越来越熟悉的天外

　　1642年，近代科学的先驱伽利略辞世，第二年的1月4日，近代科学之父牛顿（公元1643-1727）诞生在英国林肯郡的沃尔斯索普村中。关于牛顿的丰功伟绩的记述实在是太多太多，简单点说，就是从牛顿年轻时候开始，他就不断在数学、天文、物理、神学等等方面创造奇迹。因为我们是在说探索宇宙，那就单单说天文学就好了。牛顿总结并提出了万有引力的存在，并把物体相互吸引的问题推广到了浩淼的宇宙。在牛顿之前，开普勒和伽利略也曾考虑过引力的问题，1600年的时候，英国科学家吉尔伯特就提出了磁力是维持太阳系并驱动行星沿各自轨道运行的原因。开普勒也接受了这一理论，还得出了太阳对行星的引力与太阳和行星间的距离成反比的结论。而伽利略则坚持认为行星的运动是正圆和匀速的天然运动，不需外力的推动，行星的运动是由惯性自行维持的。在其之后，笛卡尔（公元1596-1650）也认同伽利略行星沿圆轨道匀速运的说法，他提出了漩涡说，认为宇宙是由不停旋转着的微粒所组成，太阳和行星便在各自的漩涡中心，行星漩涡带动卫星，太阳的漩涡带动行星、卫星和它们的漩涡。这个学说在当时曾产生很大的影响，不过因为与观察到的事实不符，无法定量讨论引力现象，这个学说很快就被否定了。而后的惠更斯（公元1629-1695）还发现了维持圆运动的物体需要一种向心力，并得到有关定量计算的公式，但他没有看出这对解决行星运行问题有什么重要意义，不过惠更斯也在天文学上做出了不少贡献，他改造设计的天文观察仪器非常牛逼，他发现了土卫六，并且还观测到了猎户座星云、火星极冠等等。

　　咱们接着说引力，1666年，意大利的天文学家波雷里（公元1608-1679）提出一个重要的概念，他认为行星的运动必须要存在一种平衡离心力的力，而这种力就是太阳对行星的引力。他认为行星运动的自然趋向是沿直线运动，太阳的引力把行星偏离直线运动而在一个闭合的椭圆轨道上运行，离太阳越近运行越快，则引力必须相应增大，以平衡增大了的离心力，所以引力是距离的函数。到底是什么形式的函数？波雷里没找到。英国皇家学会干事胡克（公元1635-1702）也察觉到了天体引力和地球上物体的重力有同样的本质，他试图用实验来证明这种力与距离的关系，还曾对引力做了三条假设，但他无法证明在引力作用下行星如何沿椭圆轨道运动。1679年底胡克写信给牛顿，问问牛顿研究得怎么样。牛顿没有回答胡克的问题，而是自己偷摸进行了认真的计算，并得出正确的结论。直到1684年8月，哈雷去剑桥向牛顿求教此问题时，牛顿告诉哈雷：行星在与距离平方成反比的引力作用下将沿椭圆轨道运动。哈雷问你这结论怎么得出来的啊？牛顿告诉他是计算出来的，但计算记录找不着了。哈雷说那不行啊，你得找啊，后来牛顿于当年的11月把此问题的新的严格数学证明寄给了哈雷。

　　三年后，牛顿出版了影响了世界近代科学史的著名书籍—《自然哲学的数学原理》。原理第一篇就提出了严谨的天体力学理论，论述了向心力和运动轨道之间的数学关系。证明了在与距离平方成反比的作用下，物体将沿圆锥曲线运动；引力的中心在圆锥曲线的一个焦点上。第二篇讨论在有阻力的介质中物体的运动，同时批驳了笛卡儿的漩涡理论。三篇介绍了许多研究成果，最后以《论宇宙体系》作为结束。哈雷（公元1656-1743）根据引力定律，计算了公元1682年大彗星的轨道，并且他预言1759年这颗大彗星将再次出现，哈雷没有活到1759年，但那颗大彗星却真来了。不久之后，这颗彗星有了一个名字：哈雷彗星，每隔76年就会无限地靠近地球。而当英国天文学家亚当斯（公元1819-1892）和法国天文学家勒威耶（公元1811-1877）从天王星所受到的摄动中计算出海王星的存在的时候，牛顿的万有引力定律得到了完全的肯定，而哥白尼的日心说也算是得到了完美的证实。牛顿爵爷虽然在这些年来不断被“倒牛派”攻击，但毫无疑问的是，直到牛爵爷的万有引力定律横空出世，古典天文学才总算彻底完善了。但科学永远没有止境，天文学还会在今后不断发展。有人问牛爵爷为什么没有受到教会攻击纠缠啊，一是教会在英国的影响力有限，二是牛爵爷虽然是近代科学之父，但其另一面，更是近代第一神棍。

