《咖啡杯里的宇宙:天文學史話》 [西]喬迪·佩雷拉 著 王明君 譯 北京時代華文書局
索爾茲伯里平原上的巨石陣
三萬年前的仰望
11月30日,神舟十五號乘組順利入駐中國空間站,與神舟十四號乘組勝利“會師”太空。這是中國載人航天的歷史性時刻,首次實現了6名航天員同時在軌飛行的新突破。
中國人對頭頂這片天的興趣由來已久。從公元前240年開始,哈雷彗星29次接近地球,而在過去2200年的中國古代歷史文獻中,對這29次哈雷彗星的記載居然一次都沒有少;敦煌卷軸中,記錄著世界上現存的最古老的恒星星圖;1276年郭守敬就能將回歸年的長度精確測量出來(365.2425天),與現代結果相比僅有23秒的誤差……
實際上,對天空的關注似乎是人類的一種本能。早在公元前3.75萬年到公元前3.5萬年之間,人類已經開始對頭頂上持續循環移動的光源感興趣了。
在非洲大陸的一個古老洞穴中,人們曾發現一塊狒狒腓骨。這塊狒狒腓骨上有29個平行標記,與月球運行周期的天數相對應。可以肯定的是,這些痕跡是人為留下的,而非自然生長在狒狒腓骨上,其時間距今超過3.5萬年。
無獨有偶,在德國奧赫谷,人們發現了一塊具有3.25萬年歷史的象牙板。在板子的一側,是人們已發現的最早具有星座含義的符號,有確切證據表明該星座是獵戶座。象牙板另一側則有86道凹槽刻痕。“86”是一個奇特的數字,因為用一年的天數減去86,恰好對應人類懷孕的平均周期。另外,獵戶座最明亮的紅巨星參宿四(又稱獵戶座α星),一年在地球上空出現的天數也是86天。史前人類很可能基于這樣的一個對星象觀測的巧合,將人類的繁衍與某種超自然的現象聯系起來。
此外,人們在法國多爾多涅發現了一塊公元前2.8萬年的骨板,它也是諸多例證中的一個。上面的凹槽痕跡表明,那時的人類不僅試圖以此代表月亮運行的各個階段,還試圖記錄在29天半的周期內,月亮在天空中的運行軌跡。
這些發現表明,自歷史初級階段開始,人類已經能夠利用天空中周期性的變化和規律性的事物來計算時間。雖然這種方法是以日、月來計時,不如分秒那樣精確,但總是聊勝于無。學者們相信,史前時期的人類在3萬年間里,一直沿用此歷法。
當然,更神秘的是一些體量巨大的史前遺址,比如屹立在英國倫敦西南100多公里的索爾茲伯里平原上的巨石陣。它的主體由幾十塊巨大的石柱組成,這些石柱排成幾個完整的同心圓,巨石陣的外圍是直徑約90米的環形土溝與土崗,內側緊挨著的是56個圓形坑。神奇的是,它的主軸線、通往石柱的古道和夏至日早晨初升的太陽,在同一條線上;另外,其中還有兩塊石頭的連線指向冬至日落的方向。
2008年3月至4月,英國考古學家研究發現,巨石陣的準確建造年代距今已經有4300年,即建于公元前2300年左右。然而,它并不是一次性建造完成的,而是經過1500年的一次次改建,才形成我們今天所熟知的這個標志性石柱建筑群。
從設計上,我們也能看到先民用幾噸巨石來建造計時系統所付出的努力,從而進一步感受到人類在記錄天體運行軌跡這件事情上認真嚴肅的態度。
基礎科學的引擎
毫無疑問,天文學在人類早期文明中占有非常重要的地位。古時候,人們通過肉眼觀察太陽、月亮、星星來確定時間和方向,制定歷法,指導農業生產,這是天體測量學最早的開端。
在此基礎上,又誕生了占星術,即通過天體的運行來占卜兇吉禍福,預測自然災害、戰爭的輸贏和個人的命運,影響著神學和哲學的發展。2世紀時,古希臘天文學家托勒密提出了地心說,認為宇宙中的天體,包括太陽,圍繞著地球運轉。這一學說受到了教會的歡迎,統治了西方社會對宇宙的認識長達一千多年。直至16世紀,波蘭天文學家哥白尼提出了日心說。
不同于物理學家、生物學家、化學家等,可以通過做實驗研究相關課題,觀測是天文學家最重要的研究手段,觀測設備的進步至關重要。1610年,意大利天文學家伽利略首次將望遠鏡用于天文觀測,觀察到了太陽黑子、月球表面、行星的盈虧,以及木星的四顆衛星。19世紀中葉天體攝影和分光技術的發明,使天文學家可以進一步深入地研究天體的物理性質、化學組成、運動狀態和演化規律,從而產生了天體物理學。20世紀第二次世界大戰結束以后,射電望遠鏡開始廣泛應用于天文觀測,開啟了除可見光外電磁波譜的一個新窗口,并在60年代取得了“天文學四大發現”(微波背景輻射、脈沖星、類星體和星際有機分子)的新成就。
在此基礎上,空間天文學得到了迅速發展,人類可以突破地球大氣層的阻隔,到地球以外觀測天體的紫外線、紅外線、X射線、γ射線等波段。新技術促使地面上的望遠鏡口徑和分辨率不斷提高,這些望遠鏡與空間天文衛星一道,積累了大量的觀測資料,科學家得以發現了活動星系核、伽瑪射線暴、X射線雙星、引力透鏡、暗物質與暗能量等一大批新的現象和天體。
