尋覓宇宙的中心｜宇宙膨脹背後的故事

宇宙膨脹背後的故事（之二）：尋覓宇宙的中心

作者 | 程鶚

愛因斯坦的宇宙「有限無邊」，處處對稱：其中每一個空間點都與其它任何點等價——這個宇宙沒有中心。

在他之前200來年，牛頓在辯解宇宙不會因為他的萬有引力而塌陷時則說過宇宙可以是無限的，沒有任何中心能作為塌陷的終點。

他們的出發點完全不同，卻都自然而然地假設宇宙不存在一個中心。

雖然他們的說法都經歷了嚴格的科學質疑，但至少兩人都沒有因此遭遇科學之外的詰難。

比牛頓再早不過幾十年、上百年的伽利略（Galileo Galilei）、哥白尼（Nicolaus Copernicus）等人卻沒那麼幸運。

他們僅僅質疑了地球是否是宇宙的中心，便觸犯了當時社會主流的條規。

因為在那個年代，宇宙的中心不僅是一個事實判斷，還更是神學、哲學之信仰。

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雖然直到今天還有人頑固地認為地球不是一個球體而是非常寬廣的平地（即「地平說」），人類其實很早就領悟、接受了地球不是平的這一事實。

古希臘人觀察到迎接回港船隻時總是先看到來船的桅杆然後才能看到船身、航海的船員知道越往北走北極星在天空的位置會越高，等等。

至遲在公元前350年，亞里士多德（Aristotle）在《論天》（On the Heavens）中便指出月食是因為地球擋住了太陽投向月亮的光（而不是什麼「天狗吃月」）。所以，月食時月亮上那個黑影正是地球的投影，是圓的。

在人造衛星、宇航員能夠直接觀看自己家園的兩千多年前，人類其實已經用月亮做鏡子看到了地球的形狀。

亞里士多德之後不久，埃拉托色尼（Eratosthenes）更是利用夏至日正午太陽投影在兩個不同維度的城市中的差別測量了地球的大小。

他發現地球的周長是那兩個城市之間距離的50倍——現代測量的結果是47.9倍。

與地球是圓的類似，也有不少證據表明地球是靜止不動的：在地球上生活著的人安然若素，從來沒有暈車、暈船那種處於運動環境的反應；我們在地面上跳起、或者往天上高高地拋出皮球，都會直上直下地落在原地：地面沒有在騰空時移動；如果沒有風吹，空中漂浮著的雲彩紋絲不動，不會落在地球的後方……

因此，古希臘的先賢們認識到人類所處的是一個靜止不動的圓球，被滿天的繁星籠罩著，星星們繞著地球步調一致地緩慢轉動（中國人稱之為「斗轉星移」）。

為了辨識這些星星的位置，他們把比較明亮的星星們就近組合成為「星座」（constellation），並以它們的形狀加以想像賦予各種形象的名稱。

在這個星空背景上，還有太陽、月亮以及幾個肉眼可見的星星沒有固定的位置，而是在一些特定的星座——所謂「黃道十二宮」（zodiac）——中遊走。

這些「行走的星」（wandering stars）因此被稱作行星。

在沒有什麼測量儀器的古代，這些行星的位置只能用肉眼觀察，以其所在的背景星座粗略地描述。

因為地球是圓的並有著一定的大小，在地球表面不同地方、或者在同一地方但不同時間看這些行星，它們背後的星座位置會略有差異。

這是因為觀察者角度不同，與行星位置的視線會延伸到星空背景的不同方位。這個現象叫做「視差」（parallax）。

通過簡單的幾何關係很容易想像到，被觀察的星星離我們越近，所看到的視差會越大。如果知道地球的大小，還可以通過視差角度計算星星離我們的距離。

在地球表面兩個不同地點同時觀察火星相對背景星空位置的「視差」示意圖。

從亞里士多德到公元2世紀的托勒密（Claudius Ptolemaeus），希臘先賢根據這些觀察和經驗積累，逐漸構造出一個非常具體的宇宙模型：靜止不動的地球處於宇宙的中心。行星處於地球外面不同距離的圓形球殼上，由近及遠依次為月亮、水星、金星、太陽、火星、木星、土星。

再往外則是一個非常大的圓球，上面鑲嵌了所有那些不自己遊走的星，即恆星。

這個恆星球殼便是宇宙的邊界。

在它之外也不是虛空，而是人類不可能接觸的另一個世界：上帝以及諸神之所在。

上帝推動著恆星所在的大圓球，令其每晝夜繞地球轉動一周。大球還依次帶動其它圓球各自的轉動，那就是我們看到的行星的「行走」。

亞里士多德、托勒密的宇宙模型簡單明了，通俗易懂。

模型中為上帝預留的空間和人類佔據宇宙中心的位置也符合上帝造人的邏輯。因此得到廣泛的接受。

16世紀葡萄牙人Bartolomeu Velho繪製的托勒密宇宙模型。地球處於中心，往外在圓形軌道上依次是月球、水星、金星、太陽、火星、木星、土星、固定恆星的天球。最外面是「天堂帝國，上帝之所在」。圖上還標識著每層軌道和地心的距離和它們的旋轉周期。