　　爵爷之后的征服宇宙

　　1755年，德国天文学家康德（公元1724-1804）发表了《自然通史和天体论》一书，首先提出太阳系起源星云说。康德在书中指出：太阳系是由一团星云演变来的。这团星云由大小不等的固体微粒组成，天体是在吸引力最强的地方开始形成的，引力使微粒相互接近，大微粒吸引小微粒形成较大的团块，团块越来越大，引力最强的中心部分吸引的微粒最多，首先形成了太阳。外面微粒的运动在太阳吸引下向中心体下落是与其他微粒碰撞而改变方向，成为绕太阳的圆周运动，这些绕太阳运转的微粒逐渐形成几个引力中心，最后凝聚成绕太阳运转的行星，卫星的形成过程以此类推。法国的天文学家拉普拉斯（公元1749-1827）也独立地提出了太阳系的星云起源理论。两个人的学说在内容上大同小异，因而人们一般称之为康德-拉普拉斯星云说。星云说的直接敌人就是牛爵爷，因为牛爵爷在总结完万有引力定律之后，就把天体的运动的“第一次推动”归功给上帝了。星云说是用自然界本身演化的规律性来说明行星运动的一些性质，不过提出星云说的两位兄弟却不能用它来解释观测的现象，一代人做一代事，星云说这些年才又火热起来。

　　好了，咱们别再揪着牛爵爷不放了，天文学应该跨入一个新的阶段了。18世纪以前，天文学家们的研究对象始终没有逃出太阳系的范畴。虽说17世纪法国业余天文学家法布里许斯（1564-1617）首测变星，德国天文学家默耶尔（1570-1624）看到了仙女座大星云，荷兰天文学家惠更斯发现猎户座大星云，但这些零散的片段并没有形成系统。直到18世纪，英国天文学家哈雷发现恒星自行，英国哲学家布拉德雷误打误撞发现光行差，恒星天文学才开始萌发出生命力。而十八世纪最伟大的恒星天文学家，当属赫歇尔（1738-1822）。这个人从1773年起，就开始亲自动手磨制镜头，有时一磨镜头就连续磨上10多个小时，吃饭都由他的妹妹（卢克雷蒂娅·赫歇尔，也是个天文学家）来喂。直到1774年，铁杵真的磨成针了，他制成了一架口径15厘米、长2.1米的反射望远镜，并通过它观测到了太阳系的第七颗大行星：天王星。在英王乔治三世的支持下，他又通过3年多的努力，于1789年制造出了称雄世界多年的最大望远镜，它的镜筒直径达1.5米，镜筒长12.2米，竖起来有4层楼高，光是镜头就重2吨，看起来就像是一个大炮，现在好多摄影师都喜欢烧设备，其实天文学家也一样。经过使用大炮进行多年观察，赫歇尔确定了太阳也不是宇宙的中心，也许宇宙根本就没有中心。赫歇尔为恒星天文学的发展做出了很多贡献，也许历史也喜欢在他身上开玩笑，赫歇尔活到84岁，而84年恰好是天王星的一个公转周期。

　　如果说赫歇尔把宇宙探索带到了恒星的领域，那么哈勃（公元1889-1953）就是一个把宇宙探索带到无穷边境的人。他在威尔逊天文台专心研究河外星系，并在1922-1924年期间发现星云并非都在银河系内。哈勃在分析一批造父变星的亮度以后断定，这些造父变星和它们所在的星云距离我们远达几十万光年，因而一定位于银河系外。1925年，他又有了第二项重大发现：星系看起来都在远离我们而去，且距离越远，远离的速度越快（哈勃定律）。这一发现也有着很深远的影响：因为过去人们一直认为宇宙是静止的，现在却发现了宇宙是在膨胀的。而宇宙膨胀的速率还是一个常数，不过哈勃把这个数算错了，根据他的计算，银河系要大于其他星系，而且整个宇宙的年龄低于地球的实测年龄。后来其他的天文学家修改了哈勃的计算，完善了他的理论并使人们认识到宇宙已按常数率膨胀了100-200亿年。哈勃对天文学的发展作出了极大的贡献，把恒星天文学又带向了星系天文学，宇宙似乎变得更大。

