人類對宇宙的認識已經到達我們幾乎什么都懂的地步。早在公元前700年亞述人就已經注意到，除了明顯的季節規律外，行星看上去在以某種復雜的、隱隱約約的規律運動著，日食只在新月時發生，月食只在滿月時出現。這些觀察給了古人關于宇宙結構的什么啟示呢?
公元前250年左右，希臘自然哲學家薩摩斯島的阿里斯塔克斯算出了月亮的距離和其大小。他提出確定太陽距離的方法，但是他只能得出：太陽比月亮距離我們遠得多并且比地球大得多。這讓他比哥白尼早18個世紀提出了地球繞著太陽轉動的假說[1]。
阿里斯塔克斯的理論在很大程度上被抹殺了，尤其是被亞歷山大的托勒密。托勒密的《天文學大成》，出版于公元150年左右，主導了西方天文學思想將近1500年。托勒密認為地球不可能自轉，自轉會把任何沒有牢靠附著地球表面的物體甩出去，并且“動物和其他重物會懸在空中”。此外，地球的自轉快得會讓人們“看不到向東移動的云”[2]。
這在今天聽起來很離奇，但并非不合邏輯。托勒密是偉大的科學家。然而，天體物理學給我們的第一個教訓就是每種宇宙現象是由一些互相競爭的效應——在這里就是引力、離心力和摩擦力，所支配的。除非我們知道它們各自的量級，否則我們很可能會得出錯誤的結論。
觀測者
當哥白尼在1543年重新提出日心說時，他給不出任何觀測性的驗證。最終，問題在第谷•布拉赫(1546–1601)那里得以解決，他是望遠鏡出現之前最偉大的觀測家。第谷建造了在當時最為精密的天文儀器。他在20多年間收集到了當時關于行星位置的最精確、最系統的數據。
年輕的開普勒，作為當時最好的理論家，接近第谷，一心想得到這些數據。而偉大的觀測家小心翼翼地看管著這些數據以期自行推導出行星軌道。當第谷在1597年被驅逐出丹麥的島嶼天文臺并在布拉格尋求政治避難時，開普勒跟著去了。但直到第谷去世，開普勒才繼承并開始分析這些數據[3]。
當今的理論家是類似的，他們想方設法盡早看到由威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)測繪到的宇宙微波背景數據。就在幾個月前，WMAP的數據還處于禁發狀態，要等到整年觀測結果的發布[4](見《今日物理》，2003年4月，第21頁)。數據一經發布，幾天之內就有新的理論分析開始在網絡上出現。
開普勒分析了第谷的數據，得到了他的行星運動的三大定律：
行星沿橢圓軌道運動——而不是均輪和本輪.
行星在其橢圓軌道內單位時間掃過的面積相等.
行星軌道周期正比于其半長軸的3/2次方.
最后一條是天文學中兩個觀測量之間的第一個定量關系。它本身引出一個好的問題：為什么開普勒第三定律成立?
隨著1609年伽利略小型天文望遠鏡(spyglass)的問世(telescope一詞在次年才被創造出來)，伽利略很快發現了一系列不同尋常的新現象：月球上的山脈，環木衛星，和金星的月相。對伽利略來說，這三個觀測結果意味著地球就是一個行星，所有行星都繞太陽轉動。也就是說，這確立了哥白尼的理論。然而教會禁止伽利略講授這一理論，并最終將他軟禁起來直到1642年他去世。
為什么直到17世紀才出現開普勒和伽利略的偉大發現?時至今日，答案是清楚的。第谷的精密儀器和1608年發明于荷蘭并在一年后由伽利略改良并指向天空的小型望遠鏡，得到了之前根本得不到的觀測數據。
盡管第谷的儀器收集到了有史以來最好的位置數據，但它仍然受限于肉眼能力，肉眼是無法分辨木星衛星的。伽利略的望遠鏡在角分辨率和聚光能力上都取得了突破，現代天文學家在建造越來越大的望遠鏡和干涉儀時仍是這一路數。
儀器及其成果的簡史說明了新儀器促進天文發現的能力[5](另見作者在《今日物理》上的文章，1981年11月，第172頁)。從射電能區到最高伽馬射線能量，第谷對這樣巨大的波長范圍一無所知。他只能依靠自己的眼睛，而眼睛只可能看見電磁頻譜中極小的可視部分。肉眼的聚光孔徑只有幾毫米，分辨率也只有大約一角分。
