天文学史

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  天文学史汉语拼音:tiɑnwenxueshi;英语:astronomy, history of),研究人类认识宇宙历史,探索天文学发生和发展的规律的学科。天文学的分支。也是自然科学史的一个组成部分。

  天文学的研究在中国有悠久的传统(见中国天文学史)。近代天文学兴起后,从18世纪到20世纪初的两个世纪中,西欧国家对天文学史作了广泛的研究。现在国际天文学联合会内设有一天文学史组,几乎每年都举行国际性学术会议。在全世界范围,把整个人类认识宇宙的历史作为一个整体研究的是世界天文学史。研究各地区、民族和国家的天文学发展的则是有关地区、民族和国家的天文学史。世界天文学史和各地区、民族或国家的天文学史又可按时代划分成更细的分支。现按时间发展次序分三个阶段进行叙述:

哥白尼以前的天文学

  分为美索不达米亚天文学、希腊天文学和阿拉伯天文学。

美索不达米亚天文学

  天文学是最古老的一门科学,它与人类文明同步起源。约从公元前3000年开始,在两河(底格里斯河幼发拉底河)流域(希腊人称此地区为“美索不达米亚”)、尼罗河流域(古埃及)、印度河流域(古印度)以及中国的黄河流域,先后出现了原始的农业定居区,开始有文字记载,天文学也发展起来,其中以美索不达米亚地区最为突出。

  美索不达米亚在今伊拉克境内,从公元前3000年左右苏美尔城市国家形成到公元前64年为罗马帝国所灭的3,000年中间,虽然占统治地位的民族多次更迭,但始终使用楔形文字,天文学也在持续地向前发展,主要贡献有:

  1.创立60进位制,分圆周为360°,每度为60分(′),每分为60秒(″)。

  2.建立了“黄道”概念,分黄道天区为12宫(星座),另外还划分了其他一些星座,这些星座名称一直沿用到今天。

  3.以黄昏为一日的开始,以新月初见为一月的开始,以春分为一年的开始,用闰月来调整季节与月份的关系。

  4.对日、月、五星的运动有深入的观察和研究,在公元前4世纪所测朔望月和近点月的精度误差只有0.4秒和3.6秒,所作日、月、五星运行表极为细致,在月行表中栏目多达18项,其中包括月行速度变化、连续合朔日期、黄道对地平的交角、月球的纬度等,而处理这些数据的方法则是直折函数、斜率等,可说是利用多项式内插法来预报天象。

希腊天文学

  从有关证据来看,天文学从实用技术型转变为学术探讨,从运作程式上升到推理和论证,大约是公元前6世纪在希腊开始的。希腊早期的两位自然哲学家泰勒斯毕达哥拉斯都曾到埃及和美索不达米亚长期游历,并在神庙中向祭司问学(当时天文学知识就掌握在这些人手中)。他们与这两个古老文明都有密切的学术渊源,但他们的抽象思维和推理方法却是原始创新,毫无先例。

  毕达哥拉斯首先提出地为球形的概念,并且把它放在宇宙的中心,而围绕着它运动的天体,其大小、距离、速度等必须符合简单的数比。这种宇宙和谐思想对后代有深远的影响。他的学生菲洛劳斯提出地球每天绕“中央火”转动一周的理论,开日心地动说之先声。其后他的另外两位学生,又取消了“中央火”,把地球仍然放在宇宙的中心,但用地球的自转来解释天体的周日视运动。

  雅典学派亚里士多德对地动思想进行了有力的反驳。他以没有发现恒星视差来反对地球绕中央火转动的学说,以垂直向上抛出的物体仍落回原来位置而不是偏西来反对地球自转的学说。亚里士多德的这两个论据,直到伽利略的力学兴起和F.W.贝塞尔等发现了恒星的视差(19世纪中叶)才得以解决。但是亚里士多德提出的水晶球理论,因为过于复杂,后来也没有得到进一步的发展。

  希腊天文学的高峰不是发生在希腊本土,而是在埃及的亚历山大。亚历山大学派持续了约五个世纪,涌现了一大批杰出的天文学家,诸如阿利斯塔克阿波罗尼奥斯依巴谷,以及集大成者托勒玫等。

  阿利斯塔克有一篇论文《论日月的大小和距离》一直流传到今天。在这篇文章中,他利用几何学方法得出日地距离为月地距离的18~20倍,而太阳直径为地球直径的61/3~71/6倍,这些结果虽然很不准确,但他毕竟发现了太阳比地球大得多。也许由于这个缘故,使他有勇气站出来,再一次提出完整的日心地动说:地球每天自西向东自转一周;每年沿着圆形轨道绕太阳转一周;五大行星和地球一样,也在绕太阳运动;看不到恒星的视差,是因为它们和地球的距离远大于日地距离。

