《宇宙与自然篇》人类怎样认识宇宙-赵君亮

　　主讲人简介：

　　赵君亮，中科院上海天文台原台长，研究员。发表多篇天文学术著作，同时致力于天文科普事业，亦有多篇天文科普著作问世。

　　内容简介：

　　天文学是最古老的自然科学学科之一。人类正确认识宇宙以及地球在宇宙中的地位经历了漫长的过程，这一过程与历史上许多著名学者的辛勤劳动——细致的观测和深入的理论研究——是密切不可分的。早在公元前4世纪，古希腊哲学家亚里士多德就已提出了“地心说”，即认为地球位于宇宙的中心。同时早在两千多年前，古希腊天文学家阿里斯塔克就已提出了朴素的“日心说”。

　　1584年，意大利人布鲁诺明确提出宇宙是无限的，恒星都是遥远的太阳，太阳只是无数个恒星中的普通一员。1750年，英国天文学家赖特指出，银河和所有观测到的恒星构成一个巨大的扁平状天体系统，由于太阳连同地球位于这一系统的内部，从不同方向观测才看到了银河和离散分布的点点繁星。1785年，英籍德国天文学家威廉·赫歇耳建立了第一个银河系模型。1917年，美国天文学家沙普利通过对银河系内天体分布的分析，确认太阳并不位于银河系的中心，而是处于相对说来比较靠近银河系边缘的地方，从而纠正了赫歇耳银河系模型的错误。

　　这样，太阳的地位也发生了变化，从居于银河系中心的特殊恒星，降为银河系中一颗毫无特殊地位可言的普通恒星，地球在宇宙中的地位也就更无特殊性可言了。地球不是上帝刻意安排的，人类自然也不是上帝创造的。不过，就是在这样一颗行星上，人类演出了光辉灿烂的文明史，并最终正确地认识了宇宙的概貌。

　　（全文）

　　天文学是最古老的自然科学学科之一。每天太阳从东方升起，从西方落下。古人于是就有了对宇宙的朴素认识。人类正确认识宇宙以及地球在宇宙中的地位经历了漫长的过程，这一过程与历史上许多著名学者的辛勤劳动——细致的观测和深入的理论研究——是密切不可分的。

　　早在公元前4世纪，古希腊哲学家亚里士多德就已提出了“地心说”，即认为地球位于宇宙的中心。公元140年，古希腊天文学家托勒密发表了他的13卷巨著《天文学大成》，在总结前人工作的基础上系统地确立了地心说。根据这一学说，地为球形，且居于宇宙中心，静止不动，其他天体都绕着地球转动。这一学说从表观上解释了日月星辰每天东升西落、周而复始的现象，又符合上帝创造人类、地球必然在宇宙中居有至高无上地位的宗教教义，因而流传时间长达1300余年。早在两千多年前，古希腊天文学家阿里斯塔克就已提出了朴素的“日心说”。他指出，太阳位于宇宙中心静止不动，地球则绕着太阳运动，同时又绕轴自转。可惜由于科学水平的限制，这一天才的思想未能为人们所认识。直到中世纪末，由于用托勒密地心体系推算出来的行星位置与实际天象的观测结果不符，人们才开始怀疑地心说的正确性。

　　1543年，波兰天文学家哥白尼在他的不朽《天体运行论》中系统地提出了日心说。在他阐释的日心体系中，太阳居于宇宙的中心，地球和其他行星沿着圆形轨道绕太阳运行。这样一来，托勒密地心体系中需要用极为复杂的运动图像来解释行星运动天象的烦琐的工作一下子变得十分简单。后来，德国天文学家开普勒指出，行星绕太阳运动的轨道应该是椭圆而不是圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。这一重大发展使得观测结果完全可以用理论来加以解释和预报，日心说的地位进一步得以巩固。 按照日心学说，就地球上的人来看，天上恒星的位置应随着地球绕太阳运动而发生变化。在哥白尼提出日心说后的近300年中，人们进行了大量的观测，企图证明这一点，可是始终没有成功。原来，恒星离开地球十分遥远，最近的一颗也远达43万亿千米。因此，地球围绕太阳运行造成的这颗恒星的位置变化只有12.5。恒星越远，这一变化也越小，当时的观测仪器是无法探测到的。直到1838年，德国天文学家白塞尔才首次利用三角方法测出一颗名为天鹅61的恒星的位置变化，并推算出它的距离为11.2光年，从而最终证实了哥白尼的日心地动学说。