伽利略的望遠鏡在聚光能力和角分辨率上都提高了大約一個數量級。到20世紀初，望遠鏡有了比過去好得多的分辨率和大得多的孔徑，但它們仍局限在可見光譜范圍內。而后，第二次世界大戰期間雷達和火箭的發展為天文學家打開了射電和紫外能區。為了探測紫外輻射，要用火箭把望遠鏡帶到大氣層以上。到二十世紀中葉，人們已經進軍近紅外能區。
五十年后的今天，我們能夠利用幾乎所有具有天體物理學意義的電磁譜域。圖1表明自第二次世界大戰開始以來，在角分辨率方面取得的進展，我們看到分辨率在所有波長上都在穩步提升。但發展并不均勻，說明仍有很大提高空間。
圖 1：20世紀天文儀器角度分辨率(相隔20年)的增長與相應波長的關系圖。圖中標記的關鍵發現向我們表明，每當必需的儀器出現后，新的現象能很快地被人們發現。波長軸的兩端分別對應星際電離氣體的吸收和宇宙微波背景光子導致的正負電子對的產生。斜的邊界標志著地球和太陽系尺寸給出的干涉基線限制。弧度的角分辨率可以分辨出在銀河系遠端的一個3千米大小(太陽的施瓦西半徑)的物體。
該圖中還顯示了新的天體類別——類星體、X射線和紅外恒星、宇宙微波背景、視超光速射電源，和星系合并——它們是通過在不同波長下的提高的角分辨率來被揭示的。它們中的大多數都是作為巨大的驚喜出現的，這表明理論預測和科學發現幾乎無關。真正關鍵的是強大的新觀測工具的使用。
然而僅僅提高角分辨率是不夠的。正如圖2所表明的，天文學家還需要更好的計時能力來探測諸如緩慢膨脹的超新星遺跡、恒星中的快速耀斑、毫秒脈沖星、伽馬射線爆、黑洞周圍吸積盤的準周期X射線發射，和快速X射線重復爆。
圖 2：時間分辨率的提高對于瞬時性和間歇性變化現象的發現是十分重要的。與圖1格式相同。
還有一些現象的發現需要高的光譜分辨率，如圖3所示。其中包括脈澤、磁星和精細的周期性多普勒頻移，后者揭示了恒星被軌道行星拖拽的情況。極化測量能力也起重要作用。
圖 3：精細的光譜分辨率，幾乎就在熱運動和固有線寬所給出的極限處，使得發現例如由于類木行星的周期性拖拽而導致恒星的精細多普勒頻移成為可能。與圖1、圖2格式相同。
沒有強大的新測量儀器，就不會有圖中高光顯示的那些發現。許多儀器原本并不是為天文學設計的;他們大多是軍方傳過來的。這不重要，對發現來說重要的是儀器的威力——采用可用的最好工具。
理論家
那么關于理解呢?如果你不理解正在發生的物理過程，發現類星體或者伽馬射線爆又能怎么樣呢?真正天體物理學的理解，需要一套完全不同的工具：理論的工具。
牛頓關于運動定律和萬有引力定律的發現與開普勒和伽利略的發現有所不同。牛頓不僅考慮了開普勒定律和伽利略的天文學觀測，還考慮了伽利略對拋體和落體的研究。他設想這些全部是以某種方式互相關聯著的。為了統一天上和地上的現象，他必須使用新的理論的工具。牛頓在年青時發明了微積分，現在他用微積分證明了開普勒定律和衛星的運動可以用引力的平方反比來解釋。
但牛頓不是唯一一個猜想到平方反比定律的人。他的英國同儕羅伯特·胡克，如今因其對彈力的研究而聞名于世，獨立提出平方反比定律可以解釋行星的軌道運動。但是胡克僅能證明這樣的定律適用于沿圓周軌道運動的行星。他缺少那種使牛頓工作具有極大普遍性的理論工具——萬有引力定律，不僅成立于圓形軌道，也適用于行星和衛星的橢圓軌道、彗星的近拋物線軌道，還適用于炮彈的彈道[6]。
有平方反比力的想法與擁有能夠定量地、令人信服地證明平方反比的正確性的理論工具之間有本質區別。我提到這一點是因為科學史經常暗示偉大想法的重要性。這一觀念需要被審慎地加以考量。在天體物理學中，一直有新想法出現。當然，想法是必需的。但是在天文學發展的緊要關頭，通常會有過多的關于如何前進的想法。各種想法的支持者激烈地辯論著，大多并沒有明確的結果。通常只有在新的理論工具出現之后才能獲得解決方案，這些工具可以霍然導致新的理解，讓停滯的領域重新運轉起來。
