3．眼見不為實(shí)

很多時(shí)候宇宙看起來是這么一回事，實(shí)際上卻是另一回事，以至于我有時(shí)會懷疑這是不是一場正在進(jìn)行的陰謀，目的是讓天體物理學(xué)家們難堪。類似的這種宇宙惡搞的例子很多很多。

現(xiàn)代人都知道地球是圓的，然而對數(shù)千年來的思想家們來說，證明地球是平的的證據(jù)似乎是再明顯不過了。放眼看看四周，如果沒有衛(wèi)星圖像，即使是從飛機(jī)上看下去也很難說服自己地球不是平的。所有非歐幾里得空間里的平滑表面上的情況都和地球表面上的情況一樣：任意彎曲表面上的足夠小的區(qū)域和平面無異。很久以前，當(dāng)人們的活動區(qū)域僅限于居所附近的時(shí)候，平坦的地球滿足了人們的自大意識，家就是地球的中央，地平線（你的世界的邊界）上的每一點(diǎn)與你的距離都相等。正如可以預(yù)見到的，幾乎所有描繪平坦地球的地圖都把繪制者的文明放在地圖的中心。

讓我們仰望天空。如果不用望遠(yuǎn)鏡，你不知道星星有多遠(yuǎn)。它們升起落下，總在固定的位置上，就像是粘在一只倒扣的黑色大碗的內(nèi)壁上。那么何不假設(shè)所有的星星都一樣遠(yuǎn)，管它到底有多遠(yuǎn)？

但事實(shí)上它們并不是一樣遠(yuǎn)，當(dāng)然也沒有碗的存在。我們暫且承認(rèn)星星是散落在宇宙中的，但是，它們落得有多散？裸眼能看到的最亮和最暗的星的亮度相差100倍以上，所以最暗的那些星星到地球的距離就要遠(yuǎn)100倍以上，是嗎？

錯！

上面的簡單判斷大膽地假設(shè)所有的星星亮度一樣，所以才有近處的星星比遠(yuǎn)處的亮。然而，星星的亮度差異非常驚人，相差十個數(shù)量級以上——10的10次方。因此最亮的星不見得是離地球最近的。事實(shí)上，夜空中的大多數(shù)星星亮度相差很大，而且都很遙遠(yuǎn)。

如果我們看見的大多數(shù)星星都很明亮，那它們在星系里一定很常見？

再錯！

高亮度星是星系里最少的。在確定的空間范圍里，它們的數(shù)量只有低亮度星的千分之一。高亮度星釋放出巨大的能量，才使得從很遠(yuǎn)的地方都能看到它。

假定兩顆星以相同的速率發(fā)光（表示它們有相同的光度），但是一顆星比另一顆遠(yuǎn)100倍，那它的亮度會是1%。錯！那樣太簡單了。實(shí)際上，亮度隨距離的平方衰減。因此在此例中，較遠(yuǎn)的星看起來比較近的星暗1萬倍（1002）。這個“平方反比律”的影響是純幾何作用。當(dāng)星光四散傳播的時(shí)候，它隨著經(jīng)過的空間球殼的增大而減弱。殼的表面積隨半徑的平方等比例增大（計(jì)算公式為：面積=4 πr2），使得光強(qiáng)以相同的比例衰減。是的，星星并不是同樣遙遠(yuǎn)，它們的亮度也不一樣，我們看到的星星都是極為特殊的。但是它們一定是靜止在太空中的。數(shù)千年來，人們一直認(rèn)為星星是“固定不動的”，從《圣經(jīng)》到公元150年左右出版的克勞迪亞斯·托勒密（Claudius Ptolemy）所著《天文學(xué)大成》，這些非常有影響力的著作里都提到了這一點(diǎn)。《圣經(jīng)》里說：“上帝就把它們擺列在天上”（創(chuàng)世記1∶17）。而托勒密則非常堅(jiān)定地聲稱星星是不動的。

