宇宙膨胀背后的故事(之三)

坐井观天看银河

开普勒和牛顿从根本上颠覆了亚里士多德、托勒密以地球为中心的宇宙模型,重新构建了太阳系。太阳和月亮并不是行星。前者是不动的恒星;后者只是地球的一个卫星,也是唯一真的绕地球转的天体。地球则成了行星之一,与原来已经认定的金木水火土五大行星一样在绕太阳的椭圆轨道上运行。

正如伽利略那不服气的嘟囔:地球在动。她不仅绕着太阳公转,而且还以24小时为周期自转,这样就很简单地解释了人类观察到的满天繁星步调一致的斗转星移。于是,亚里士多德精心设计的那个最外层、镶嵌着所有恒星的转动着的大轮子也就失去了意义:恒星是恒定不动的,是地球在动。

只是,皮之不存,毛将焉附?没有了那个天球做依托,漫天的恒星如何在太空漂浮、分布?牛顿力学只能计算太阳系内诸星体的运动。外面的星星离得太远,几乎完全没有引力的关联。唯一的联系是我们能被动地接收到它们传来的光,也就是看星星。要认识这个宇宙,人类依然只能依靠最原始的手段:观察、思考。

首先会想到的就是,夜空中为什么会有一条明亮的星河?


在希腊神话故事里,众神之王宙斯(Zeus)偷偷让他的私生子、后来的大力神赫拉克勒斯(Heracles)吸食他妻子、女神赫拉(Hera)的奶。赫拉惊醒后把孩子推开,致使乳汁喷洒而出,化为中国人称作银河的“奶路”。1

现实地看,银河是一条横贯夜空的窄带,在伽利略的望远镜里呈现出很多很多的星星。这条河流似乎在两头的地平线还继续延伸下去,环绕着地球。

1750年,英国的赖特(Thomas Wright)出版了《宇宙的原始理论或新假设》2,做出一个“新假设”。

他把托勒密的模型整个脱胎换骨:宇宙就是一个相对来说很薄的球壳,所有星星包括太阳系都挤在这个球壳之中。因为球壳半径非常大,太阳系所在的局部差不多就是直直的扁平盒子。地球随着太阳系在盒子中间。如果顺着球壳的方向看,那里会有密密麻麻的群星,便是我们所见的银河;如果转往其它方向,能看到的星星便会稀落得多。

赖特绘制的“球壳宇宙”模型。左图是全景,所有星星都在一个球壳里,球心是“上帝之眼”。右图是太阳系附近的球壳放大示意图。地球处于这一段的中心,顺着球壳方向看到的星星密集,便是银河。

赖特当然不可能想到160年后会有一个名叫爱因斯坦的人出来说宇宙是“有限无边”,但他的模型几乎就是爱因斯坦用来做类比的那个二维世界:如果能顺着球壳在星星中穿梭,就会发现一个有限无边的宇宙。

这个模型还让赖特为上帝找到一个比亚里士多德所设计的更好的家:球壳宇宙之外的球心点。上帝已经不再需要通过大轮子推动这个世界运转,他只需占据中心位置,通过那里的“上帝之眼”(Eye of Providence)督查、掌控整个宇宙的命运。

赖特的理论传到欧洲大陆时已经走样,但引起了一个刚刚30出头的德国青年的注意。康德(Immanuel Kant)那时候正在研习牛顿理论和物理世界。他在1755年出版了一本题为《自然通史和天体理论》3的小册子阐述自己的宇宙观。他认为赖特将神学与物理学结合到一起纯粹是画蛇添足:宇宙的结构应该可以完全遵循牛顿力学,不需要上帝的存在。

他也没觉得需要那么个有限无边的球壳。

受赖特模型的启发,康德心目中的银河就是一个延长了无数倍的太阳系:一个里面装着很多星星的大铁饼式的圆盘。就像众行星在同一平面上绕着太阳转一样,这个圆盘也在旋转。与赖特相似,他设想这个盘子面积非常大,但只有一定厚度。我们的太阳系在盘子中心,因此我们看到的夜空有着一道明亮的银河,那就是盘子的边缘方向。


赖特和康德只是在大胆假设,天文学家却需要小心求证。

在伽利略之后,越来越强大的天文望远镜一代又一代地出现。天文学家已经不再是肉眼看星星。与赖特同时代的英国天文学家赫歇尔(William Herschel)拥有着当时最大的望远镜,而且还都是他自己亲手制作的。

赫歇尔出生于德国的一个音乐世家,自己原本也是音乐家。他在34岁时读到一本天文教材后一下子走火入魔,随即荒废了音乐,全身心投入打磨望远镜镜片和夜晚看星星之中。工作起来,他甚至连吃饭时间都不愿意耽误,边干活边让妹妹给他喂食物。他妹妹卡罗琳·赫歇尔(Carlone Hershel)终身未嫁,全心全意为哥哥担任助手,自己也颇有成就。

功夫不负有心人,赫歇尔几年后在1781年用自制的望远镜发现了天王星,声名大噪,也为自己赢得一份国王亲赐的终身俸禄,可以专心磨制更大的望远镜,看更多的星星。

为了看清宇宙的形状,赫歇尔采取了最质朴的笨方法:数星星。夜复一夜,他把望远镜指向天空的某一个方位,兢兢业业地数着那里能看到的星星、记录它们的亮度。当他把所有的角度都数完后,他得到人类有史以来第一个依据观测数据统计而成的模型:她的确像是康德所说的那样一个扁扁的大盘子,只是不圆,而是不规则形状。

对赖特、康德、赫歇尔来说,他们研究的既是银河模型也是宇宙模型。二者没有区别,都是太阳系外面的那个世界。今天我们有一个天文术语叫做“星系”(galaxy),这个词来自希腊文的“奶”,与“奶路”源于同一个故事。所以,宇宙、银河、星系那时候都是同义词。

可也正好就是在那个年代,人们开始意识到这三个词可以有不同的含义。


几乎与伽利略同时,曾经在帕多瓦大学与他共事过的德国人马里乌斯(Simon Marius)也在用望远镜观看星空,而且比伽利略更早发现了木星的卫星。伽利略指责马里乌斯剽窃,是科学史上一桩公案。今天,木星那四颗最大的卫星还被统称为“伽利略卫星”,却沿用着马里乌斯依照希腊神话为它们各自起的名字。

他们都发现有些肉眼看上去的单独一颗星在望远镜中其实是由很多密集的小星星构成。但马里乌斯更注意到也还有一个神秘的亮点即使在他的望远镜里也还看不出来其中是什么。

早在公元10世纪,当欧洲依然处于“黑暗的”中世纪时,波斯天文学家苏菲(Abd al-Rahman al-Sufi)对托勒密收集的恒星列表做修正补充,出版了《恒星之书》(Book of Fixed Stars)。他指出在仙女星座(andromeda)中有一个“云一般的点”(cloudlike spot),不像是一颗星,却也不知是什么。马里乌斯就是用他的望远镜看那里,发现还是只能看到一小片模糊的亮光,像是一个燃烧着的蜡烛火苗。

后来因为天文望远镜越来越强大,很多原来看不清楚的星点逐渐能够看出其中的星星,但仙女星座这个“云点”依然模糊如故。为了区分,天文学将能够看出由星星组成的亮点叫做“星团”(star cluster),而那些依然宛如云彩或雾霾的不明物体就被叫做“星云”(nebula)。自然,这神秘莫测的星云立刻就成为大家力图探究的对象。

1781年,法国的梅西耶(Charles Messier)整理出一份列表,上面有已知的100多个星云。他所用的排序一直沿用至今。仙女星云被列为31号,因此被称为“M31”。

赫歇尔使用他世界领先的望远镜,很快就把发现的星云的数目增加到2000多。不仅如此,他还看到星云有着各种各样的形状:有的圆圆,有的扁扁,还有的像彗星拖着尾巴。当他发现一个星云而仔细观察时,往往还会在它附近发现一些原来没注意到的暗淡星云。

虽然还不知道星云究竟是啥,这个发现一度让欧洲的天文学家长松一口气。

圣经《创世纪》开篇叙述道:“上帝说要有光,于是就有了光。……这是第一日。”接下来,一直到第四日,上帝才想起来要创造出太阳以及其它“天上的光体”。

那么,在太阳被创造出来之前,光是哪里来的呢?这个逻辑问题一直困扰着神学界。天文学家发现的这些不是星体却发着光的星云,也许正是上帝造太阳之前所造的光。他们终于可以理直气壮地回应无神论者的这一挑战了。