阿里斯塔克斯和哥白尼通常被認為是日心說的創始人。但是他們都沒能讓同時代的人們相信其正確性，也沒能做出定量預測用以證明其觀點優于主流常識。
日心說的令人信服的證據來自于如下：(1)第谷的精密儀器和艱辛測量;(2)伽利略的望遠鏡，它給出更為清晰的行星、衛星和更遠的恒星世界的景象;(3)牛頓力學，它才使得愛德蒙·哈雷預言以其名字命名的彗星將在1759年再次出現。哈雷彗星精確地如期而返，引起轟動!這一預言式的杰作令人信服地表明不僅行星，就連彗星也遵循牛頓的普適運動定律。
隧穿營救
現在讓我們直接跳到20世紀，看看現在的恒星能量來源的觀念是怎樣得到的。19世紀末，在試圖理解是什么讓太陽和其他恒星發光時曾經出現過一場危機。引力收縮和化學能明顯不足以讓太陽在像地球年齡這樣長的時間內一直保持發光。
從放射性衰變到各種各樣的核反應，各種想法層出不窮。但亞瑟· 愛丁頓基于流體靜力學得到結論，恒星中心的溫度大約在4千萬開爾文度量級上。這還不到4千電子伏，被認為遠低于核反應發生所需要的溫度。
后來在1928年，年青的物理學家羅伯特· 阿特金森(Robert Atkinson)和弗里茨·豪特曼斯(Fritz Houtermans)對伽莫夫當時剛提出的量子隧穿的概念產生興趣。阿特金森和豪特曼斯指出，質子和電子可能在遠低于躍過庫侖勢壘所需的溫度下通過隧穿進入原子核[7]。他們設想，一連串的四個質子和兩個電子可以穿透氦-4原子核，形成不穩定的鈹-8，然后它會衰變成兩個氦核。這樣一來，氦作為催化劑，將氫轉化為氦產生核能。這個想法沒有專門的定量計算的支持，很大程度上被忽視了。(見Iosef Khriplovich在《今日物理》，1992年7月，第29頁上發表的關于豪特曼斯的文章。)
多產的伽莫夫還有一個新奇的想法：1935年他假設在恒星中心存在高度致密、巨大的由中子構成的核心。物質從一個大得多的包層落到這個核心上，將釋放出足夠的引力勢能從而使這顆恒星能夠持續發光億萬年[8]。
圖 4：漢斯·貝特1935年訪問密歇根大學。(Courtesy AIP Emilio Segrè Visual Archives, Goudsmit collection)
到了1939年，漢斯·貝特(圖4)擁有了他能運用自如的整套核物理工具。在他的關鍵性文章《恒星內的能量產生》[9]中，貝特極具說服力地向人們證明了如下反應的重要性：
及隨后再加入兩個質子形成氦-4。他認為，這種聚變反應是像太陽這樣的低質量恒星的主要能量來源。他還為中心溫度更高的、更大質量恒星指出了催化CNO(碳氮氧)循環。貝特明白解釋恒星中產生比氦重的元素的困難，但他假設，CNO元素就是出現在這樣的更重的恒星中。他知道較輕的元素——鋰、鈹和硼 ——都會在很短的時間內燃燒殆盡。
貝特一舉讓物理和天文界相信是核反應在為恒星提供燃料。他擁有理論工具，能讓他根據主要來自核物理實驗室的數據進行定量計算。這讓一切都不同了。貝特能夠證明太陽的光度正是在太陽核心的估算溫度下核反應釋放的能量。
阿特金森在20世紀30年代中期提出的一般性想法可能是有用的。但是這些想法在細節上是錯的而且也沒有導致任何結果。伽莫夫的模型在幾十年后再次出現，基普·索恩和安娜·祖特闊夫(Anna N. ?ytkow)假設在某些演化巨星的中心存在很大的的中子核心，這些巨星現在被稱為索恩-祖特闊夫天體并且仍然處在理論研究中[10]。
在20世紀30年代中期有太多的各具優點的互相競爭的想法試圖解決恒星能量問題。這些想法都沒有取得進展。正是貝特把核物理的新理論工具帶入到這項任務中，這才理清它們的優缺點并令人信服地解決了問題。
圖 5：錢德拉斯卡于1930年代。(Photo by Dorothy Davis Locanthi, courtesy of AIP Emilio Segrè Visual Archives.)