總的來說，如果這些天體能夠各自移動，那么它們到地球的距離就必定會改變。這將使得這些星星的大小、亮度以及相對間距逐年變化。但是卻觀察不到這樣的變化，為什么？因?yàn)槟愕却貌粔蚓枚选０５旅伞す祝‥dmond Halley，哈雷彗星即以他的名字命名）是第一個指出星星在移動的人。1718年，他比較了“現(xiàn)代”星星的位置和公元前2世紀(jì)希臘天文學(xué)家喜帕恰斯（Hipparchus）繪制的星象圖。哈雷相信喜帕恰斯的星象圖是準(zhǔn)確的，但也是因?yàn)樗袅?8個世紀(jì)來比較當(dāng)時(shí)和古代的星星位置，這才有所收獲。他很快發(fā)現(xiàn)牧夫座大角星已經(jīng)不在以前的位置上了。星星確實(shí)在移動，但是如果沒有望遠(yuǎn)鏡的幫助，一個人一生的時(shí)間都不足以觀察到能夠分辨的位移。

天空中所有天體之中，有七顆星是明顯在移動的；它們看上去是在星空中漫步，因此被希臘人稱為行星或“徘徊者”。這七顆星是（英語中的周一到周日即來源于它們的名稱）：水星、金星、火星、木星、土星、太陽和月亮。自古以來，人們就正確地認(rèn)識到這些行星離地球的距離比其他星星更近，但是卻以為它們是圍繞地球旋轉(zhuǎn)的。

阿里斯塔克斯（Aristarchus of Samos）在公元前3世紀(jì)最先提出了日心宇宙模型。但是對那時(shí)每個關(guān)注天文的人來說，不管行星的運(yùn)動有多復(fù)雜，它們和其他星星都是繞著地球轉(zhuǎn)動的。如果地球動了，我們一定能感覺到。當(dāng)時(shí)的典型論據(jù)包括：

●如果地球繞某個軸旋轉(zhuǎn)或是在宇宙中移動，天上的云和飛鳥不會被甩在后面嗎？（它們沒有被甩開。）

●如果你豎直向上跳，腳下的地面飛快地轉(zhuǎn)動，那你不會落到另一個地方嗎？（你沒有落到別處。）

●如果地球繞著太陽運(yùn)動，那我們看星星的角度不會一直改變，使得星星在天空中的位置也發(fā)生明顯的偏移嗎？（它們沒有移動，至少不明顯。）

反對者的證據(jù)是非常令人信服的。關(guān)于前兩種情況，后來伽利略·伽利萊（Galileo Galilei）的研究證明當(dāng)你身處空中的時(shí)候，你、大氣以及周圍的所有物體都被在軌道上旋轉(zhuǎn)的地球帶著一起前進(jìn)。出于同樣的理由，如果你在飛行中的飛機(jī)的走廊里跳起來，你不會一下子飛過所有座椅撞到廁所門上去。在第三種情況中，推理過程沒有任何錯誤——除了一點(diǎn)，就是星星離我們都很遠(yuǎn)，只有用很好的望遠(yuǎn)鏡才能看到星星的季節(jié)性位移。直到1838年，德國天文學(xué)家弗里德里希·威廉·貝塞爾（Friedrich Wilhelm Bessel）才觀測到了這個現(xiàn)象。

以地球?yàn)橹行牡挠钪婺Ｐ统蔀橥欣彰堋短煳膶W(xué)大成》的基石。同時(shí)這一思想也一直主宰著科學(xué)、文化以及宗教的認(rèn)識，直到尼古拉·哥白尼（Nicolaus Copernicus）在1543年出版的《天體運(yùn)行論》里提出了日心說。由于害怕這本“異端邪說”會破壞整個體制，主持最后階段印刷事宜的新教神學(xué)家安德萊斯·奧席安德（Andreas Osiander）未經(jīng)授權(quán)就添加了一段未署名的序，他在序中解釋道：

現(xiàn)在書中這種新奇的假說已經(jīng)被廣泛地報(bào)道，它主張地球是移動的，太陽是宇宙不動的中心。我不懷疑某些有學(xué)問的人會感到極度震驚?！沁@假說也不一定是正確的或可能的，不過如果僅僅是作出符合觀測結(jié)果的計(jì)算，它也足夠了。（Copernicus,1999年，第22頁）

