041126从天圆地方看宇宙 赵复垣-第1章
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央视国际 2004年11月25日 14：57
主讲人简介：赵复垣：中科院国家天文台副研究员。
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。
但是宇宙的未来将走向哪里呢？爱因斯坦在上个世纪初的时候，先后发表了狭义相对论和广义相对论。广义相对论说的是在一个大质量物体的周围，它的时间和空间都要发生弯曲。
在上个世纪初的时候，有一支日食观测队就在非洲去观测了一次日全食。他们就真的拍下了当时在日全食发生的时候，太阳附近恒星的位置，就拍下来这个照片。后来拿回来进行了仔细地计算以后就发现，这个恒星的位置真的是发生了变化，而且发生变化量跟广义相对论预言的那个变化量是非常一致的，完全在误差范围里面。那么这样就通过这次日全食的观测，广义相对论第一次得到了验证。我们看到，假如太阳的质量不是现在这样大，如果它的质量大到了一定的程度，那么这个光就会折回来，这样大质量物体就变成了黑洞。
于是有了宇宙膨胀学说，根据最新的研究结果表明，宇宙现在正在膨胀中，而且不仅是膨胀，而且膨胀还在加速，可是最终会不会有一天膨胀加速它减慢下来，由于万有引力的存在，宇宙又会不会向一个中心去坍塌呢？
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。但是人类关于宇宙未来的探索还将继续。
（全文）
我们这一讲的题目是《从天圆地方看宇宙》。我们知道，我们人类是有智慧的高等生物。既然我们有智慧，我们要经常思考一些问题。其中一个非常重要的问题就是我们所处的这个宇宙，它到底是什么样子的？它是从何而来的？它将来又会怎么样？这是我们人类经常要思考的一个问题。比如说在我们中国，在远古的时候就有“盘古开天地”的说法。那么在西方，当然大家知道，就有“上帝创造世界”的说法。这些实际上都是我们人类关于我们这个宇宙的一些看法，说到底也就是一个宇宙观的问题。
在我们中国的古代汉语里边，最早出现宇宙的这个说法的，应该是在两千多年前的战国时代，当时有一位大学者，他的名字叫尸佼，他生活在大约公元前400年到公元前300年之间。他就说“上下四方曰宇，往古来今曰宙”。这里边尸佼就非常明确地提出了空间和时间的概念。我们知道，这是在两千多年以前，我们古代的学者就已经有了非常明确的空间和时间的概念。
那么到了公元100年左右的东汉时代，当时伟大的科学家张衡又进一步把宇和宙这两个字联到一起，最早提出了宇宙这个说法。张衡说“过此而往者，未知或知也。未知或知者，宇宙之谓也。”那么宇宙这个词，最早就出现在张衡的书里面，“宇之表无极，宙之端无穷”。大家看他最后这两句话，就非常明确地提出了空间和时间是无限的观念。这个在我们东汉时代就有了。那么宇宙在时间和空间上是无限的，这是一个非常有名的哲学命题。我们都读过非常有名的历史小说《三国演义》，其中有一回，有一个非常有名的故事，就是“刘玄德三顾茅庐”，这个书里写到，当刘备去造访诸葛亮的时候，遇到了一个农夫，这个农夫就在唱一首歌，其中有两句歌词就说到，“苍天如圆盖，大地似棋局”，那么这个说法就是非常典型的代表了我们古代的人对宇宙的一种看法。就是天就像一个圆盖，大地就像一个围棋的棋盘。那么这里边隐含了一种思想，就是地是平的，实际上是一种天圆地方，或者是说天圆地平的思想。
这幅图就是一个人们想像中的古代人们对天和地的看法，也就是对宇宙的看法。当然现在我们知道了，这种看法实际上是不完全正确的。那么为什么会造成古代人类有这样的看法呢？我们知道，其中最主要的原因就是古代的生产力非常落后，也就是技术非常落后。古代人类活动的范围非常狭小，比如说我们现在，如果你坐上喷气式飞机，十几个小时就能到欧洲，二十几个小时就到了美洲。在古代，人们一般来说活动范围应该说是几百公里，最多也就是一、两千公里，这个范围是非常狭小的。所以说就造成了人们认为这个地是平的，就不像现在我们大家已经知道，大地是球形的，我们地球是球形的，所以说（这）完全是古代人类直觉所导致的概念，这是我们中国的情况。