唯一的缺陷是，即使在沒有精確測量的年代，這個模型所描述的行星位置和走向也經常與實際觀測不符。

托勒密不得不持續加上一系列諸如「均輪」（deferent）、「本輪」（epicycle）再加上「偏心」（eccentric）、「載輪」（equant）的數學手段來修正——或者說拼湊。

於是，就像理想的「球形奶牛」突然到處長出好多犄角，原本簡潔的模型迅速異化成繁複混亂的大雜燴。

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古歐洲的科學、人文在托勒密時代登峰造極，其後卻隨著中世紀的到來被他們的後代丟棄、遺忘，直到一千多年後的文藝復興時期才從阿拉伯人保存的譯本中重新發現這個寶藏。

在那漫長的十幾世紀里，伊斯蘭科學家做出過一些改進，但托勒密的宇宙模型依然保持著原樣。

當16世紀的波蘭人哥白尼重新研究托勒密繁複的修正過程時，他很快發現如果改動一下，把行星繞靜止的地球運動改為太陽不動，其它行星（包括地球）繞太陽運動，可以大大簡化所需要的計算。

他指出這樣還可以很簡單地解釋為什麼水星和金星永遠地離太陽非常近：它們處在離太陽最近的圓球上，從外面圓球上的地球往裡看，它們會總是在一起。

哥白尼自己沒有觀測過行星的位置，也沒有新的數據。他只是用托勒密原有的數據，從數學上說明以太陽為中心的計算手段有明顯的優勢。

當然，他也明白從把一個靜止、處於宇宙中心的地球轉換為太陽中心，而上帝為人類特製的地球只是眾多繞太陽轉的行星之一會是一個非同小可的思想轉變。

雖然有當時教皇的鼓勵，他對公開發表這個理論依然遲疑不決。他的著作直到死後才問世。

他不可能知道的是，這個簡單的數學變換不僅引發了「地心說」與「日心說」曠日持久的爭執，而且標誌了一場科學革命的到來。

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托勒密的宇宙模型成功地預測到1560年8月的一次日食。

才13歲的第谷（Tycho Brahe）一方面對如此異常的天象和它的可被預測驚異無比，一方面也因為預測的日期與實際差了一天耿耿於懷，於是迷上了天文。

後來，他發明了可以精確測量星星高度的六分儀（sextant）。

1572年，他在仙后星座（cassiopeia）發現了一顆以往沒見過的星（現在知道那是一次「超新星」爆發）。

他跟蹤了幾個月，沒有發現像月亮所有的視差。

因此他斷定這顆新出現、後來又消失了的星比月亮遠得多，應該處於最外圍的恆星球。（在中國的明朝，宰相張居正因為這顆「客星」的出現教導了新登基的萬曆皇帝應該自省修身。）

然而，亞里士多德曾經信誓旦旦地說月球所在的天球之外是永恆、不變的，不可能突然冒出以前沒有的星星來。

年輕的第谷用實際的證據推翻了經典。

丹麥國王因此賜給他一座小島和資金修建一個專業天文台。

第谷在那裡發明、建造了一系列可以精準測量星星位置的大型六分儀、象限儀（quadrant）等儀器，開創了精確記錄行星數據的先河。

他還通過測量彗星的位置變化證明這些太陽系的不速之客不但也是來自遠方、還由遠而近地「穿透」了諸行星所在的那一層層球殼，證明亞里士多德所說的實體球並不存在。

描繪第谷使用他自製的大型牆式象限儀測量星星位置情形的繪圖。

1601年，第谷在54歲時「英年早逝」。他的死因一直是科學史上的一個謎，以至於遲至2010年他的遺體還被挖掘出來以現代技術分析是否死於謀殺。

但對於他的同時代人來說，更值得挖掘的是他遺留下來的海量天文數據。

第谷自己堅持地心說，也構造過複雜的太陽系模型試圖解釋這些數據。但他的數據比他的理論更富有說服力。

因為它們具備前所未有的精確度，迫使人們不得不正視無論是托勒密還是哥白尼的模型都無法與數據吻合的事實。

他的繼任開普勒（Johannes Kepler）為此不得不另闢蹊徑。

在各種各樣的嘗試失敗後，開普勒終於領悟到第谷的數據說明行星所走的路徑是橢圓，而不是從亞里士多德、托勒密到哥白尼、第谷等人一致堅持的圓形。

這些前人之所以對標準的圓形情有獨鍾，除了來自數學、哲學乃至宗教思維上的對稱、唯美傾向之外，也有現實的考慮：沒有什麼實在的東西可以轉出一個非圓形的形狀。

行星可能不依賴任何實體、「漂浮」在虛渺的空間里沿著抽象的「軌道」運動還不是他們所能想像的概念。

開普勒也無法解釋、理解這其中的原理。但他發現採取橢圓軌道後，其它種種困難都可以迎刃而解。

他陸續總結出後來以他名字命名的「行星軌道三定律」，揭開了整個太陽系的運動規律。

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第谷去世三年後，一顆更為明亮的超新星在1604年出現在蛇夫座（ophiuchus），持續三個星期在白天都能看得很清楚。（在那之後，要等到1987年才能再看到類似的超新星。）