哥白尼本人并非不了解自己將會招致的麻煩。在書中給教皇保羅三世（Pope Paul Ⅲ）的獻(xiàn)詞中，哥白尼寫道：

圣父，我很清楚，一旦那些人發(fā)現(xiàn)我在論述宇宙運(yùn)轉(zhuǎn)的書里指出地球在運(yùn)動，他們會立刻嚷嚷著把我和我的這些觀點(diǎn)統(tǒng)統(tǒng)趕走。（Copernicus ,1999年，第23頁）

但是，就在荷蘭眼鏡工匠漢斯·利伯希（Hans Lippershey）1608年發(fā)明望遠(yuǎn)鏡后不久，伽利略用自己制作的望遠(yuǎn)鏡觀察到了金星的圓缺變化以及4顆衛(wèi)星繞著木星而非地球轉(zhuǎn)。這些以及其他觀測結(jié)果宣告了地心說的終結(jié)，使得哥白尼日心說的說服力日漸增長。一旦地球不再處于宇宙中的特殊位置，哥白尼革命（以我們并不特別的原理為基礎(chǔ)）即正式開始了。

現(xiàn)在，地球和它的行星兄弟們處在圍繞太陽的軌道上，太陽又在哪里呢？宇宙的中心？當(dāng)然不是。沒有人會再次落入同樣的陷阱里了，那樣就違反了剛剛誕生的哥白尼原理。但是還是讓我們再探討一下，以作確認(rèn)。

如果太陽系處于宇宙的中心，那么無論我們向天空的哪個方向看，看到的星星數(shù)量應(yīng)該差不多。但是如果太陽系不在宇宙中心，我們可能會看到大量星星聚集在某個方向上——宇宙中心的方向。

1785年，英國天文學(xué)家威廉·赫歇耳爵士（Sir William Herschel）在計(jì)數(shù)了天空中各處星星的數(shù)量并粗略地估計(jì)了它們的距離之后，得出結(jié)論，認(rèn)為太陽系確實(shí)不在宇宙的中心。一個世紀(jì)后，荷蘭天文學(xué)家雅各布·科爾內(nèi)留斯·卡普坦（Jacobus Cornelius Kapteyn）利用當(dāng)時(shí)計(jì)算距離的最好方法，想就此確認(rèn)太陽系在銀河系中的位置。從望遠(yuǎn)鏡里看去，銀河系的光帶是由密密麻麻的星星聚集在一起形成的。仔細(xì)計(jì)算它們的位置和距離，發(fā)現(xiàn)沿銀河的任何一個方向上的星星數(shù)量都差不多。在銀河的上下，聚集程度的減小也是對稱的。不管你向哪個方向看，星星的數(shù)目和向反方向看過去都是差不多的?？ㄆ仗够?0年的工夫繪制他的星象圖，圖上的太陽系果然位于宇宙中心1%之內(nèi)。我們不在正中心，但是已經(jīng)近到足以重新確立我們在宇宙中的重要位置。

但宇宙的殘忍還沒結(jié)束。

當(dāng)時(shí)所有的人，尤其是卡普坦，都不知道經(jīng)過銀河系的大部分視線不能到達(dá)宇宙的盡頭。銀河系里充滿了大片氣體和塵埃組成的云，它們吸收了躲在后面的物體發(fā)出的光。當(dāng)我們向銀河系看過去的時(shí)候，我們本來能夠看見的星星中，有超過99%的星星被銀河系里的氣體云所遮蔽。認(rèn)為地球靠近銀河系（當(dāng)時(shí)的已知宇宙）中心的念頭，就像你走進(jìn)一片廣袤的森林，才走了幾十步，就因?yàn)槟阃闹芸吹降臉淠緮?shù)量一致，而斷言你已經(jīng)到達(dá)森林的中心。