那么在西方跟张衡生活在差不多的时代，在西方有一位非常有名的天文学家叫托勒密，他当时就在埃及的亚历山大进行天文观测。当时由于没有望远镜，就是在托勒密时代望远镜还没有发明，当时主要是用肉眼来进行一些天文的观测。当时人们就已经观察到太阳、月亮还有其他一些行星，比如说一些非常亮的行星，像水星、金星、火星、还有木星，这几个大的行星，每天都在东升西落，当然包括太阳和月亮了，于是就形成了这样一种概念，就是这些天体都在围绕着地球旋转。那么这样当然也是一种非常直觉的观察所造成的概念。于是托勒密就提出了“地心说”，认为地球是处在宇宙的中心，其他的天体都在围绕地球旋转，最外层就是恒星天，所谓恒星天，就是恒星的位置是不动的，这就是“地心说”的概念。
“地心说”这种学说在西方一直持续了一千多年，一直到15、16世纪的时候，事情才开始发生变化。当时波兰的天文学家哥白尼，他根据一些天文观测的结果，就发现“地心说”有很多缺陷。他认为如果把太阳放在宇宙的中心，那么这个情况，就要比“地心说”更能够解释这个观测事实。于是哥白尼就在他临去世以前，出版了他著名的《天体运行论》。这幅图就是哥白尼在《天体运行论》里边所提出的“日心说”代表的一幅图。我想提醒大家注意一个事实，就是在哥白尼的书出版了以后很长时间，并没有引起公众的重视。就是大家都没有重视他的学说，“地心说”还是处在一种主导的地位，而且“地心说”还被教会引进了它的教义。教会就认为，上帝是在地球上，也就是在宇宙的中心创造了这个世界，所以说“地心说”实际上是和教会的教义联系在一起的。一直到17世纪的时候，望远镜发明了。这时候意大利科学家伽利略，就亲手制作了几架小的望远镜，他马上用几架小的望远镜观测天体，然后他就完成了非常重要的发现。伽利略用望远镜观测天体的时候，首先他就观测了木星，他就发现木星周围有几颗非常亮的亮点，而且他发现这个亮点的位置还在不断地移动。于是他马上意识到，这几亮点是木星的卫星。然后伽利略还发现了金星，在望远镜里不是一个完整的圆面，而是一个像我们的月亮一样，会出现圆缺的现象。那么这说明什么呢？说明第一，金星它自身并不发光；第二，说明金星在围绕着太阳旋转。伽利略在发现了这两个重要的观测事实以后，马上就得到一个结论，就认为“日心说”，哥白尼的学说是正确的。这样对于教会来说，它们感到受到了非常重大的威胁。因为伽利略他用观测事实来说明“日心说”是正确的，否定“地心说”，这样也就等于否定了教会的教义。于是教会就认为再也不能漠视哥白尼和伽利略他们的学说了，于是就有了教会对伽利略的审判。这个审判一直到上个世纪，教会正式为伽利略进行了平反。那么这个错误的判决维持了好几百年，这件事在科学史上是一件非常应该引起大家思考的事情，为什么呢？就是任何一种学说，如果没有观测事实，或者试验证据的支持，它就不能被人们所接受。正是因为伽利略用望远镜发现了木星的卫星，发现了金星的圆缺现象，所以他用最有利的证据推翻了“地心说”，那么教会才感到，它们的教义被否定了，所以来审判伽利略。所以任何一种科学的理论，一定要有一种观测或者试验的证据来支持它，这种观测或者试验的证据是最有力的。
在“日心说”确立了它科学史上的地位以后，在英国牛顿提出了万有引力的学说。他认为任何两个大质量的物体之间，或者说任何两个质量不为零的物体之间都存在着万有引力。对于天体来说，它们的质量是非常大的。所以它们之间的万有引力也是非常明显的。所以牛顿就认为任何两个天体之间，存在着万有引力。那么这将直接造成质量比较小的天体围绕质量大的天体旋转。那么他用这个理论来解释所有的这些天体，它们的运行情况，他发现天体的运行用万有引力来解释，可以解释得非常好，那些轨道甚至可以直接用数学公式来计算出来。于是在万有引力这个理论的基础上，牛顿就提出了他的稳恒态宇宙的概念。他就认为日、月、天体都是在不断地运动之中，维系它们运动规律的就是万有引力的定律。基于这种认识，牛顿就认为宇宙是没有边界的，宇宙是无限的，这样就回到了时间和空间无限这样一种观念。时间是永远在均匀地流失，空间自然地向四面八方伸展，时间和空间的存在是和物质没有关系的。宇宙自古以来就处在一种整体不变的这样一种状态，这样无限和永恒的宇宙这样一种观念就建立起来了，这就是所谓稳恒态宇宙。在很长一段时间里，牛顿的稳恒态宇宙就处在新的主导地位。可是稳恒态宇宙的命运还不如 “地心说”的命运，稳恒态宇宙也就存在了几百年，然后就被新的理论所替代了。