開普勒和伽利略都對它進行了長期的觀測。

伽利略當時在義大利帕多瓦大學擔任數學教授，因為講授新星的出現表明亞里士多德體系的錯誤而與本校的幾個哲學教授結下了梁子。

但他更大的麻煩還在後面。

早在托勒密時代，人們就知道一定形狀的透明晶體、玻璃可以用來製作放大鏡、老花眼鏡。

但直到17世紀初，才有荷蘭人想起將兩個鏡片用圓筒一前一後連接起來，可以觀看很遠的物體。

伽利略在1609年聽說後，立刻就自己琢磨著製作出瞭望遠鏡（當時叫做「間諜鏡」：spyglass）。

他把這個對航海價值無比的新發明捐獻給當時的威尼斯共和國，因此贏得終身教職，工資也翻了三番。但更重要的是，他同時也把自製的望遠鏡指向了夜晚的星空。

這一看不打緊，用現代的話說就是「三觀盡毀」。

首先，他看到月球的表面坑坑窪窪，完全不是亞里士多德所想像的那種光滑圓潤、完美無缺的天體。

進而，他發現木星附近還有小星星，從它們不斷變化的位置可以推斷它們是在環繞著木星轉圈，也就是木星有衛星——不是所有星星都在繞地球這個中心轉。

後來，他又看到了金星像月亮一樣有圓缺盈虧，其變化幅度無法與托勒密的地心模型合拍，但可以用哥白尼的日心模型解釋。

伽利略描述他看到土星的衛星的筆記。

伽利略不計前嫌，邀請他的老對手來親眼察看這些奇觀，卻被拒絕。

哲學教授們對自己既有的世界觀更為珍惜，只好紛紛做了鴕鳥。

科學家則不一樣。開普勒收到伽利略送來的望遠鏡後，很快就證實了他的發現，還自己發明出不同鏡片設計的望遠鏡來。

隨著伽利略支持日心說的態度越來越明朗、擁有的證據越來越堅實，他與維護地心說的哲學家、神學家的關係也越來越複雜、緊張。

1633年，他在教會面前被迫認錯，被判終身軟禁。

傳說他在離開裁判所時，依然嘟囔了一句「可（地球）的確是在動。」（"But it does move."）

遲至1979年，教皇保羅二世（John Paul II）才正式為伽利略「平反」。

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沒有證據表明伽利略曾經在比薩斜塔上投下過不同重量的球做演示。

但他的確在比薩大學任職時開創了系統、精確運動學——或科學——實驗的先河，並用數據否定了亞里士多德重量與速度關係的謬誤。

因此，伽利略普遍被認為是物理學——甚至是現代科學——的開山鼻祖。

開普勒的行星定律和伽利略的運動學實驗成果後來在牛頓那裡得以集大成，以牛頓動力學三定律和萬有引力定律奠定經典物理學牢固的根基。

太陽成為新的中心，行星——包括地球——因為太陽的引力而圍繞太陽在橢圓軌道上運動成為新的科學真理。（牛頓引進的「慣性」概念也解決了地球上的人感覺不到地球在運動中這個難題。）

而當牛頓展望整個宇宙，猜測不存在什麼中心時，也沒有人再去追究他的離經叛道。

伽利略通過他的望遠鏡還看到了一個人類從來沒有見識過的世界：更多更多——「幾乎不可思議之多」（"an almost inconceivable crowd")——的肉眼無法看見的星星。

宇宙比當時任何人想像的還要更大、更豐富。而他的望遠鏡為人類認識、探索宇宙打開了一個嶄新的窗口。

1672年，伽利略逝世三十年後，法國戲劇家莫里哀（Moliere）公演了喜劇《女學究》（The Learned Ladies）。

劇中男主角對他的妻子、妹妹和大女兒三名女性不思女紅、家務，一味追求科學牢騷滿腹。他的抱怨之一是她們在自家樓上裝置了一具天文望遠鏡，要看月亮上在發生什麼！

的確，還在那個年代，擁有、使用望遠鏡進行天文觀察，已經成為歐洲上層人物、甚至並不富裕的中產階層附庸風雅的重要標誌。

他們所有的，也已經不是伽利略拿在手上的簡單直筒，而是佔據整個房間，甚至是需要專門修建天文館式建築才能容納的龐然大物。

自然，他們所觀看的，也不只是月亮上的變故。

人們的視野正投向更高更遠，逐漸超越太陽系、銀河系，直至宇宙的曠古幽深。

（待續）

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