速。那麼。天文學家的任務就變成測量宇宙膨脹的減速參數。

意想不到的是，1988年，三位年輕的天文學家普爾穆特、賴斯和施密特測量發現，遙遠的宇宙天體膨脹確實在減速，但靠近我們的那些天體，膨脹速度卻是正在加速。

換句話說，宇宙早期膨脹之後，是先經歷了一段減速，接著轉向加速。

但如果只有引力，膨脹只會減速，最後不膨脹、塌縮，為什麼會加速？所以，人們認為存在一種未知的暗能量，使得天體之間同時存在相互排斥力——只不過早期宇宙密度大，引力更關鍵，而今天宇宙密度低了，排斥力反超了引力，使得宇宙膨脹從減速轉向加速。

至今，我們認識的宇宙，起源於大爆炸，之後先減速、後加速；成分上，4%由正常物質組成，其餘則是暗物質和暗能量。

暗物質和暗能量是目前籠罩現代物理學和天文學上空的「兩朵烏雲」，任何突破，將可能帶來一次新的物理學革命。

第七次飛躍

可能存在其它世界和文明

為什麼要研究其他的地方呢？其實有一個非常重要的問題。

關於地球生命的起源，至今仍然是未知。地球上的生命起源於海洋，但這些生命的源頭又在哪裡？或許是地球，或許是太陽系其他行星，甚至其他星系。

1992年，科學家在一顆脈衝星周圍，發現了太陽系外的第一個行星，不過那是一個中子星，但因為環境太惡劣，所以不可能存在生命。

1995年，在飛馬座51附近，天文學家發現了類似太陽系的行星系統。

目前，在太陽系外3000多個恆星周圍，共發現了4000多個行星。而且當中有一些居於宜居帶，行星和恆星的距離不近不遠，來自恆星的輻射能量恰到好處，類似於地球，所以上面有可能有生命。

但到目前為止，地球以外的其他生命還沒發現。

※高小山※：

對於是否地外生命這個話題，歡迎在文末互動區留言或者發問，可能下次課程中，張雙南教授會就你的問題進行探討~