工具至上
我們幾乎已經注意不到我們對于宇宙的完整理解都是基于愛因斯坦的廣義相對論。沒有他提供的這套理論工具，我們什么都做不了。但是愛因斯坦原來的宇宙學想法是給出一個既不膨脹也不收縮的靜止宇宙[11]。幸運的是，廣義相對論提供的工具包遠比愛因斯坦當時的宇宙圖像靈活。在表明宇宙確實在膨脹的哈勃紅移被發現后，基于廣義相對論的新宇宙模型很快就出現了。
在宇宙膨脹被發現之后，愛因斯坦旋即產生想法，廣義相對論方程中的宇宙常數Λ應該被去掉。在哈勃膨脹被發現之前，愛因斯坦原本引入了Λ用以確保方程允許靜止宇宙的解。幸運的是，如我們現在所知，理論上沒有去掉Λ的依據。最近激動人心的關于哈勃膨脹實際上是在加速的觀測告訴我們Λ又成為描述宇宙所必需的。(見 Saul Perlmutter 在《今日物理》，2003年4月，第53頁文章。)現在看來，宇宙大約70%的能量來自于尚無法解釋的“暗能量”，它們在大尺度上與引力相抗衡，和Λ非常像。另一個觀點稱這種神秘的暗能量為“精華”，它有愛因斯坦的宇宙常數所不具備的隨時間變化的特性。
盡管愛因斯坦關于靜態宇宙和宇宙常數的觀點是錯誤的，但是他所提供的工具卻是無價的。在天體物理學中還有許多其他的新的理論工具的例子，這些工具比單純的想法帶來了更深遠的長期影響。例如20世紀30年代初蘇布拉馬尼揚·錢德拉斯卡將相對論量子統計引入到恒星結構理論中，以證明不發生引力坍陷的恒星存在質量上限。(見圖5和 Kameshwar Wali，《今日物理》，1982年10月，第32頁文章)
在20世紀40年代末，伽莫夫、拉爾夫·阿爾菲(Ralph Alpher)和羅伯特·赫爾曼(Robert Herman)(圖6)將核物理和廣義相對論相結合并引入到宇宙學中用以確定在宇宙大爆炸之后的最初幾分鐘內氫、氘、氦、鋰和鈹是如何產生的，并且預測了宇宙微波和中微子背景的存在[12]。我們還沒能觀測到預期的中微子背景，但多虧了他們的工作，讓我們很好地了解了以后它被測量到時它的溫度。
圖 6：赫爾曼、伽莫夫和阿爾菲(從左到右)和他們調制的伊倫瓶(YLEM)，這是一種炫酷的原始形式的物質。今天我們稱之為夸克湯。阿爾菲和赫爾曼背地里制作了這個蒙太奇，并偷偷把它放到了伽莫夫演講用的幻燈片盒里。當它在屏幕上出現時，伽莫夫，在短暫的震驚之后，十分高興。(Courtesy of Ralph Alpher.)
我們現在在哪兒?
我開場時說我們竟然理解所有事情。幾千年來，主流假設曾是：不可理解的任意的神力掌管著宇宙。而如今科學界提出了一種截然不同的信條：我們將能通過物理定律來理解宇宙及其演化。在有文字記載的主要歷史上，我們都缺乏這種信心，為什么我們現在有了這種信心呢?我們的自信有道理嗎?
要回答第一個問題，人們可以說是成功讓我們興奮不已。自牛頓的偉大洞見伊始，這三個半世紀以來我們一直在取得穩步進展。隨著對物質結構和能量本質認知不斷提高，我們將這種縝密認知應用于尋求理解最大尺度的宇宙。
以這種速度發生著的進展可能會繼續保持下去，還是說我們將會撞到一堵無法逾越的墻?這很難說。為了衡量我們已經知道了多少以及我們將會在哪里遇到大的困難，我們可以考慮我們已經看到了宇宙的多少，其中又有多少是我們根據物理定律已經理解了的。
在觀測方面，注意在圖1-3中仍有巨大的空白區域。這一大片區域意味著我們看不到那里隱藏著的只有用更好的儀器才能發現的新現象。另外，可以對比由改進儀器帶來的發現數量和獨立的重新發現數量(通常是采用完全不同類型的儀器，通過完全出乎意料的方法)。對該對比應用泊松統計可以得出我們已經觀察到了30%或者40%的，可由光子、宇宙線、中微子和捕獲的地外物質所能最終揭示的主要天體物理現象[5]。
在理論方面，為了明白還有多少內容有待理解，考慮宇宙學參數Ωb, 即普通(重子)物質占宇宙總能量的百分比[4, 13]，它大約只有4%(見Michael Turner在《今日物理》上的專欄，2003年4月，第10頁) 。我們對宇宙的理解主要就在這4%中。另外的96%，大約73%的暗能量和23%的暗物質，本質上是未知的。4%或許是對我們已有成就的一個很好的衡量。有人可能會說：“還不錯。”其他人可能會回應：“并沒那么好。”只能拭目以待了。
接下來呢?
什么樣的工具會在接下來的幾十年中帶來令人意想不到的新結果呢?兩種新的觀測領域，中微子天文學和引力波天文學，有望揭示出真正的新現象。但也還存在一些不太知名的、在過去很大程度上被忽略的技術領域，可能會給出驚人的新見解。舉個例子，光子不僅攜帶自旋，而且還具有軌道角動量，現在人們逐漸對這一點重視起來。最近，格拉斯哥大學的一個團隊演示了一種裝置，能夠對具有不同軌道角動量的光子進行挑選[14]。維也納大學的另一個團隊指出，這樣的光子在光通訊中具有優勢[15]。
一些參與尋找地外文明的工作人員正在研究可見光的光通訊方案。這樣的方案，可以被推廣到具有軌道角動量的光子。單個光子的軌道角動量L?可以加密1+log_2 L比特的信息。這可以是節能的跨星際空間信息傳輸手段。相比之下，光子自旋角動量的兩種可能的偏振態僅能傳輸1比特的信息[16]。
或許當前宇宙學中最具前景的理論工具是膜理論中的一些發展(見Nima Arkani-Hamed，Savas Dimopoulos，和Georgi Dvali在《今日物理》，2002年2月，第35頁中的文章) 。它假定在引力和其它基本力之間存在一種本質上的差別：我們所經驗到的強相互作用和電弱相互作用都被限制在我們的膜上——也即我們的四維時空連續體，它像是一張膜嵌在一個更高維的“體”里一樣——但引力可以將我們和附近的膜連接起來。引力的特別的普適性是由于廣義相對論把引力幾何化了。這一高度推測性的理論具有一個很有趣的特點，它或許能解釋宇宙常數的低值性 [17]。
值得高興的是，該理論所做出的預測促進了小型實驗和大型加速器實驗去做檢驗(見《今日物理》，2000年9月，第22頁)。小型實驗尋找在小距離上對牛頓引力的偏離，以期測出膜之間的距離，該距離可以是毫米尺度或更小。到目前為止，這些實驗在小到十分之一毫米的距離上并沒有發現與平方反比引力有偏離[18]。
膜理論有許多不同的版本，它們為計算和預測提供了工具。當然這一大膽的想法并不足以保證成功，但在試圖解釋占宇宙96%的未知的暗物質和暗能量的過程中，它邁出令人興奮的一步。如果我們想要超越4%的理解水平，就得在我們已經知道的普通物質和輻射外尋求拓展。
此文基于2003年4月在費城美國物理學會會議上做的報告。
