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第25章 天文物理学的发展历程(5)

伽利略既是勤奋的科学家,又是虔诚的天主教徒,深信科学家的任务是探索自然规律,而教会的职能是管理人们的灵魂,不应互相侵犯。所以他受审之前不想逃脱,受审之时也不公开反抗,而是始终服从教廷的处置。据说,伽利略只是在听了判决后,喃喃地说:“无论如何,地球确实在运动啊!”

不过伽利略并没有被投入监狱,而是被软禁。他被指定居住于佛罗伦萨郊区,不得离开。他在生命的最后几年里仍努力研究。1636年写成力学著作《两种新科学的对话》,并偷运到荷兰出版。后来伽利略双目失明,于1642年病逝,终年78岁。

罗马教廷可以给伽利略定罪,但是却抹煞不了他对天文学的贡献,就连当时的教皇乌尔班八世也不得不说,只要木星的光芒在天空闪烁,地球上的人就永远不会忘记伽利略。

基督教会对太阳系的承认是迫于科学的进步和科学知识的广泛传播。

1757年,教会取消了对哥白尼《天体运行论》的禁令,1822年承认太阳是星系的中心。

1979年,罗马教廷宣布重新审查对伽利略的裁判,1980年成立了一个由杨振宁、丁肇中等著名科学家组成的伽利略案件调查委员会。

1983年,罗马教皇承认“给伽利略定罪的法官犯了错误”,宣布给伽利略平反。

(第四节 )第二次天文学革命

一般地说,人们对事物的认识,总是先问“是怎样的”,得到答案后再问“是怎么来的”。近代以来人类对宇宙的认识过程也正是如此。16世纪时,哥白尼革命要解决的就是天体是怎样运行的问题,主要表现为太阳和地球的关系。后来,随着人类认识水平的提高,人们必然要提出宇宙是怎么来的问题,并要求作出科学的而不是纯思辨的回答。

20世纪的天文学主要就是围绕这个问题展开的,它借助于现代物理学革命的成果,从观测手段、知识体系和宇宙观等方面,对以前的天文学进行了全方位的突破,建立了一个以宇宙演化、恒星演化为核心的大演化宇宙图景。因而,被科学史家称为继哥白尼革命之后的第二次天文学革命。在这场革命中,最大的成就就是演化宇宙观的确立。

康德-拉普拉斯星云假说

在近代科学史上,最早提出宇宙演化概念的是德国哲学家康德和法国数学家拉普拉斯。他们的思想对20世纪的宇宙演化理论产生了巨大的影响。

康德于1755年提出太阳系起源的星云假说,探索了太阳系和各行星的起源。他认为,太阳系是由炽热的“原始星云”发展来的。在遥远的过去,一团炽热的原始星云在旋转运动着。由于内部的质点吸引和排斥的相互作用,密度大的质点会把小的质点吸引过去,形成引力中心,这个中心质量越来越大,最后形成太阳。同时,由于旋转作用和排斥作用,还形成一个围绕太阳旋转的扁的云雾状物质环,这个环后来形成了围绕太阳运动的各种行星。康德甚至还把他的星云假说推广到宇宙中去,认为宇宙中的各种天体都是由星云发展来的。

康德的星云假说,从太阳系本身的运动变化说明了太阳系是发展来的,而不再需要牛顿的神秘的上帝的“第一推动”。

康德的另一个科学假说是关于潮摩擦的。他认为,地球自转由于潮的摩擦作用而会减慢。这个假说后来得到证实。

康德的星云假说由于偏重于思辨而长时间未得到承认。直到1796年,法国数学家拉普拉斯提出了类似的、但有严格数学计算的星云假说,才一起被人们接受。所以,科学史上通常称“康德一拉普拉斯星云假说”。

拉普拉斯认为,太空最初弥漫着巨大的球状星云,炽热并在缓缓自转。根据角动量守恒原理,后来由于冷却而不断收缩时,转动速度便增大,离心惯性力也越来越大。在离心惯性力与中心部分的吸引力的作用下,星云逐渐变成扁平的盘状。当离心惯性力与引力相等时,边缘的物质就不再继续收缩而停留在原处,形成一个围绕中心旋转的气体环,这样的过程可以重复多次,形成若干个气体环。环内密度较大的物质吸引了周围的物质,逐渐形成围绕中心旋转的团块。中心体收缩为太阳,周围的团块冷却后形成行星。