到了1920年（消光問題仍未解決），即將擔(dān)任哈佛大學(xué)天文臺臺長的哈羅·沙普利（Harlow Shapley）研究了球狀星團(tuán)在銀河系中的分布。球狀星團(tuán)是數(shù)百萬星星的緊密聚集，較容易在銀河的上下方觀察到，因?yàn)槟抢镂盏墓庾钌佟Ｉ称绽J(rèn)為這些巨大的星團(tuán)能夠幫助他準(zhǔn)確定位宇宙的中心——畢竟那點(diǎn)一定質(zhì)量密度最高、引力最強(qiáng)。沙普利的數(shù)據(jù)顯示太陽系并不接近球狀星團(tuán)分布的中心，因此也不接近已知宇宙的中心。他發(fā)現(xiàn)的中心在哪里？6萬光年遠(yuǎn)處，大約是在射手座方向，但距離更遠(yuǎn)。

沙普利的距離大了2倍多，但他推算出的球狀星團(tuán)系統(tǒng)的中心是正確的，和后來發(fā)現(xiàn)的夜空中射電信號最強(qiáng)的位置一致（星際氣體和灰塵不吸收無線電波）。天體物理學(xué)家最終把射電信號最強(qiáng)的那一點(diǎn)定為銀河系的中心，但這已是又一兩件“眼見不為實(shí)”的事件發(fā)生之后的事了。

哥白尼原理再次獲得了勝利。太陽系并非位于已知宇宙的中心，而是遠(yuǎn)離中心地帶。對于特別在乎的人來說，這也能接受。宇宙無疑是由我們身處的龐大星系和星云所構(gòu)成，我們無疑是焦點(diǎn)所在。

錯！

夜空中的星云大多如18世紀(jì)的瑞典哲學(xué)家伊曼紐爾·史威登保（Emanuel Swedenborg）、英國天文學(xué)家托馬斯·萊特（Thomas Wright）和德國哲學(xué)家伊曼努爾·康德（Immanuel Kant）等人預(yù)見到的那樣，像一個個島宇宙。例如，在《宇宙起源理論》（1750年）一書中，萊特推測宇宙空間是無窮無盡的，其間充滿了類似銀河系的天體系統(tǒng)：

我們可以推論……鑒于可見宇宙應(yīng)該充滿恒星系統(tǒng)和行星世界……浩瀚的太空充滿了無數(shù)與已知宇宙相似的宇宙……這很有可能是真的，我們看到的許多遠(yuǎn)在已知宇宙之外的云團(tuán)狀的亮點(diǎn)在一定程度上證明了這一點(diǎn)，它們是明亮的發(fā)光區(qū)域，但是無法分辨出任何星星或特別的天體；那些點(diǎn)極有可能就是外面的宇宙，在我們的宇宙之外，非常遙遠(yuǎn)，望遠(yuǎn)鏡也不可及。（Wright,1750年，第177頁）

萊特提到的“云團(tuán)狀亮點(diǎn)”實(shí)際上是數(shù)以千億計(jì)星星組成的集合，位于遙遠(yuǎn)的太空，主要可見于銀河的上下方。其他的星云其實(shí)是相對較小、較近的氣體云，多數(shù)位于銀河系里。

銀河系僅僅是組成宇宙的眾多星系之一，這是科學(xué)史上一個最重要的發(fā)現(xiàn)，不過這個發(fā)現(xiàn)也讓我們再次感覺到自己的渺小。最早發(fā)現(xiàn)這個事實(shí)的天文學(xué)家是哈勃，“哈勃太空望遠(yuǎn)鏡”就是以他的名字命名的。最早證實(shí)這一發(fā)現(xiàn)的證據(jù)是1923年10月5日晚上拍攝的一張底片，使用的儀器是當(dāng)時(shí)世界上最強(qiáng)大的威爾遜山天文臺2.54米望遠(yuǎn)鏡。證實(shí)這一發(fā)現(xiàn)的宇宙天體是仙女座星云，它是夜空中最大的天體之一。