  阿利斯塔克的日心地动说比亚里士多德的水晶球理论简单得多,而且能够克服它的一些困难;但人们无法接受把地球当作一个行星的看法。因此,还得以地球为中心,沿着圆运动的思路继续前进。约在阿利斯塔克的半个世纪后,阿波罗尼奥斯提出了本轮均轮说:行星做匀速圆周运动,而这个圆周(本轮)的中心又在另一个圆周(均轮)上做匀速运动,这样行星和地球的距离就会有变化。通过对本轮、均轮半径和运动速度的适当选择,就能说明行星的顺行、逆行和伏、留现象。同时,它们的亮度也会因与地球距离的改变而发生变化。

  依巴谷(又译喜帕恰斯)继承了阿波罗尼奥斯的本轮均轮说,但在他发现了太阳周年视运动的不均匀性以后,又提出了偏心圆理论来解释,即太阳绕地球做匀速圆周运动,但地球不在这个圆周的中心,而是稍偏一点(离中心1/24半径处)。他还据此编算了太阳运行表。

  除本轮均轮和偏心圆理论外,托勒玫又提出了“对点”概念,即地球也不在行星和月球的各个均轮的圆心上,而是偏离一段距离。在托勒玫体系中是:太阳在均轮上直接绕地球运动;水星和金星的均轮中心位于日地连线上,这一连线一年绕地球转动一周;火星、木星、土星到它们各自本轮中心的直线与日地连线平行,这三颗行星每年绕各自本轮中心转一周。此外,恒星天和这七个天体每天还要绕地自东向西转一周。在有了这些假设以后,再适当地选择各个均轮与本轮的半径比、行星在本轮和均轮上的运行速度、地球对各均轮中心偏离值、各本轮平面与均轮平面的交角等,就可计算日、月、五星的位置。

  托勒玫把这一套理论写成了一部13卷大书《天文学大成》,成为西方天文学的经典,一直到1543年哥白尼的《天体运行论》出版才逐渐被抛弃。

阿拉伯天文学

  从托勒玫《天文学大成》(约140)到N.哥白尼《天体运行论》(1543)之间的1400年间,天文学在欧洲停滞不前。但从7世纪起阿拉伯民族征服了阿拉伯半岛西南亚,包括外高加索的大部分、中亚的广大地区,埃及和整个北非比利牛斯半岛法国南部,建立了许多伊斯兰国家,形成了历史上的“阿拉伯文化”,但阿拉伯文化不仅是阿拉伯民族的贡献,而是这一时期(8~15世纪),这一地区内许多民族的贡献(如1447年的《乌鲁伯格天文表》就是蒙古族的贡献),不过都是用阿拉伯文写成的。阿拉伯天文学是从翻译印度和希腊的天文学著作开始的,在其后的发展中主要贡献是对观测精度的提高和计算技术的改进,重要的学派和天文学家有:

  属于巴格达学派(9~10世纪)的巴塔尼,通过长期观测修正了《天文学大成》中的不少数据,所确定的回归年长度非常准确,成了700年后格里高里改历的基本依据,发现了太阳远地点的进动。他的全集《萨比历数书》(又译为《论星的科学》)是一部实用性很强的巨著,对欧洲天文学的发展有深远的影响。

  属于开罗学派(10~12世纪)的伊本·尤努斯从977年到1003年做了长达26年的观测,在此基础上编撰了《哈基姆历数书》,不但有观测数据,而且有计算的理论和方法,用正射投影和极射投影的方法解决了许多三角学的问题。他的日、月食观测记录为近代天文学研究月球的长期加速度提供了宝贵资料。

  西阿拉伯学派(11~13世纪活跃在西班牙地区)早期的阿尔·扎卡里测出太阳的远地点相对于恒星的移动是每年12″.04(真实值为11″.8),黄赤交角在23°33′和23°53′之间来回变化,有《恒星运动论》、《星盘》等专著多种,最重要的是1080年主持完成的《托莱多历表》,在欧洲使用了170多年,才被1252年出版的《阿方索表》所代替。

  西班牙国王阿方索十世是一位阿拉伯天文学家的学生,但他本人信奉基督教,他对阿拉伯天文学传入欧洲和欧洲天文学的复兴起了很大的作用。他主编的《天文学全集》,共五大卷,收录了阿拉伯世界的全部天文仪器,图文并茂。由他授命主编的《阿方索表》在欧洲风行一时,直到15世纪才由两位德国天文学家C.普尔巴赫雷格蒙塔努斯发现他预告的天象已误差很大(月食差1小时,火星差2°),需要进行新的探索。后者于1474年在纽伦堡出版了一本新的《航海历书(1475~1505)》,其中给出了行星每天的位置,为哥伦布1492年发现新大陆提供了条件。而阿方索于1252年在一次有阿拉伯天文学家和犹太天文学家参加的学术讨论会上的发言更是敲响了托勒玫学说的丧钟。