天文学家在研究银河系结构的时候发现，我们的太阳并不处在银河系的中心，而是处在银河系的边缘上。太阳距离银河系中心大约是三万光年，也就说我们地球所在的太阳系距离银河系的中心是三万光年。望远镜发明了以后，人们在观测天体的时候就发现了，天上这些能够看到的天体并不只是一些恒星，还有一些看起来是有扩展，有一个平面结构的对象。我们知道，恒星多数看起来它是没有结构的，就是一个点光源。即使是在一些大的望远镜里边，我们看到的绝大多数恒星也是一些点光源，只不过在大望远镜里头它的亮度会增加。那么还有一些天体就不是这样，它是一些带扩展的，就是带有某种形状的光源。其中一个最亮的、最有名的就是在北天就可以看到的仙女座大星系。当初在历史上它曾经被叫“仙女座星云”，它在历史上有过另外一个名称。在上个世纪初的时候，在美国曾经因为这个“仙女座星云”到底是银河系内的天体，还是银河系之外的天体，发生过一场非常有名的争论。当时有两个非常资深的天文学家在进行这一场争论。其中一位认为“仙女座星云”是银河系之外的天体，另一位认为“仙女座星云”是银河系内部的天体。主张“仙女座星云”是银河系之外天体这位科学家名叫柯惕斯，他就是来自美国的里克天文台。当时他为什么主张“仙女座星云”是银河系之外的天体呢？他研究“仙女座星云”爆发的超新星。他假定所有的超新星在爆发时，它的亮度都是差不多，就是都差不多一样亮。那么他就观测到这个行星的亮度以后，他发现在“仙女座星云”里边，爆发的超新星的亮度非常地暗。如果假定所有的超新星爆发的亮度都差不多的话，而在“仙女座星云”里边这个超新星的亮度非常地暗，这说明了什么呢？根据光源反平方定律，就说明它与我们之间的距离是非常遥远的。那么他根据反平方定律还大致算出了“仙女座星云”的距离大概是五十万光年左右，当时他是得到了这样一个结论。那么当时（我们）也知道了，我们银河系的直径大概是16万光年。那么很清楚，就是“仙女座星云”它不是我们银河系内部的天体。但是另一位天文学家也举出了另外一些证据，他认为是正确的证据，认为“仙女座星云”是银河系内部的天体。在当时由于双方的证据都不够强有力，当时这场争论就不了了之了，这是在上个世纪初进行的一场争论。
可是也就在差不多同时，一位年轻的天文学家在威尔逊天文台进行了天文观测，他的观测使这场争论最后有了一个非常明确地结果。这个人就是在上个世纪里边为天文学做出重大贡献的哈勃。哈勃就研究了在“仙女座星云”里边发现了一些“造父变星”，那么“造父变星”是一类非常特别的变星。我们知道，天上的行星有一些它的亮度是在不断地发生变化。有一些这些变化是有规律的、有周期性的。那么“造父变星”就是这一类有规律的周期性变星。哈勃在观测了“仙女座星云”里的“造父变星”以后，他就发现在“仙女座星云”里的“造父变星”，它的光变周期是非常长的，但是它的亮度又非常低。这样哈勃就意识到，它本来应该很亮，它为什么亮度又非常低呢？那么只能用光源亮度的反平方定律来解释。那么在这个工作的基础上，哈勃就进一步的通过计算，就确定了“仙女座星云”的距离。他当时计算的结果大概是七十万光年的样子。我们刚才说到银河系的直径大约是16万光年，所以“仙女座星云”它就不可能是银河系内部的天体。这样刚才我们说到上个世纪初的那一场非常著名的争论，就有了一个结果。
在确认了“仙女座星云”的距离以后，人们开始就考虑这个“仙女座星云”它到底是一个什么样的天体？后来就发现这个“仙女座星云”它实际上是和我们自身所在的银河系是差不多一样的非常巨大的恒星系统。这幅图就是银河系的一幅图。我们现在发现的“仙女座星云”也差不多是同样巨大的恒星系统。现在我们知道，“仙女座星云”其中大概有两千亿到三千亿颗恒星，比我们所在的银河系还要大一些。我们所在的银河系大概是一千亿到两千亿颗恒星，这样就使我们人类认识到的宇宙在认识上有一个非常重大的飞跃。因为在哈勃工作以前，我们认为银河系就是整个宇宙。那么在哈勃发现了“仙女座星云”不是银河系内的天体，而且后来又进一步发现，其中大概有两千亿到三千亿颗恒星，这样我们人类所认识到的宇宙，就一下子�
