谈天说地话万物

ahui106

吉家林/文



天地与人自古就被列为“三才”，“三才”的奥秘像谜一样吸引着古今中外众多有识之士去探索、去研究，并为之争论不休。早在战国时期，中国伟大的学者屈原在其《天问》奇诗中，就针对古代天象、地物和人类社会的变化提出了170多个疑问。对于《天问》中涉及天地起源和万物之理的深奥问题，科学家们至今仍在全力探索之中。为了宣传和普及现代宇宙观和科学发展观，笔者参照当今最新宇宙、地球和人类科学的理论和发现，也来谈谈天，说说地，话一话万物之理。



第一讲  并非天圆地方

It is not “the Sky It Round and the Earth Is Square”

古时候，无论东方还是西方，人们都把世界解释为驮在某一巨大动物（东方说是鳌鱼、西方说是大乌龟）背上的一块平坦的方板，地震则被解释为鳌鱼或乌龟翻身。因此，古人认为天是圆的、地是方的，中国历史上一直使用的圆形方孔铜钱即为其象征之一，这就是古代“天圆地方”的宇宙观。然而，天圆也好、地方也罢，此类古代宇宙的图象总是有边缘的，边缘的存在预示着人们会从世界的边缘上掉下去，但这与经验和实际不相符合。因此，“天圆地方”的宇宙观是站不住脚的，科学的理论与实践必然要否定天圆地方。

公元前340年，古希腊哲学家亚里士多德在观察月食时忽然发现，在月食的全过程中，地球在月亮上的影子总是圆形的，由此他对“天圆地方”产生了怀疑。亚里士多德认为月食是由于地球运行到太阳与月亮之间而造成的，若地球为方板，则其投影不可能为圆形；若地球为圆盘，则只有当月食发生在太阳正对圆盘中心之时，投影才能为圆，一旦过了此时，影子就会被拉长为椭圆形。既然地球在月亮上的投影总是圆的，这只有在地球本身为球形的前提下才能成立。因此，亚里士多德得出了地球既不是方平板、也不是圆平盘，而是一个球的结论。对于地球为球形的解释，在中世纪相当长的一段时间内并未能得到证实。直到1522年，从西班牙启航的麦哲伦船队中的“维多利亚号”完成了第一次环绕地球的航行后，又回到出发地西班牙，这才真正证实了地球的确是球形的。

公元2世纪，古希腊天文学家托勒密发展了亚里士多德的观点，认为地球虽然是一个球体，但地球不动，处于宇宙的正中心，包围着地球的是月亮、水星、金星、太阳、火星、木星、土星和固定恒星这8个天球，8个天球都以圆周为轨道，围绕着地球转动，这就是“地心说”的宇宙观。托勒密的“地心说”宇宙模型很快就被基督教所接纳，因为它与《圣经》里的宇宙图像比较一致，能在固定恒星天球之外为天堂和地狱留下很多地方。除了西方的“地心说”外，在中国古代也有类似的“浑天说”宇宙观。我国东汉时的张衡（78─139）对“浑天说”的解释是：天像一个鸡蛋壳，地如一个鸡蛋黄，天体形如弹丸，天包着地。

“地心说”宇宙观在相当长时间内都得到公认，直到1514年，波兰的一位名叫哥白尼的教士才提出了另一种“日心说”的宇宙观。哥白尼在《天体运行论》中指出：太阳是一颗恒星，静止地位于宇宙的中心，而地球和其他行星均绕着太阳作圆周运动。意大利的哲学家布鲁诺接受和发展了哥白尼的日心说，并转而怀疑宗教教义，布鲁诺因此被宗教裁判所判处死刑，在1600年被烧死于罗马。但是，青山遮不住，毕竟东流去，在时隔不久的1609年，意大利的天文学家伽利略用刚发明的望远镜，观测到木星附近有4颗小卫星绕着木星转动，从而说明了并不是所有的星体都必须直接围绕着地球运转，地球和木星一样，不过是围绕着太阳转动的一颗行星罢了。与此同时，德国的天文学家开普勒也修正了哥白尼的理论，认为行星不是沿圆周，而是沿椭圆轨道运动。1633年，尽管伽利略也因反对托勒密的地心体系遭到罗马教廷的判罪管制，但是随着地动学说理论的逐步完善，“天圆地方”、“地球中心”等不科学的宇宙观很快就被历史所淘汰了。

“日心说”为太阳系理论的形成奠定了基础。科学家们凭借望远镜的观测和计算，相继发现有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星9颗大行星都围绕着太阳运转，此外还有几十万颗绕太阳运行的小行星，从而构成了太阳系。在太阳系中，除水星和金星外，各大行星还有绕着自己运行的卫星，月亮就是绕着地球运转的一颗卫星，已发现的土星的卫星竟有23个之多。天王星的卫星原已发现17个，1999年5月19日，国际天文学协会宣布：美国亚利桑那大学的天文学家卡尔科施卡根据13年来拍摄到的照片比较，又发现了环天王星运行的第18颗卫星——“卫星1986 U10”。在太阳系9大行星中，地球并不是最大的，木星、土星、天王星、海王星都比地球大，木星的体积就比地球大1000多倍，地球的体积只有太阳的130万分之一。1687年，英国物理学家牛顿在《数学的自然哲学原理》中提出了万有引力定律，即宇宙中的任一物体都被另外的物体所吸引，物体质量越大，相互距离越近，则相互之间的吸引力就越大。正是这种万有引力，使月亮沿着椭圆轨道绕着地球运行，而地球和其他行星则沿着椭圆轨道绕着太阳公转。