近代天文学

  从16世纪中叶到19世纪中叶的天文学。

日心地动说的确立

  1543年哥白尼《天体运行论》的出版,标志着近代天文学的诞生。他在书中倡导的日心地动说,虽远可追溯到希腊,近有阿方索十世、巴黎奥里斯姆古萨尼古拉等为其开路,但成为系统的科学理论,从而引起人类思想上的一场革命,则还是由于他的艰苦努力。他用了很长的时间,经过观测、计算和反复思考,先将他的观点写成一篇《要释》,在朋友中间流传和征求意见,然后写成六大卷的《天体运行论》,到临终前才出版。这部书中人类所居住的地球不再有特殊的地位,它和别的行星一样绕着太阳公转,同时每天自转一周。行星离太阳由近而远的排列次序是水星金星地球火星木星土星。只有月球还是围绕着地球转,同时又被地球带着围绕太阳转。恒星则位于遥远的位置上安然不动。

  哥白尼的日心体系是经过了长期而曲折的斗争才得到了公认。

  由于没有发现因地球绕日运动而造成的恒星视差现象,又认为哥白尼日心体系无法同《圣经》相调和,B.第谷提出了一个折中体系:所有行星绕着太阳转,太阳又携带着它们绕着地球转。但第谷是一位杰出的天文观测者,他认为三家学说的最后结局只能由更多、更好的观测来检验。他的继承者J.开普勒在分析他留下来的大量观测资料时发现,对火星来说,无论用哪一家学说都不能算出与观测相符合的结果,虽然这差异只有8′,但他坚信第谷的观测结果。这样他推测“行星做匀速圆周运动”这一传统观念可能是错的。他用各种不同的圆锥曲线来试,终于发现火星沿椭圆轨道绕太阳运行,太阳处于椭圆的一个焦点上,这一图景和观测结果符合。同时他又发现,火星运行的速度虽是不均匀的,但它和太阳的连线在相等的时间内扫过相同的面积。这就是他发现的关于行星运动的第一、第二定律,刊布于1609年出版的《新天文学》中。10年后,他又公布了行星运动的第三定律:行星绕日公转周期的二次方与它们的椭圆轨道半长轴的三次方成正比。

万有引力定律的发现

  开普勒关于行星运动三定律的发现,正如他自己所说:“就凭这8′的差异,引起了天文学的全部革新。”它埋葬了托勒玫体系,否定了第谷体系,奠哥白尼体系于磐石之上,并带来了万有引力定律的发现。哥白尼曾经说过,地之所以为球形,是由于组成地球的各部分物质之间存在着相互吸引力,并且相信这种力也存在于其他天体之上。开普勒也曾想过,可能是来自太阳的一种力驱使行星在轨道上运动,但他没有提供任何说明。牛顿则用数学方法率先证明:若要开普勒第二定律成立,只需引力的方向沿着行星与太阳的连线即可;若要开普勒第一定律成立,则引力的强弱必须与太阳和行星的距离的二次方成反比。在此基础上,他又进一步证明,宇宙间任何两物体之间都有相互吸引力,这种力的大小和它们质量的乘积成正比,和它们距离的二次方成反比。

  1687年牛顿发表了他的《自然哲学的数学原理》,明确提出了力学三定律万有引力定律,建立了经典力学体系,这导致了天体力学的诞生。1799~1825年,P.-S.拉普拉斯出版了5卷16册巨著《天体力学》,全面而系统地探讨了天体力学的各有关问题,提出了有关的理论和方法,因而成为天体力学的奠基之作。依据天体力学的原理,天体的运动完全是由天体本身的力学特性所决定的,无须借助任何超自然的力。天体力学的诞生,使天文学从单纯描述天体间几何关系进入到研究天体之间相互作用的阶段,说明了天体的运动和地上物体的运动服从同一规律,并进一步否定了亚里士多德的两界说。万有引力定律问世、天体力学诞生后,运用它取得了一个又一个胜利。其中最激动人心的是,1845~1846年英国J.C.亚当斯法国U.勒威耶运用它推算出当时一颗未知行星的位置,德国伽勒则依据勒威耶的推算位置找到了这颗行星,即海王星

