我们这样认识宇宙(上)

我们这样认识宇宙（上）人类告别了充满疑惑与震惊的18世纪，而展现在他们面前的却是充满坦途与自信的19世纪。

人类探索真理海洋的航程刚刚起步，人类丈量宇宙的脚步也才刚从摇篮中迈出。

19世纪牛顿力学又会带领人类的航船驶向何方呢？我们这样认识宇宙分为（上、中、下）三篇…因为内容较多…所有请大家敬请关注我们下期内容一、我们是谁？我们从哪里来？我们孤独吗？这三个思考人类自身的问题由来已久，人类已经花了几千年寻找这几个问题的答案，却还因此困惑不已。

然而，更加让我们困惑的是另外三个难以回答的终极问题，它们涉及宇宙最本质的秘密，有关宇宙隐藏得最深的一面，同样困扰了人类几十个世纪。

这三个问题就是——宇宙从哪里来？宇宙为什么会是现在这样？宇宙将走向何方？接下来我们就上溯到科学长河的源头，看看那睿智的第一滴水是怎样变成滔滔江河的。

我们的先人很早就在思考这三个问题。

实际上，古代天文学家对于宇宙的认识程度可能比我们今天很多人都要深。

这些认识是古人长期观测天体的运动积累起来的经验总结，毕竟研究一样东西最直接的办法就是看看它究竟是怎么运作的，宇宙也不例外。

古代的天文学家虽然没有我们今天先进的观测工具，但他们凭借数十年如一日的毅力和细致的观察还是总结出了不少经验。

我们先不论其正确与否，单单是这样对待宇宙和科学的态度就值得我们肃然起敬。

现在看看古人都发现了什么吧。

他们观察日月星辰有规律的运行，发现不只是太阳会东升西落，繁星也是如此，星空总是围绕一个点不停地转动，日复一日，年复一年。

于是古人自豪地意识到，原来我们脚下的大地就是宇宙的中心，因为日月星辰都在围绕我们转动！其实这种转动被今天的天文学家们称为周日视运动，恰恰是由于地球自转而产生的相对运动。

但古人始终无法摒弃本位主义思想，坚信大地就是宇宙的中心，这种观念一直延续了数千年。

他们发现的不止这些。

其实并不是所有的星星都年复一年地遵循相同的轨迹，有的星星会在群星之间随意地穿来穿去，好像并不认为大地是宇宙的中心。

这些星星在几个月里向东运动，几个月里向西运动，这种运动被今天的天文学家们称为“顺行”、“逆行”和“留”。

虽然也有规律可循，但这种奇怪的运动方式着实让古人摸不着头脑。

于是古希腊的天文学家们把这些星星叫做“行星”，意思就是会动的星星，而其他按规矩来的星星则被叫做“恒星”。

可是为什么行星的运动和恒星不同呢？古人看来唯一的解释就是它们都是有生命的神明。

因此他们给五颗肉眼可见的行星以神明的名字命名：水星为众神的信使，金星为爱情和美丽之神，火星为战争之神，木星以众神之王命名，土星则是农业之神。

对了，还有地球。

不过古人面对脚下一望无垠的大地和海洋，很难将它同天空中闪闪发光的星星联系起来。

可是大地究竟是什么样的呢？是古埃及神话中大地女神的身体，像古印度神话中描述的驮在大象的背上，像古代俄罗斯人说的那样被海龟驮着，还是像中国人说的那样天圆地方呢？早在公元前3世纪，古希腊天文学家便提出了地球是圆的这一概念。

有一种说法是他们看到月球弧形的边缘，推想所有天体都是圆形的。

不论这种说法正确与否，地圆说的提出是人类认识宇宙的重大成果。

以此为基础，古希腊学者埃拉托斯特尼用三角测量法计算出地球的周长约为39600千米，这与真实的数值（40000千米）已经十分接近；古希腊数学家毕达哥拉斯（没错，就是著名的毕达哥拉斯定理提出者，中国人把这个定理叫做“勾股定理”）认为月光是太阳光被月球反射的结果，进而计算出日地距离约为地月距离的18-20倍；公元前129年古希腊天文学家喜帕恰斯通过计算黄道（地球公转轨道平面）和白道（月球公转轨道平面）交点的运动求得了地球到月球的距离约为地球直径的三十又六分之一……人类认识宇宙的脚步一点点加快，我们已经不再是只会抬头仰望星空的物种，而是还会思考这一切的成因的物种。