在没有月亮的夜晚观察星空时，人们可见到数目繁多的星星散布于整个夜空，其中特别引人注目的是，有很多星星聚集在一条称为银河的带子上。银河究竟是什么形状？银河带上的星星与太阳系之间到底有什么关系？随着现代光学、电子学、遥控技术的发展及大型天文望远镜、人造卫星、宇宙飞船的发明和应用，天文学家的视野已远远地扩展到太阳系以外。人们逐渐认识到，银河实际上是一个很大的星系，银河系的形状好象一个旋转着的带有旋涡的扁平碟状球体，该扁球中心平面的直径约为10万光年。银河系中约有400—1000多亿颗恒星，这些恒星都围绕着银河系的中心旋转，其中绝大多数星体都密集在中心平面附近，从而形成银河带。太阳是银河系旋涡臂内边缘上的一颗恒星，太阳距离银河系中心约2.7万光年，太阳系以每秒217公里的速度围绕银河系的中心旋转，运行一周需2.26亿年。1999年6月，美国天文学年会公布的研究成果认为：银河系中心存在着一个被称为“人马座A星”的超大黑洞，其质量为太阳质量的260万倍；1999年7月2日，英国广播公司报道：有147个古老的球状星团围绕银河系运行，它们分布在银河系周围，在银河系形成平面形状以前就已经存在了，现哈勃太空望远镜已拍摄到其中最大的一个星团——M 80星群的照片，该星群由数万颗恒星组成，距离地球大约2.8万光年；1999年7月，日本《读卖新闻》报道：日本东北大学空间物理学教授大矢领导的一批天文学家，通过连续15年的观测与分析，在银河系中心发现了24个呈集束状的黑洞，其中两个最强大的黑洞像双子星一样以极高的速度彼此环绕运行。

1924年，美国天文学家哈勃（E.P.Hubble 1889—1953）从观测中发现，银河系也不是唯一的，宇宙间类似银河这样的星系还很多，银河系只是用现代望远镜可以看到的几千亿个星系中的一个。每个象银河这样的星系都包含有几百亿到几千亿颗恒星，各星系之间是巨大而空虚的太空。现据估计，宇宙中的星球总数约为1万亿亿颗（1后面加20个0）。

由于恒星像太阳一样，能发出光和热，故每个恒星都是一个光源。但是各星系中的恒星离地球太远了，以致我们看不到它们的大小和形状，而只能看到极小的光点。对于绝大多数恒星，可供观测的特征只有一个，那就是光的颜色。牛顿发现，太阳光通过三棱镜后，会被分解成像彩虹一样的多种色光，这些色光就形成太阳的光谱。由此，将一个望远镜聚焦在一个单独的恒星或星系上，人们就可以观测到从这个恒星或星系射来的光谱线。不同的恒星具有不同的光谱线，通过光谱分析，我们就可以把不同种类的恒星加以区分了。由于可见光乃是电磁场的起伏或波动，其频率在每秒400—700万亿次之间，不同频率的可见光在人们眼睛的视觉上呈现为不同的颜色，最低的频率出现在光谱的红端，而最高频率则出现在蓝端。

银河系的发现证明了恒星并不恒定，也在运动。在地球上观察恒星的运动，可能出现两种情况：一种是运动得离地球越来越远，即恒星远离我们而去；另一种则是运动得距地球越来越近，即恒星靠近我们而来。现在假定在距离我们固定远处有一恒星（光源），它以固定的频率发出光波。倘若恒星静止不动，我们接受到的光波频率（每秒振动的次数）就不变，它的光谱也不变。倘若恒星靠近我们而来，当光源发出第二个波峰时，它距我们则更近一些，这样此波峰到达我们观测处所用的时间，要比恒星不动时少。这就意味着，先后两个波峰到达我们处的时间间隔（周期）变小了，所以我们接受到的光波的每秒振动次数（频率）比恒星静止时高，它的光谱就应向蓝端移动（蓝移）。反之，倘若恒星离开我们而去，它的光谱则应向红端移动（红移）。这一原理就是科学家们所称的“多普勒效应”。

当哈勃证明了银河之外其他星系的存在后，便根据多普勒效应原理，对所观测到的恒星和星系的光谱进行分类。他十分惊异地发现几乎所有的星系的光谱都是红移的，而且星系越远，红移量越大，即离开我们运动得越快。这表明，几乎所有的星系不仅是运动着的，而且都远离我们而去，宇宙并不像人们所想的那样处于静态，而是在膨胀。1929年，哈勃根据星系光谱红移的规律，发表了“宇宙膨胀”学说，从而开创了现代宇宙观。