太阳系起源说的诞生

  牛顿所建立的经典力学体系,实现了科学史上第一次大综合。但由于当时习惯于对自然界的事物分门别类地、孤立而静止地进行研究,并往往用机械运动来解释千差万别的自然现象,这导致了17~18世纪占统治地位的形而上学自然观的形成。牛顿本人也深受形而上学思维方法的束缚,他用太阳的引力和行星在轨道上因惯性产生的横向运动来说明行星绕太阳公转的必然性,但他又无法解释这种横向运动最初是怎样造成的,最后不得不求助于上帝,认为是上帝作了“第一次推动”,行星才能在近圆轨道上绕太阳转动起来,而且此后按照力学定律永远转动下去。牛顿的这一见解成了17~18世纪形而上学自然观的重要组成部分。

  1755年,德国哲学家J.康德提出了一个太阳系起源的星云假说,1796年拉普拉斯也提出了一个类似的星云说。这两个学说都认为太阳和行星是由同一个原始星云形成的,但对原始星云的性质、太阳的诞生和行星的聚合过程、行星绕太阳公转的形成等,则作了不同的解释。康德和拉普拉斯的星云说根本否定了牛顿对行星运动作的“第一次推动”的说法,说明了地球和整个太阳系是某种在时间过程中逐渐生成的东西,从而在当时形而上学自然观中打开了第一个缺口。康德和拉普拉斯的星云说以万有引力为理论根据,解释了当时所知的太阳系天体的许多观测事实,因而成了第一个科学的太阳系起源说,为天文学开创了一个新的研究领域——天体演化学

  近两个世纪以来,星云说经历了一个螺旋式上升的过程。19世纪末至20世纪初,由于星云说无法解释太阳系角动量的特殊分布问题(占太阳系总质量99.8%的太阳,其角动量只占太阳系总角动量的0.6%),许多学者纷纷提出太阳系起源的灾变说,即认为太阳系的行星系统是由太阳和别的恒星相遇的一场灾变中被拉出的物质凝聚而成的。20世纪30年代以后,一则由于灾变说无法解释太阳系的许多重要特征,二则由于恒星由星际云引力收缩而诞生的演化理论取得了极大的成功,三则由于考虑电磁作用,太阳的角动量会向外转移,用它可解释太阳系角动量的特殊分布问题。这样新的星云说再次活跃起来,成为当今太阳系起源学说中的主流。

银河系结构的探索

  在哥白尼的日心体系里,恒星只是遥远的“恒星天”上的光点,人们的视野还被束缚在太阳系的狭小范围内。1717年E.哈雷发现了恒星的自行,十多年后,J.布拉得雷在测量天体光行差的过程中得出,即使最近的恒星,其与太阳的距离也应远于6~8光年,若把太阳放在这样的距离上,它也就变成了一颗普通的恒星。这两大发现,使人们对太阳在宇宙间所处的地位发生了怀疑。在此基础上,F.W.赫歇耳迈出了勇敢的一步,他说:“我们无权假设太阳是静止的,正和不应否认地球的周日运动一样。”他认为恒星的视位移可能是恒星的自身运动和太阳运动的综合效应,如果恒星本身的运动方向是随机分布的,太阳运动必使其向点附近的恒星散开,而背点附近的恒星则相互靠拢。根据这一思路,仅用了当时仅知的七颗恒星的自行资料,于1783年得到太阳的向点位置,和今天的结果相差不到10°,相当成功。

  赫歇耳的更大贡献是,他采用取样统计的方法,用自制的口径为46厘米的反射望远镜,对自己事先选定的上千个天区,一一数出这些天区的星数以及亮星与暗星的比例,并假定:①宇宙空间是完全透明的。②恒星在空间均匀分布。③所有恒星的光度都一样。从而于1785年得出了一幅扁而平、轮廓参差、太阳位于中心的银河系结构图。现在知道,除银河系的直径大约是其厚度的五倍这一点基本正确外,其余见解都是错的。但在关于恒星距离的数据尚完全没有的情况下,赫歇耳能做出如此成绩,却令人无比钦佩,而他的取样统计方法则成了当今天文学中常用的方法,特别是在恒星天文学宇宙学中。

  赫歇耳以后的130多年间,人们总把太阳系看成银河系的中心。1916~1917年H.沙普利利用球状星团中造父变星周光关系来测量当时已知的近百个球状星团的距离并研究它们的空间分布。结果发现,这些球状星团有1/3位于占天空面积只有2%的人马座内,90%以上位于以人马座为中心的半个天球上。他认为,这种表面上的不均匀现象是由于太阳系不在银河系的中心而造成的,银河系的中心应该在人马座方向。1927年J.H.奥尔特通过研究银河系的较差自转,证实了H.沙普利的结论。经后人的反复测量,现已得悉银河系的半径约为6万光年,太阳离银心的距离为32,000光年,并以每秒250千米的速度绕银心运动,约2.5亿年公转一周。

19世纪中叶以来的天文学

  现代天文学起的时期。

天体物理学的兴起

  自古以来只能凭借肉眼观天。1609年伽利略首次将望远镜对准天空,一系列新发现纷至沓来,使人们大开眼界。但利用望远镜和它的一些附属设备,只能测定天体的位置和位置变化,考察天体的运动规律,粗略地估计天体的亮度以及观察某些天体的表象特征,无法研究其物理性质、化学成分和内部结构。19世纪中叶随着实验物理的发展,光谱学光度学和照相术应用于天文观测和研究,迅速改变了这一面貌。1859年10月27日G.R.基尔霍夫向普鲁士科学院提交的对太阳光谱中暗线的解释,宣告了天体物理学的诞生,标志着现代天文学的发端。

  后来的发展是,从光谱分析不但能够知道太阳和恒星的化学成分,还能知道它们的温度、压力、视向速度、电磁过程和辐射转移过程等。更重要的是:1905~1907年,E.赫茨普龙发现了同一光谱型的恒星有着光度截然不同的两类(巨星矮星)。两年之后,H.N.罗素提出了相同的、但更为广泛的、现被人们所熟知的赫罗图。1913年,罗素率先用演化观点来解释这个图形,认为恒星的一生是从红巨星开始,因引力收缩,温度不断上升,在赫罗图上向左演化进入主序,接着恒星缓慢地收缩,因收缩的能量不足以维持向外的辐射能,这样恒星的温度和光度逐渐下降,恒星沿主序下滑,最后成为红矮星。1924年,A.S.爱丁顿发现了恒星的质光关系。它表明,主序上不同位置的恒星具有截然不同的质量。若恒星真的沿主序下滑,恒星质量怎么会大幅度地变小,这是罗素理论难以解释的。按照罗素理论,恒星的能源来自于它的引力收缩,但计算表明,这解释不了恒星的漫长寿命。早在1920年,爱丁顿就预言:“如果一颗恒星的质量最初含有5%的氢原子,而这些氢原子又不断地合成为更复杂的元素,那么所释放的总热量将超过我们的需要,无须再去寻找其他的能源。”20世纪30年代末,C.F.von魏茨泽克H.A.贝特各自独立地提出了太阳和恒星的能源来自于氢聚变为氦的两种原子核反应——质子–质子反应和碳氮循环。贝特因此荣获1967年诺贝尔物理学奖。根据这一能源理论发现,主序并不是恒星的演化径迹,而是不同质量恒星在赫罗图上的一系列平衡位置,在这些平衡位置上,恒星稳定地进行核反应,温度和光度基本上保持不变。现在还在探索恒星在赫罗图上的演化路线,但其复杂程度是罗素所梦想不到的。

走向全波天文学

  突破大气障碍,观测全部电磁波是20世纪天文学的一大特色。天体发射的电磁波,由短到长,大致可分为γ射线X射线紫外线可见光红外线无线电波,波长范围从10-12厘米到108厘米。但是长期以来,用肉眼和望远镜只能观测到从0.3微米(紫光)到0.7微米(红光)之间这样一段狭小的光波范围,俗称“光学窗口”。

  20世纪40年代,借助于新兴的无线电雷达技术,收到了来自太空的无线电波,从此打开了瞭望宇宙的另一扇窗户——“射电窗口”,波长从1毫米到10米以上,形成了射电天文学。20世纪60年代天文学的四大发现(类星体脉冲星星际有机分子宇宙微波背景辐射),都是射电天文学的杰作,除类星体以外,其余三项均已先后获得诺贝尔物理奖(1964、1974、1978)。

  20世纪60年代的射电天文学,除观测得到的四大发现以外,还有观测手段的两大发明,意义也非常深远,一是综合孔径望远镜,二是甚长基线干涉仪(VLBI)。综合孔径射电望远镜的运转成功,不仅使射电天文的分辨率和成像本领一跃可与光学望远镜相媲美,而且使巨型光学望远镜的设计和制造也发生了革命性的变革,因而它的发明人M.赖尔荣获1974年诺贝尔物理奖。综合孔径射电望远镜是由许多小的天线(单元望远镜)排列成阵,它们之间由非常精密的传输系统连接。整个系统的“等效望远镜”面积等于全部单元望远镜面积之总和,其分辨率则取决于最远两个单元的距离。1981年美国新墨西哥州建成了一台特大综合孔径射电望远镜,由27面直径为25米的天线组成,呈Y形排列,每臂长21千米,其性能相当于一个直径27千米的抛物面天线,在厘米波段最高分辨率可达0.1角秒。VLBI也是一种综合孔径望远镜,不过各个单元均配有一套原子频率标准,用以代替普通综合孔径的传输系统,这就使得各单元之间没有实物连接,因而它们之间的距离可调节为“任意”长度。现在VLBI已发展到空间站与地面网联测。1997年2月日本发射了一颗带有一架8米天线的射电望远镜轨道卫星(远地点距地21,250千米),与加拿大出资在全球安装的8架地面射电望远镜共同组成VLBI网。由于基线大大延伸,其分辨率达到百万分之几角秒,相当于从加拿大蒙特利尔可看到东京的一颗米粒,计划用它来做高能天体物理的观测和研究。VLBI除用于天体测量和天体物理研究外,还可用于天文地球动力学研究,能以厘米级的精度测定地球的自转、极移以及板块的运动等。

  20世纪60年代天文设备的另一个重大突破是空间天文的早期试验获得成功。地球大气挡住了大部分电磁辐射,只留下两个窗口(光学窗口和射电窗口)让地球上的居民领略天体送来的信息。从天体发出的其他辐射,包括长无线电波、红外线、紫外线、X射线及γ射线,在茫茫太空中旅行了千年、万年乃至几十亿年、上百亿年到达地球的大门口时,却被大气挡了驾,不得其门而入。要迎接这些信使,就得“走”到大气以外,而1957年人造地球卫星的发射成功,则为此目的提供了可能。20世纪60年代以来,天文学家把各种观测仪器(包括望远镜辐射接收器粒子计数器等)送上探空火箭平流层气球航天飞机、人造地球卫星、宇宙飞船,“走”出大气,开创了空间天文学的新时代,是人类认识宇宙的又一次飞跃。

  空间天文是相对于地面观测来说的,若就研究波段来说,则产生了γ射线天文学X射线天文学紫外天文学红外天文学。30多年来,这些学科都取得了丰硕成果,2002年的诺贝尔物理学奖颁发给了X射线天文学的创始人R.贾科尼

  2002年诺贝尔物理学奖的另外两位获得者,美国R.戴维斯日本小柴昌俊的工作也属于天体物理学,但不是空间天文,而是把615吨的四氯乙烯(约38万公升)放在一个大罐子里,埋在地下深达1.5千米的深矿里,用它来俘获天体发来的中微子,从而又打开了人类瞭望宇宙的另一扇窗户。

  中微子以外,天文学家还考虑用引力波来探测天体。1978年,美国射电天文学家J.H.泰勒R.A.赫尔斯发现了首例脉冲双星PSR1913+16,经长期监测间接地验证了广义相对论关于引力波存在的预言,从而荣获1993年诺贝尔物理学奖。

  诺贝尔物理学奖本来是不发给天文学家的,但1964年以来已有14位天文学家荣获物理学奖,足以证明天文学已在整个物理科学中具有举足轻重的地位,成为基础科学研究的前沿阵地。至于“阿波罗”登月、哈勃空间望远镜上天,以及对太阳系许多天体的近距探测,更是令人眼花缭乱的成就。

河外星系的开拓

  在银河系之外,还有没有与银河系类似的天体系统,这个问题的研究始终与星云的观测与证认分不开。大、小麦哲伦星云对南半球的人来说司空见惯,但迟至1519~1521年麦哲伦航海至美洲最南端的一个海峡时,才把它加以描绘,记录下来,为世人所知。1612年德国天文学家S.马里乌斯用望远镜发现了仙女座大星云。其后,随着望远镜的口径增大,发现了更多的这种云雾状斑点。18世纪中叶,德国哲学家I.康德和地理学家洪堡提出,银河和恒星构成一个巨大的系统,看上去呈雾状的星云也是这样巨大的系统,它们在宇宙间就像岛屿在海洋中分布着,他们这个宇宙岛的预见,由于望远镜分辨率的限制和测定距离的困难,在经历了170年的曲折历程以后,到20世纪20年代才得以证实。

  1920年4月,在美国国家科学院爆发了著名的沙普利–柯蒂斯大辩论。H.D.柯蒂斯利用仙女座大星云中发现的三颗新星,定出该星云远在银河系之外,是一个独立的星系,而沙普利则反对柯蒂斯的结论。这场辩论,当时胜负未分。1923年,E.P.哈勃在威尔逊山天文台用当时世界最大的2.5米反射望远镜,把仙女座大星云的旋涡结构分辨为恒星,并且在这个星云内发现了许多造父变星。利用这些造父变星的周光关系,定出其距离为90万光年(现知为230万光年),远在银河系之外,而且体积比银河系还大。1924年底他在美国天文学会宣布这一结果时,与会天文学家一致认为,宇宙岛学说已取得了胜利,人类关于宇宙的认识翻开了新的一页。