此时，一位**性的人物登上了历史的舞台。

他将前人对于宇宙的观察经验做了系统的总结和完善，并在现有的理论中加入了科学的观测和计算方法，使得天体的运动可以被较为准确地预测，他还将日月行星的运动做了当时看来最为准确的总结，归纳出了一套被奉为经典一千多年的理论，并将它记录在了同样被奉为经典的《天文学大成》中。

这个伟大的人物就是生活在公元2世纪的古希腊天文学家克罗狄斯·托勒密，而他那套经典的理论就是带有本轮均轮系统的地心说——地球处在宇宙的中心静止不动，日月星辰都在各自的轨道上绕地球运动。

系统的地心说是由托勒密提出并完善的，对于宇宙模型第一次系统的创立也是由托勒密完成的，因此从这个角度看，托勒密的成就足以与历史上最知名的天文学家相提并论。

然而这一理论并不能百分之百地预测天空中那些幽灵——行星的运行。

顺行和逆行还是像奥林匹斯山的众神一样捉摸不透，以至于后人不断增加本轮和均轮以满足行星运动预测的需要，使得整个系统庞大复杂，臃肿不堪，而这样的系统恰恰违背了科学对于一套理论的简洁明了的基本要求，也使人们在航海等日常用途上对于行星的观测变得十分不便。

可是由于西方的自然科学在黑暗时期遭遇了低谷，这样的理论一直被沿用了一千多年。

直到一位伟人的出现才改变了这样的局面，这个人就是波兰天文学家哥白尼。

今天先发到这里，关于哥白尼怎么颠覆地心说以及人类对于宇宙的认识又会有怎样的发展，后面接着发。

二、上次我们说到托勒密的地心说越来越不适应人类对于天体运动预测越来越高的精度要求，同时经过完善的地心说本轮均轮加起来多达80余个，实在是不方便人们日常的计算。

但是解决之道又在哪里呢？地心说是截至当时（中世纪）最完善的天体运动理论，毕竟它已经精确地预言了日月恒星的运动，只不过无法预测行星，同时最重要的一点在于，地心说与天主教教义相一致，天主教廷的“护身符”使得这一理论瞬间上升到了上帝的高度，更是无人敢提出异议。

但是大家别忘了，好奇和求知是人类的一大天性，面对疑惑和不解，人类总想刨根问底想个明白，因此其实对于更加适用的宇宙体系的探索其实一直都没有停止。

1499年，一个年轻人从意大利博洛尼亚大学毕业，回到故乡并时常进行天文观测。

他在观测时发现地心说对于行星运动的预测漏洞百出，他实在是烦透了那一大堆的本轮和均轮，想找出一个更加简便的计算方法。

于是懒人的逻辑开始发挥作用了，他并不是自己推算，而是查阅古籍，看看古人对此有什么特别的见解。

很快他就发现其实早在古希腊，天文学家们就注意到了这个问题，他们还独辟蹊径，提出为什么不能让太阳位于宇宙的中心呢？在公元前300多年古希腊天文学家赫拉克里特和阿里斯塔克的著作中就明确提出假设太阳是宇宙的中心（没错，日心说由来已久），地球也在围绕太阳转动。

这个年轻人看后大受启发，于是他按照这个理论进行推导，对于行星运动的预测结果竟然和观测严丝合缝，甚至连顺行和逆行都能得到完美的解释。

此时的他已经对太阳是宇宙的中心这一观点深信不疑。

他由此计算出1恒星年为365天6小时9分40秒，只比真实值多了30秒。

于是他欣喜若狂，在欧洲各地做了许多演讲来宣布他的新发现，但是却接到了罗马教廷的警告，因为在他们看来，任何与地心说想抵触的学说都是异端邪说。

于是他只好停止了演讲，转而著书立说，将他的理论写在了巨著《天体运行论》中。

这个青年就是波兰天文学家尼古拉·哥白尼，他的新发现就是日心地动说。

后面的故事相信很多人都有所耳闻，《天体运行论》在哥白尼临死前才得以出版，而他本人只摸了摸这本书的封皮就与世长辞了。

日心说的主要内容是：太阳处在宇宙的中心并静止不动（没错，所以日心说也不全对），地球和其他五颗行星都在各自的轨道上围绕太阳公转，月球围绕地球公转，土星轨道外是同样静止不动的“恒星天”。