康德在写他的小册子时已经知道了星云的存在。他正是受其启迪而修改了赖特的宇宙模型,指出银河是一个圆圆扁扁的盘子。不仅如此,他认为银河并不是单一的宇宙。那些星云每一个都是一个与银河类似的宇宙,也与银河一样是扁扁平平的圆盘。它们距离我们非常遥远,故而看上去渺小、昏暗。而因为与我们相对的角度各有不同,它们便呈现出不同的椭圆形状。

康德、赫歇尔的宇宙——或者说银河——不仅有限,而且有边界。赫歇尔还通过自己的测量第一次估算了银河的大小。只是他们的模型说星星在太阳系周围有远有近,我们却无法分辨它们的距离。因为它们都太远,在地球上观察不到视差。

令赫歇尔最为耿耿于怀的是他无法确定那些星云的远近,只能根据看到的形状猜想。当他看到星云那些不同的形状时,他像康德一样认定那是银河外的“天外之天”。但他后来找到一个中间有一颗明亮星星的星云4时又立刻改变了主意,认为星云不过是银河内的某种发光气体。这样的气体在万有引力作用下可以逐渐凝聚成如同太阳系这样的结构,也许这正是我们太阳系的来源。


赫歇尔在1822年去世后,他保持的最大望远镜记录很快被更有魄力的下一代年轻人超越。爱尔兰贵族罗斯伯爵(William Parsons, 3rd Earl of Rosse)也是在34岁时突然半路出家,舍弃作为英国议会议员的从政而义无反顾地投入到这个有钱有闲人的新游戏中。1845年,他成功建造一个被称之为怪兽“利维坦”(Leviathan)的庞然大物。这个望远镜口径达1.8米,可以让当地名流戴着高帽子、撑着伞从容地穿过镜筒而助兴。他的目的只有一个:要看到赫歇尔没看到的星云中间的星星——他不相信星云只是银河中的气体。

他没有成功。在他高倍放大的望远镜里,他依然看到星云是一片的光芒。但他看到一个更加惊人的景象:有些星云的形状极其诡异,犹如在急剧转动中的涡旋。

罗斯伯爵很小心地描画出他在目镜中看到的图像,在英国王家天文学会做了学术报告。他自己说这实在奇异,这样的星云不可能是静止的,内部一定是在运动中。的确,他的发现是如此地匪夷所思,大多数同行觉得难以置信。因为只有罗斯伯爵拥有这样威力的望远镜,其他人无法独立验证,只能望天兴叹。他们怀疑那是罗斯脑子发昏引起的幻觉,或者他的望远镜存在太大的成像扭曲。

相信他的人则觉得这个发现为康德的主张提供了更扎实的根据:这些星云正是像银河一样是一个个在旋转中的大盘子——也许不是康德的圆盘而更像赫歇尔所画出的银河。他们发明了一个新词叫“岛屿宇宙”(island universes):太空中的星云就如同一个个小岛,每个岛都是自己的一个宇宙。


康德没有再涉足科学研究,而是成了著名的哲学家。当他30多年后写下后来成为他墓志铭的名句——“有两种东西,我们对它们的思考越是深沉和持久,它们所唤起的那种惊奇和敬畏就会越来越大地充溢我们的心灵。这就是繁星密布的苍穹和我心中的道德律。”——时,他自己可能已经忘了当初对“繁星密布的苍穹”曾经有过的猜想。

他所处的年代也正是现代科学终于与哲学、神学相揖而别的时刻。随着天文观测越来越精细,物理学发展越来越成熟,哲学家、神学家即使是在宇宙的大命题上的发言空间也越来越小,直至近乎消失。从赫歇尔之后,没有人还会在宇宙模型中再想着为上帝留下一隅之地。

罗斯伯爵在1867年去世。也就是在那19世纪中叶,天文观测又迎来了两个新的技术突破。天文学家因之可以确切地知道恒星、星云并不是真的恒定不动,而是在运动着的。不仅如此,他们居然还可以非常精确地测量出它们运动的速度。

(待续)

系列目录

1

这个故事有着几个不同的版本。

2

Original Theory or New Hypothesis of the Universe

3

Universal Natural History and Theory of the Heavens

4

现在知道那其实是一颗临死的恒星在往外抛射物质。