  接着,哈勃又发现了许多星系,并把它们按形态予以分类,使人一看就知道这些星系是同一家族中互有联系的成员。更重要的是,他利用前人获得的星系光谱资料和他本人测定的这些星系的距离资料,于1929年得出红移和距离的关系:河外星系和我们的距离越远,它的光谱线的红移量越大。这便是著名的哈勃定律。如果红移是由于多普勒效应引起的,则红移和距离的关系就意味着越远的星系以越快的速度退行,各星系之间的距离在增加,则宇宙是一个膨胀的宇宙。

  但是,红移不一定是由多普勒效应引起的,哈勃的同事F.兹威基当时就提出另一种解释,认为红移是由于光线和星际物质之间的作用而引起的。这种作用使远来的光量子能量减低,波长向红端位移;因而也是距离越远,红移量越大。为了判断红移究竟是由哪种机制引起的,哈勃联合M.L.哈马逊观测了更多的星系,测出它们的视星等,并统计它们的数目。他们假定全部星系有同样的大小和同样的发光本领。这样如果星系在空间上的分布是均匀的,在极限星等和计数之间就应该有一线性关系,否则这个关系就不能成立。如果红移是由多普勒效应引起的,远处的星系密度应该小于近处的;如果红移是由于光线和星系际物质作用的结果,星系的密度应该到处一样。由于哈勃当时所掌握的数据太少,他无法作出判断,但这种方法至今仍在应用,并且推广到星系团射电源类星体的计数上,是当代观测宇宙学的一项基本工作,而哈勃的《星系世界》(1936)成了这一领域的奠基著作。

现代宇宙学的发展

  星系光谱线的红移,无论是由于星系退行,还是由于光能量衰减,都可得到相对论的承认。如果是前者,则是一个服从相对论引力定律的膨胀宇宙;如果是后者,则是一个静态宇宙,而后者还首先是由A.爱因斯坦本人提出来的。爱因斯坦在完成他的广义相对论以后,立即把它应用于宇宙学问题,于1917年发表《根据广义相对论对宇宙学所作的考察》一文,指出无限宇宙和牛顿力学之间存在着难以克服的矛盾,要么修改牛顿理论,要么修改空间观念,要么两者都加以修改。他放弃了传统的宇宙空间三维欧几里得几何无限性的概念,把空间和时间联系起来,并作了物质均匀分布和各向同性两条假设,从而建立了一个静态的、有限无边的动力学宇宙模型。

  与此同年(1917),荷兰天文学家W.德西特也用广义相对论研究宇宙学问题,得出了一个物质平均密度趋近于零的静态宇宙模型。这两个模型被人们研究、讨论了十多年,当星系谱线的红移和距离的关系发现以后,就成了问题。德西特模型虽然可用别的方法来解释这一现象,但一个没有物质的宇宙总难令人相信。爱因斯坦于1930年公开宣称放弃他的宇宙常数项后,在英国皇家天文学会演讲时,爱丁顿在欢迎词中说“为什么爱因斯坦方程只有两个解,而没有第三个解以适应于哈勃的最新发现呢”,曾经做过爱丁顿学生的G.勒梅特从刊物上看到这段话后,立即写信给爱丁顿,说他已经找到了第三个解,文章发表在比利时的刊物上,这就是他的原始原子说。他找到爱因斯坦方程可有几个时间函数解,以适应膨胀的宇宙。1932年,他又提出现在观测到的宇宙是一个极端高热、极端压缩状态的原始原子爆炸的产物。

  其实在勒梅特以前,苏联A.弗里德曼已于1922年发现了具有时间函数解的宇宙模型。他发现爱因斯坦在建立静态宇宙模型时有一个数学错误,指出爱因斯坦解和德西特解只是爱因斯坦方程更为普遍情况下的两个特殊解。他把爱因斯坦方程中的宇宙常数取消以后,得出宇宙既可是开放的,也可是封闭的。后人对弗里德曼的宇宙模型作了进一步的研究,发现宇宙是开放还是封闭,这要看物质的平均密度而定。

  1948~1956年,G.伽莫夫等人多次发表论文,发展了勒梅特的宇宙模型,更深入地探讨了宇宙从原始高密状态演化、膨胀的概貌,并把粒子的起源和化学元素的起源都结合进来一起考虑,从而形成了最有影响的大爆炸宇宙学。伽莫夫还明确预言,早期宇宙的大爆炸遗留至今还残存着温度很低的辐射。1965年宇宙微波背景辐射的发现证明了这一论断的正确性。如今对热大爆炸宇宙学的更大兴趣则集中在137亿年以前,大爆炸发生的10-43秒之后到3分钟之间的演化过程。10-43秒之前,相对论和现有一切物理规律都不能适用,有人想用时空量子化来解决这一问题,但尚未成功。从10-43秒到3分钟之间可用温度随时间降低的一个序列区别出几个阶段来。到3分钟时温度降到109K,第一个稳定的原子核出现。这一极早期的宇宙演化学粒子物理学大统一理论超弦理论密切相关,理论、实验、观测互相影响,是当代物理学的一个前沿,仍在不断发展中。