哈勃在仙女座里發(fā)現(xiàn)了一顆非常明亮的星星。天文學(xué)家們對仙女座很熟悉，因?yàn)樗麄冄芯窟^仙女座里那些非?？拷厍虻男切?。地球附近那些星星的距離已經(jīng)知道，它們的亮度只隨距離改變。根據(jù)星光亮度的平方反比律，哈勃計(jì)算出了仙女座星云的距離，它比我們自己星系里任何一顆已知的星都遙遠(yuǎn)。仙女座星云實(shí)際上是一整個星系，由數(shù)十億顆星星組成，都位于200萬光年以外的地方。所以不僅我們不是宇宙的中心，一夜之間，連維持我們最后自尊的銀河系也縮小成宇宙里億萬個不起眼的小點(diǎn)中的一個，整個宇宙比之前任何人想象的都大得多。

雖然最終發(fā)現(xiàn)銀河系只是無數(shù)星系中的一個，但我們就不能是宇宙的中心嗎？就在哈勃把人類的地位降級后的第六年，他收集了所有有關(guān)星系運(yùn)動的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)幾乎所有星系都在遠(yuǎn)離銀河系，退行速度與到銀河系的距離成正比。

我們終于處于一個大事件的中心了：宇宙在膨脹，而我們就是宇宙的中心。

不，我們不能再被愚弄了。因?yàn)槲覀兛雌饋硐袷怯钪娴闹行牟淮砦覀兙褪怯钪娴闹行摹Ｊ聦?shí)上，自1916年愛因斯坦發(fā)表廣義相對論（現(xiàn)代引力理論）起，某種宇宙理論就已經(jīng)成熟。在愛因斯坦宇宙模型里，時(shí)空會因質(zhì)量的存在而扭曲。我們把這種扭曲及由其引發(fā)的天體運(yùn)動解釋為引力。當(dāng)廣義相對論應(yīng)用于宇宙時(shí)，就可以解釋宇宙空間的膨脹和構(gòu)成星系的遠(yuǎn)離。

這一新事實(shí)產(chǎn)生的一個驚人后果就是，對每個星系里的觀察者來說，宇宙仿佛都是以他們?yōu)橹行脑谂蛎?。這是自尊自大的終極幻想，自然愚弄的不僅是地球上感性的人類，還包括了宇宙中任何時(shí)間地點(diǎn)存在的所有生命體。

但是顯然宇宙只有一個——那個讓我們快樂地生活在幻覺中的宇宙。到目前為止，宇宙學(xué)家們還找不到多個宇宙存在的證據(jù)。但如果把幾個經(jīng)過嚴(yán)格檢驗(yàn)的物理定律推廣到極限（或是超過極限）情況，你就能夠把宇宙微小、致密、熾熱的開端描繪成時(shí)空交錯的炙熱泡沫，那里容易發(fā)生量子漲落，任何一個漲落都可能膨脹為一個獨(dú)立的宇宙。在這個像葡萄串一樣的多重宇宙里，我們占據(jù)的只是其中的一元而已，還有其他無數(shù)個元宇宙在生生息息。與我們原來的想象相比，這個觀點(diǎn)將我們置于一個更加無足輕重的尷尬境地，不知教皇保羅三世會怎么想？

我們的處境未變，但尺度越來越大。哈勃在1936年出版的《星云世界》中進(jìn)行了總結(jié)，這些結(jié)論適用于人類自覺過程的所有階段：

因此對太空的探索止步于不確定……我們非常熟悉我們的近鄰，隨著距離增加，我們的了解迅速減少，最終觸及那模糊的邊界——望遠(yuǎn)鏡的視力極限。在那里，我們對影子進(jìn)行測量，在謬之千里的測量結(jié)果中尋找那不可能更準(zhǔn)確的標(biāo)志。（Hubble,1936年，第201頁）

我們從這段思想歷程中能得到什么啟示？人類情感脆弱，永遠(yuǎn)容易上當(dāng)受騙，而且令人絕望地?zé)o知，做著宇宙中一個微不足道的斑點(diǎn)的主人。

祝您愉快。