与康德一样,拉普拉斯也否定了牛顿的上帝的“第一推动”,坚决反对上帝的插手。他认为,用太阳系本身的运动能够解释太阳系的起源。

据说,拉普拉斯曾把他的书呈献给拿破仑。有人告诉拿破仑,拉普拉斯在书中根本没有提到上帝。拿破仑曾问拉普拉斯:“您的宇宙体系大作中,为什么没有提宇宙的创造者?”拉普拉斯回答说:“陛下,我不需要那样的假设。”拿破仑对这个回答很感兴趣,把这件事告诉了著名的数学家拉格朗日,拉格朗日却说:“上帝的美妙假设,可以解释很多东西。”

虽然由于当时科学水平的限制,“康德·拉普拉斯星云假说”也有不少缺点和错误,但是,目前不少天文学家认为,星云假说的基本思想还是正确的。是他们首先把演化思想带进了天文学。

哈勃定律

在认识宇宙的大尺度结构上,人们的视野也是随着科学的发展逐渐扩大的。在古代,人们就已注意到银河系的存在了。18世纪,康德提出了“宇宙岛”的猜想,后来发现银河系就是这样的“宇宙岛”(即后来称的星系)。但对星云的本质却长时间存在着争论,一直到20世纪初期也没有定论。最后确定星云的本质从而结束这场争论的是美国天文学家哈勃。

1889年,哈勃出生于美国密苏里州。他的童年是在肯塔基州度过的。大学期间,他在物理学家密立根和天文学家海尔的影响下,迷恋上了天文学,并显示出很强的发展潜力。

1910年,哈勃从芝加哥大学天文学院毕业后,去了英国的牛津大学继续深造,回国后曾当过律师。但律师职业的地位和高收入并没有拴住哈勃那颗迷恋天文学的心。

1914年,他放弃了律师职业,重返芝加哥大学,并在该校的凯士天文台开始研究星云的本质。哈勃经过研究发现,星云并非都在银河系内。他推测一些星云,特别是具有漩涡结构的,可能是更遥远的天体系统。1919年,他用当时世界上最大的1.5米和2.5米反射望远镜照相观测旋涡星云。1924年,发现仙女座大星云的造父变星,根据周光关系,推算出它在银河系之外,是和银河系一样的恒星系统。当1924年底他在美国天文学会上宣布这一发现时,与会的天文学家们都意识到,多年来关于旋涡星云是近距天体还是银河系之外的宇宙岛的争论就此结束,从而揭开了探索大宇宙的新的一页。

20世纪初,斯里弗对旋涡星云光谱做过多年研究,发现谱线红移现象。哈勃在此基础上,并根据自己测定的距离资料,于1929年发现星系的红移量与它们离地球的距离成正比。这就是著名的哈勃定律。这一定律被随后的进一步观测所证实。这样,根据恒星光谱的红移量以及哈勃关系,就能够大略地测定所有发光天体与我们的距离了。现时已知离我们最远的天体达150亿光年,这当然只是我们目前“视线”所及的距离,随着技术的进步,这个距离还会不断地扩展。

日常生活中我们都有这样的感受:迎面而来的火车其鸣叫声特别尖锐刺耳,也即我们感到其频率升高;而离我们而去的火车其鸣叫声则明显迟钝,也即我们感到其频率降低。这就是物理学上的多普勒效应。光作为一种波,也有多普勒效应。当光源背离我们运动时,我们所观测到的它的光谱线便有向红端移动的现象,光源离开我们的速度越大它的红移量越大。

哈勃定律指出了河外星系的普遍红移,如果把这种红移做多普勒效应的解释,那么,必然会得出结论:河外星系都在远离我们而去,越远的星系退行的速度越大,从而意味着我们的宇宙正处于整体膨胀之中。也就是说,从宇宙中任何一点看,观察者四周的天体均在四处逃散,这就如同一个正在胀大的气球,气球上的每两点之间的距离均在变大。

由于哈勃在现代天文学,特别是星系天文学方面的杰出贡献,他被后人称为“星系天文学之父”。现代天文学的许多用语和名称与哈勃的名字连在一起。除了哈勃定律、哈勃常数、哈勃隐带等专业性比较强的词汇外,最为公众熟悉的是“哈勃望远镜”,因为各类媒体经常会报道它的消息。它是美国在1990年发射到太空的,其实就是一座太空天文台。

大爆炸宇宙理论

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