《咖啡杯里的宇宙》是一部通俗版的天文學編年史。它從史前人類對宇宙的理解一直寫到宇宙大爆炸理論,其中既有古埃及、古巴比倫、古希臘等文明古國的人們探索宇宙的歷程,也有伽利略、牛頓和愛因斯坦等科學家的劃時代發現,還有自文藝復興時期以來,人類對地球、彗星、太陽系、宇宙中心等天體的探索所積累的豐富知識,以及諸如光速、引力、裂變等宇宙現象給人類帶來的影響。
從中我們可以看到,天文學是基礎科學發展的引擎之一,所關注的是最具有前瞻性的問題,這些問題的提出和解決,對自然科學基本理論的研究有著非常重要的作用。往遠里說,太陽系天體運動的研究直接導致牛頓力學系統的建立,并隨之引發第一次科技革命。往近里說,暗物質和暗能量的存在都是在天文學觀測中被發現,黑洞的研究則是量子引力論最核心的問題。這些問題一旦未來被解決,將極大推動自然科學基礎理論,而基礎理論的進步又是人類科技水平進步的必要條件。
答案引發新問題
對于普通人來說,天文學是最容易入門的學科,抬頭望望就能有所收獲。不過,《咖啡杯里的宇宙》直言,除了運用自己的眼睛可以去觀察的部分,天文學也是最難以研究的領域之一。
從古希臘人開始思索控制周圍事物運行的自然法則開始,人類對自然界的理解已經取得了長足的進步。我們開始對客觀事實進行分析,不再執著于臆想。如今,我們仍沿用古代第一批自然哲學家探索世界奧秘的方法:首先根據已經觀察到的現象建立一個最為合適的模型,在其后的觀測過程中逐步探究該模型是否真正貼合現實。當然,在研究的道路上,人們會提出許多錯誤的模型。
喬迪·佩雷拉認為,人們在20世紀已經找到了關于宇宙本質問題的大部分答案,然而,每一個答案都會引發新的問題。
一個例證是,我們已經發現宇宙正在膨脹,這在一定程度上幫助人們了解它的起源。然而,通過望遠鏡在宇宙中觀測到的部分,在全部擴張物質中的占比僅為5%,那么剩余95%的物質在哪里?在發現這些缺失了的物質以前,科學家們只能暫時稱其為暗物質,因為它們還沒被觀察到,并非一種新物質。
關于暗物質對于人類不可見的原因,有不同種類的解釋。如它們的溫度過低,或距離地球太遠了,導致我們無法對其進行觀察;抑或它們所發散出的波不是可見光,而是其他波長的光線,如棕矮星,行星、星系之間的氣體或白矮星。這些看似“缺失了”的質量,還可能是來自某種幾乎不與其他物質相互作用的粒子,因為它們實在太微小了,如中微子。現在,每1秒鐘就有大約10億個中微子從人們的手掌心穿過。
另一個例證是,科學家們發現那些體量巨大的恒星,會通過爆炸形成一個黑洞來終結生命。但是,在這些物質排列極其密集、緊湊的物體中到底發生著什么?它們又是由什么組成的?這些問題至今還沒有答案。
我們知道的是,黑洞的引力場非常劇烈并且快速變化。任何掉進黑洞的物體都會像意大利面一樣被黑洞的巨大引力拉伸,被撕扯成細細的一條物質。也就是說,任何物質或者任何人都無法在黑洞中幸存,通訊更是成為一種不可能。黑洞的這些知識,已成為好萊塢電影的經典鏡頭,留給人們深刻的印象。
天文學的進步不僅幫助人類理解了地球之外的事物,也在影響著我們對自身存在的看法。在這個過程中,人們對自身在宇宙中所處的位置及形態的認知發生了巨大的變化。我們不再認為自己生活在一個被圓頂一般的天空所包圍的平坦表面之上,也不會認為天空在圍繞著我們旋轉。更重要的是,人并非宇宙萬物之主。
《咖啡杯里的宇宙》認為,天文學教會了我們面對宇宙要更加謙卑,因為就在幾個世紀以前,人類還認為自己就是萬物的中心,一切事物的出現都是為了服務于自身。到目前為止,已經被人們發現的圍繞其他恒星公轉的行星有近2000顆,其中有30顆星體可能適宜人類居住……不過,我們對其他行星的檢測技術還處于初級階段,而且上述恒星也都在銀河系范圍之內。那么,銀河系之外到底有多少顆可能適宜人們居住的行星呢?天文學家只能做一個估算,就算是這樣,也要以數百億計。
無論如何,關于天文學還有太多的謎題等著我們去解答,這是一件令人興奮的事情。
史前的人類守在洞穴中的火堆旁邊,一邊談論剛剛捉到的野兔,一邊仰望夜空,在巖壁上畫出星星的輪廓……這就是天文學的最初雛形。《咖啡杯里的宇宙:天文學史話》是西班牙科普作家喬迪·佩雷拉的作品,該書追隨人類探索浩瀚宇宙的腳步,用幽默風趣的語言,幫助讀者了解人類所發現的宇宙之謎。天文學的魅力,正在于能讓世人更加熱愛我們的星球,對各種事物都充滿興趣和熱情。