地外文明的搜寻

  首先是有没有“外星人”来到过地球。有人把许多不易解释的历史遗迹(如埃及狮身人面像、中国的悬棺等)当成是外星人留下的遗迹,但这些假说都缺乏有说服力的证据。20世纪议论最多的是“不明飞行物”(UFO)。1948年美国空军执行了一项“蓝皮书计划”,经过22年研究,对12,600份目击者的报告作了处理,发现其中12,000起均为已知物体。1968年美国科罗拉多大学成立了一个专门小组,有几十位各方面的专家参加,写出长达1,500页的报告,结论是没有根据证实UFO是天外来客,对此问题无须再作研究。

  第二个问题是:在太阳系内其他天体上有无智慧生命(至少是会点火和用火)存在。19世纪末,洛韦尔关于火星人及其运河的宣传曾经轰动一时,但20世纪空间探测器对太阳系各种天体的近距考察可以断定,在太阳系内除地球以外,其他天体上均无智慧生命存在。

  剩下的一个问题是:在其他恒星附近有没有类似太阳系的行星系统。在这些行星系统上有没有生命、智慧生命,甚至高度文明的出现,1956年苏联科学院的两位院士奥巴林(生物化学家)和费森科夫(天文学家)合写了一本《宇宙间的生命》来讨论这个问题,最后一章的结论是:生命起源和演化的过程只可能在固态的行星或卫星的表面上发生,而且这些行星和卫星必须符合五项条件,缺一不可:①必须处在太阳这样稳定的而且较老的恒星周围。②为了要有适宜的温度和温度变化不能太大,行星与中央星的距离要适中,而且轨道必须近于圆形,轨道面和行星赤道面的交角不能太大;行星的自转周期也不能太长。③质量不能太大,也不能太小。太小了保不住大气圈(如月球);太大了,完不成元素丰富度的转变(如木星)。④没有大气层不行,大气层太厚也不行。⑤要有液态的水和能够合成有机化合物的化学元素——碳、氢、氧、氮等。这五项条件,有四项都是要求适中,也就是“中庸之道”,所以有人就把它称作中庸原理或“平庸原理”。

  根据这一原理,利用统计学方法,把各种条件出现的概率都考虑进去可算出,在银河系内任选的一颗恒星周围出现“文明”的概率只有25万分之一,但是银河系内恒星总数约为2,500亿,因而地外文明单在银河系内就可能有100万之多,更不用说河外星系。

  有人对以上讨论持根本反对态度,认为就拿地球上的一个样本来无限推广,很难令人置信。自1963年范德坎普根据巴纳德星(离地球最近的恒星之一)的自行晃动,发现该星具有质量为木星0.4倍和0.8倍的两颗行星以来,至2001年底为止已发现地外行星系70个。20世纪80年代利用红外卫星(IRAS)发现在织女星周围有一尘埃带,尺度约为80天文单位,总质量约为地球的300倍,也许是一个新的行星系正在形成中。

  但这些发现离证实地外文明的存在还很遥远。20世纪70年代以来已有四艘宇宙飞船(“先驱者”10号和11号,“旅行者”1号和2号)带着人类为地外文明准备的礼物,飞出太阳系,奔向星际空间。“旅行者”1号和2号各携带一个专门的录声器,一个金刚石唱针,以及关于它们使用方法的编码说明,并录制了55种语言的问候以及各种各样的声音,如狗叫、婴儿哭等。这些仪器即使在太空旅行10亿年也能播出声像,一旦某个地外文明获得了这些声像,也许对我们有所回应,但至今尚无音信。

  此外,1974年美国还利用设在波多黎各的大型射电望远镜(直径305米)向离地球25,000光年远的球状星团M13发送电文,电文用双编码写成,能译成图像。图像上有DNA的双螺旋线和一个人像,希望能进行星际交流,至今也没有结果。

  除了发送信号外,美、俄、澳大利亚加拿大等国也都在用大型射电望远镜监听地外文明的信息。美国于20世纪90年代开始的“搜索地外智慧生命”计划,可接收800万个频道,每1.7秒扫描一次,一半用于巡视整个天空,一半用于监测离地球80光年以内的约800颗太阳型恒星。后来许多天文爱好者也参加进来,成立SETI联盟,利用自己的计算机和自行购置的卫星天线,一起扫描天空来进行普查。1996年有两个英国天文爱好者检测出一个他们无法辨认的信号,但两个星期后获悉他们发现的“外星人”实际上是美国海军的秘密卫星。