这下好了，你一定会认为整个科学界对此欢欣鼓舞，全人类终于摆脱了错误理论的羁绊了吧？没那么简单。

这种公开宣扬地球是运动着的理论从一开始就不为罗马教廷所承认，而且当时的天文学家也很少有人接受这样的观点，所以日心说一直沉寂着，期待人们重新发现它的那一天。

但是这样的结果对人类继续认识宇宙没有丝毫影响，天文学家们依旧满怀热情仰望星空，期待着激动人心的发现。

历史就是这样巧合，激动人心的发现并没有让人们等待太长的时间。

1572年11月11日夜晚，年轻的丹麦天文学家第谷·布拉赫的视线正在仙后座附近徘徊。

突然间，一件意想不到的事情发生了，这片天区居然出现了一颗新星！虽然亮度很暗，但是第谷还是敏锐地捕捉到了它的第一缕光线。

反复核对后，第谷发现喜帕恰斯的星图上确实没有这颗新星。

这样的发现着实令他不敢相信自己的眼睛，要知道，在当时的理论中，人们普遍相信亚里士多德的“天空一成不变”的说法是毋庸置疑的，因为天空中居住着各路神明，他们又怎么会变呢？就连哥白尼的日心说中都写到土星轨道外是静止不动的恒星天。

可是第谷的眼睛确实没有骗他，他发现的其实是一种宇宙中非常普遍的现象——超新星爆发。

一颗恒星的亮度会在一瞬间增长上百倍，因此能够引起我们的注意。

第谷的发现告诉人类，星空并非一成不变，星空也并非死气沉沉，其实每个人都可以有自己的发现，每个人都可以创造历史，这也正是天文学的魅力所在。

为了纪念第谷历史性的发现，人们把这颗星叫做第谷星。

激动人心的发现一串接着一串。

第谷在晚年时曾经观测火星的运动，当他尝试用地心说来推算火星的运行时，他发现火星忽左忽右的摇摆似乎是在嘲笑那些本轮和均轮，地心说对此一筹莫展。

于是他尝试了日心说，行星逆行的问题随即迎刃而解。

原来根据日心说，地球和火星就像在赛跑的运动员，只不过地球在内道，火星在外道。

因此地球的速度要比火星快，所以当地球完成内道超越的时候，火星看起来就在后退；可是当地球快要套圈的时候，火星却在地球前面，此时火星看起来就在前进。

日心说用简单的六条轨道解决了这个80多个本轮和均轮都解决不了的问题。

可是问题接踵而至，第谷的学生约翰尼斯·开普勒在整理老师的观测记录时，发现火星的运动总与根据日心说推算的运动有微小的偏差，可是他反复验算也找不出问题的症结所在。

于是他开始像哥白尼一样探寻新的理论。

在这个过程中，开普勒发现无论是托勒密、哥白尼还是第谷都在默认一点，那就是行星的轨道都是完美的圆形，其实这也是亚里士多德“天体完美无缺”理论的演绎。

那么问题会不会出现在这里呢？他开创性地提出行星轨道都是椭圆，并在此基础上进行了大量的观测与计算（要知道当时微积分还没有创立，对于这种计算的难度是可想而知的），事实证明开普勒是对的，人类用自己的双手再一次颠覆了我们脑海中想当然的观念，天空不会亘古不变，行星的轨道也不是圆形，而是一个一个的椭圆。

开普勒一鼓作气，研究了所有当时已知行星的轨道后提出了他著名的开普勒行星运动三定律，即：1、每一个行星都沿各自的椭圆轨道环绕太阳，而太阳则处在椭圆的一个焦点。

2、在相等时间内，太阳和运动中的行星的连线（向量半径）所扫过的面积都是相等的。