　　地球的地位从居宇宙之中的特殊天体降为绕太阳运动的一颗普通行星。1608年，荷兰人李波尔赛在一次偶然的机会中发明了望远镜。翌年，意大利物理学家、天文学家伽利略在得知这一消息后，立刻亲自动手制作了第一架天文望远镜，并不断加以改进。伽利略利用他的望远镜发现了月球表面的环形山、金星月相、木星的卫星、太阳黑子，发现了茫茫银河由无数个恒星所组成。早在15世纪中叶，德国大主教尼古拉就已猜测黑夜天穹中的恒星都是一个个十分遥远的太阳。1584年，意大利人布鲁诺明确提出宇宙是无限的，恒星都是遥远的太阳，太阳只是无数个恒星中的普通一员。1750年，英国天文学家赖特指出，银河和所有观测到的恒星构成一个巨大的扁平状天体系统，由于太阳连同地球位于这一系统的内部，从不同方向观测才看到了银河和离散分布的点点繁星。1785年，英籍德国天文学家威廉·赫歇耳利用他自制的当时世界上最大的46厘米望远镜，通过长期的实际观测，并经过精心的分析研究，建立了第一个银河系模型。在这一模型中，太阳仍然位于当时人们所认识的宇宙范围——银河系的中心。由于赫歇耳个人在当时的威望，这一观念一直维持了130余年之久。恒星这一名称，无论在中国还是在西欧，它的含义都是“恒定不动的星体”。因为在很长时间内人们都发现恒星间现对位置固定不动，故而取了这么个名字。1718年，英国天文学家哈雷通过观测和分析，首次指出恒星不动的概念是错误的。后来，赫歇耳正确地认识到，我们所观测到的恒星运动是由恒星自身的运动和太阳的空间运动两部分合成的结果。1783年，他通过对所观测到的大量恒星运动的统计分析，发现太阳以大约每秒20千米的速度朝着织女星方向运动。太阳空间运动的发现彻底动摇了哥白尼日心体系中太阳固定不动的观念。1917年，美国天文学家沙普利通过对银河系内天体分布的分析，确认太阳并不位于银河系的中心，而是处于相对说来比较靠近银河系边缘的地方，从而纠正了赫歇耳银河系模型的错误。这样，太阳的地位也发生了变化，从居于银河系中心的特殊恒星，降为银河系中一颗毫无特殊地位可言的普通恒星，地球在宇宙中的地位也就更无特殊性可言了。银河系是否已经包括了宇宙的全部内容呢？早在赫歇耳尝试确定银河系结构之前，人们就已观测到天空中除恒星外还存在着一些暗弱而又模糊的云雾状天体，取名为“星云”。比如，1612年德国天文学家马里乌斯率先用望远镜发现了仙女大星云。1750年赖特天才地猜想，这类星云中有一些可能是同银河系相似的巨大恒星系统。1755年德国人康德首次明确提出在银河系外的宇宙空间中存在着无数个类似的天体系统，称为河外星系，或简称星系，甚至确指仙女大星云即是一个很好的例子。可是当时人们对星云的精细结构缺乏了解，更不知道它们的距离，无从妄下断语。因为尽管在赫歇耳时代之后，观测手段不断改进，物理学研究方法不断介入天文学，但直到20世纪初，关于星云的本质仍然没有明确的定论。但是康德的猜想可以说是一个天才的猜想，这是天文学上三个天才的猜想之一。

　　第一个是亚里士多德，他猜想地球绕太阳转。第二是布鲁诺，他猜想天上的星云都是“太阳”。第三个猜想就是康德，他猜想在银河系外，有很多很多和银河系同样大小或者差不多大小的河外星系。下面我会给大家看仙女星云，这个星云实际上如果你知道它的确切位置，人的眼睛勉强可以看到的，就是正常1.5的眼睛。他说这个不是星云，那么星云什么样呢？这个给大家看两个星云：这是一个叫蟹状星云，一千多年前一次恒星死亡前的爆炸到现在就成这个模样很漂亮的一个星云。那个是个马头星云，这里是个暗星云，这是真正的星云。那么当时赫歇耳是权威，而且他手头当时有世界上最大的望远镜。他说你们也不要吵了，这个星云到底是星云还是星系？我的望远镜来看，我的望远镜能够把星云看成一颗一颗恒星，伽利略看银河系不是这样看的吗？我如果把星云分成一颗一颗恒星，那么这个星云就是星系。对不对？如果这个星云看来看去，不能够分解成一颗一颗恒星，那么这个康德这个观点不能成立。然后赫歇耳就看，看到后来他自己也糊涂了。这是什么意思呢？有一些星云的确他分解很清楚了，但是有一些星云他又没有办法把它分解成恒星。实际上他没有办法分解为恒星的是一些真正的星云在银河系里面的，而给它分解成恒星的呢也不是星系，是银河系里面的一些星团。那么他就搞糊涂了，所以他一会儿说河外星系有，一会儿又说河外星系没有。那么别人就跟着这个大权威在那儿倒来倒去，所以这个问题就没解决。

　　这个事情一直闹到二十世纪初，1920年4月份美国科学院专门举办了一次讨论会，这个星云的本质到底是什么？这个讨论会一个专门的名字叫“宇宙的尺度”，这是天文学史上有名的叫做沙普利-柯蒂斯之争。这两个人好像吵架一样，沙普利倒是证明了太阳不在银河系的中心，就是他。但在这件事情上他的观点是不对的，他坚持没有河外星系。那么柯蒂斯他认为有河外星系，这实际上争论到最后，这个会是没结果的。为什么没结果呢？就是不知道仙女星云的距离，银河系的尺度是十万光年，如果仙女星云离开我们是一百万光年，那就在里面。如果仙女星云离开我们一千光年，那就在银河系外面。那么这个问题当时就没办法解决，这个测定天体的距离，是天文学上非常头痛非常困难的一件事情，那么就是靠了望远镜这场争论就解决了。这个功劳归功于大家知道是哈勃，有个哈勃空间望远镜，就纪念这个哈勃。1923年10月6日，这个哈勃利用当时世界上最大的2.5米的望远镜就观测争论不休的那个仙女星云，结果发现了就把仙女星云边缘的一颗一颗星分开来，它的分辨本领起作用，然后又发现了里面的造父变星，然后利用造父变星的观测推算出这个仙女星云离开我们是225万光年，那么这个距离远远在银河系以外，所以仙女星云现在我们就叫仙女星系了，你不能叫它仙女星云了，那么这场争论就到1923年结束，这个仙女星系就是这个样子的，大体和我们银河系的样子差不多，但是比我们银河系大，你看它这个像个漩涡星系，那么哈勃观测的就是这种边上的星，这团还是看不出，密密麻麻的星都在里面。刚才我不是讲了，康德说有各种各样河外星系吗？现在天文学家就拍到各种各样的河外星系，这就是一些河外星系照片，这个小的星系给大的星系甩出去的。这个都离开我们很远很远，每一个这样的系统里面，就有几百、几千亿恒星，非常远！有的星系还把东西抛出去，这都是天文学上需要研究的问题。

　　那么我们如果总结一下哥白尼他正确地认识太阳系，赫歇耳把我们带入恒星世界，就是扩大到银河系，哈勃使我们进入了星系世界。那么现在同样地通过理论计算知道，宇宙中间各种各样星系的数目大概有一千亿，这个数字好像很巧，银河系里面的恒星数目有一千亿个，这个宇宙中间的星系数目一千亿个，最远的离开我们大概是150亿光年不到一点。那么这些星系或者说恒星集团，它又构成更大的集团——星系团。星系团还会构成更大更大的集团——就是超星系团。所以我们把恒星构成星系，星系构成星系团、超星系团，这个现象成为宇宙的成团结构。宇宙中间大概有85％的星系都构成各种各样的星系团，这里是张星系团的照片，请大家注意，除了这个以外，其他都是星系。就是这颗是银河系中间暗的恒星，你们看看这个地方，你看这一个叫漩涡星系，像水里面的漩涡一样。仔细看，看得出来，这个还有一点小的漩涡，这都是星系，这就是一个离开我们比较近的一个星系团。

　　那么天文学家始终为测定不同天体的距离而进行不懈的努力。除了三角测量方法外，又发展了由光度测量确定天体距离的各种办法，其中之一就是利用一种有特殊光度变化特性的变星——造父变星。原来，造父变星光度的变化十分有规则，而且光度越大光变周期也越长。因此，只要测出造父变星的光变周期，就可以推算出它的实际光度，再把实际光度与观测到的亮度进行比较，就可以推算出它的距离来了。这种推算相当准确，因而造父变星有“量天尺”之称。20世纪初，美国威尔逊山天文台建成了当时世界上最大口径的2.5米天文望远镜。1923年10月6日，美国天文学家哈勃利用这台望远镜拍摄了仙女星云的照片，照片上星云的外缘已被分解成一颗颗恒星。哈勃从中发现了多颗这类变星。利用这些造父变星，哈勃推算出仙女星云的距离为225万光年，远远超出银河系范围。河外星系的存在最终得以确认。人类对宇宙的认识又大大地跨进了一步。我们的地球在宇宙之中毫无特殊之处可言，地球不是上帝刻意安排的，人类自然也不是上帝创造的。不过，就是在这样一颗行星上，人类演出了光辉灿烂的文明史，并最终正确地认识了宇宙的概貌。好了！

　　作为今天这个报告的结束，我们前面讲了人类怎样认识宇宙的三个主要里程碑：地心说到日心说、日心说到银河系、银河系到河外星系。那么我们来看看我们这个宇宙到底整体是个什么模样？它将来会向何处去？这就是宇宙学研究的内容。它从总体上整体角度探讨宇宙的结构和演化，那么这个历史过程很长，我讲了几个主要的阶段性，那么印度人又说大地是在几头大象上，大象在乌龟上，乌龟在海里游。古人都有各种各样的想法，那么到了十七世纪牛顿开始利用力学方法来研究宇宙，这个就是经典宇宙学。在牛顿时代这个时间和空间是分开的，时间和空间是没有关系的。到了二十世纪初，爱因斯坦发现了广义相对论，他开始用广义相对论来研究宇宙学。这就开创了现代宇宙学，那么在爱因斯坦时代时间和空间已经联系在一块儿，不分了。

　　但是爱因斯坦的宇宙是一个静态的宇宙，它是不动的。到了1922年弗里德曼，他就探讨非静态宇宙，就是这个宇宙会不会膨胀？1927年比利时的主教，这个人是个主教，勒梅特。他提出宇宙是膨胀的，而且是均匀各向同性膨胀。到1948年美国籍的俄国人伽莫夫，他首先建立了大爆炸宇宙学。大爆炸宇宙学的说法是：大约在150亿年之前，宇宙处于一个温度极高、体积极小、密度极高、或者说是一个奇点，然后开始膨胀。膨胀以后体积不断变大，密度下降、温度下降，经过150亿年时间的演化，变成今天的宇宙。那么这个大爆炸模型得到一些观测事实的支持，比如说哈勃发现河外星系在离开我们，而且越远的河外星系离开我们的速度越大，这就证明宇宙膨胀。还有从理论上可以算出来，早期宇宙的温度经过不断下降，现在我们应该可以观测到大约在绝对温度三度左右的均匀各向同性的背景辐射。这个波长在微波阶段，这件事情居然被观测成功，这个是一个得诺贝尔奖的，等等还有些重要观测事实。所以大爆炸宇宙学成为一种主流学说，就是大部分天文学家都赞成。

　　现在问题是我们以后宇宙跑哪儿去？就是一直膨胀，最后它的结局是怎么样？那么这个就要看，这个膨胀过程是一个斥力起作用还是引力起作用？宇宙中间存在着很多物质，物质之间有万有引力，因此这个过程是一个引力与斥力之争，到底谁厉害？是引力厉害还是斥力厉害？这就要看宇宙中间物质的密度，如果这个宇宙中间物质比较多，密度比较高，这个斥力最后顶不过引力的。总会有一天膨胀结束，然后就开始收缩。如果宇宙中间这个物质密度不够高，它顶不住那个斥力，那么这个宇宙就会一直不断地膨胀下去。一直不断膨胀下去的宇宙称为开宇宙，开放式的。有一天要收缩的，这个叫闭宇宙。那么这两类宇宙有不同的情况。首先我们探讨一下开宇宙，开宇宙不断地膨胀，宇宙中间的恒星不断诞生。十的十四次方年以后，恒星不但不会诞生，而且恒星已经全部死亡了，全部失去光辉了，星系中间只剩下星系核中间的黑洞了。到十的十七次方和十的十八次方年以后，只有黑洞和死亡的恒星，而且恒星中的质子开始变得不稳定，就是质子要衰变。经过十的二十四次方年，质子开始衰变，就变为光子和其他轻子。经过十的三十二次方年衰变过程结束，这个宇宙中间只剩下了光子轻子和大黑洞。但是到了十的一百次方年以后，这个宇宙恐怕就完蛋了。就是所有的黑洞全部蒸发了，这个大概可以称为宇宙的末日。

　　那么另一个结局闭宇宙，这个就比较差劲一点。这个闭宇宙就是说宇宙膨胀要停止了，然后这个宇宙就开始收缩，收缩过程和膨胀的过程恰好相反，就倒过来。开始收缩得很慢，然后变快，越来越快。那么膨胀是五百亿年，收缩也是五百亿年。所以一千亿年以后又回到大爆炸的那个状态，这个时候称为大暴缩。我想我们不需要担心，我今天讲这个课，你们也不会担心。这个时间尺度实在太长！将来怎么办完全不是我们考虑的问题，对吧！你像太阳，太阳已经生活五十亿年了。再过五十亿年，太阳要膨胀，那时怎么办？那是近的事情，太阳膨胀可能会把地球吞掉，等等这些问题呢，那只有靠我们科学技术的发展来解决。比如说把这个地球，我的设想，我们把整个地球当成一个宇宙飞船飞走。因为五十亿年以后，你想人类有文明史大概四千年吧，我们一百年前才发明的飞机，现在计算机发展快得不得了，所以我们对开宇宙也好，闭宇宙也好，都不要多去想，以前说杞人忧天，这个不要去杞人忧天，未来是美好的！