　　望远镜的碎碎念

　　传统望远镜

　　1608年，荷兰小镇的一家眼镜店的主人汉斯.利伯希为检查磨制出来的透镜质量，把一块凸透镜和一块凹镜排成一条线，通过透镜看过去，发现远处的教堂塔尖好象变大拉近了，于是在无意中就发现了望远镜的秘密，而后传统的望远镜在接下来的岁月里不断发展，逐渐形成了几大分类。

　　折射望远镜

　　伽利略式望远镜由一个凹透镜（目镜）和一个凸透镜（物镜）构成，结构非常简单，能够直接形成正像，非常适合DIY。开普勒式望远镜则是用两片双凸透镜分别作为目镜和物镜，这使得放大倍数有了明显的提高，但此望远镜的成像是倒像，还需要在中间设置一个正像系统。伽利略式望远镜和开普勒式望远镜都属于折射望远镜的范畴，它是一种使用透镜做物镜，利用屈光成像的望远镜，优点具有宽广的视野、高对比度和良好的清晰度，对镜筒弯曲不敏感，非常适合做天体测量方面的工作。但它总是有残余的色差，同时对紫外、红外波段的辐射吸收很厉害，进入到19世纪以来，由于技术上无法铸造出大块完美无缺的玻璃做透镜，折射望远镜的发展几乎停滞了。

　　反射望远镜

　　由于折射望远镜的色差问题，天文学家们开始寻求突破，牛顿爵爷决定采用球面反射镜作为主镜，他把金属磨制成一块凹面反射镜，并在主镜的焦点前面放置了一个与主镜成45度角的反射镜，使经主镜反射后的会聚光经反射镜以90度角反射出镜筒后到达目镜，这种设计消除了色差、但存在一定象差。后来卡塞格林又做了些改进，用两块反射镜组成了一种反射望远镜，后来赫歇尔（这个就不多说了，见前文）等人又完善了不少细节，直到尤斯图斯在反射材料上取得了突破，才让哈勃的师父海尔制造出了震惊世人的胡克望远镜，哈勃的宇宙膨胀理论就是拿这个东东观测出来的。总结一下，反射望远镜是是使用曲面和平面的面镜组合来反射光线，并形成影像的光学望远镜，它不会产生色差，能在广泛的可见光范围内记录天体发出的信息，但它也存在着一些缺点，比如说：口径越大、视场越小，物镜需要定期镀膜等等。

　　折反射望远镜

　　在球面反射镜的基础上加入用于校正像差的折射元件，既可以避免困难的大型非球面加工，又能获得良好的像质量，这就是折反射望远镜。它最早出现于19世纪初。1931年的时候，德国光学家施密特用一块接近于平行板的非球面薄透镜作为改正镜，与球面反射镜配合，制成了可以消除球差和轴外象差的施密特式折反射望远镜，后来马克苏托夫用一个弯月形状透镜作为改正透镜，制造出另一种类型的折反射望远镜。此类望远镜的优点是视角宽广、体积小、象差小，非常适合业余的天文观测和天文摄影，缺点是使用了第二块镜片来反射光线，所以会损失一部分光线，折反射望远镜的前途是非常乐观的。

　　越来越熟悉的天外

　　同在20世纪30年代，其他的一些天文学家也在宇宙探索方面获得了一些成果，英国著名天文学家爱丁顿（1882-1944）指出，恒星内部的核心是具有产能作用的热气体球，并以辐射的方式向外传输它的能量。随后他以此为基础，开始研究将量子理论、相对论和引力理论统一起来，形成一个“基本理论”，到晚年几乎达到痴迷的程度。他确信质子的质量和电子电荷的数值不是偶然形成的，是“为了形成宇宙的自然和完美的特性”。后来由出生在巴基斯坦的天体物理学家钱德拉塞卡（1910-1995）则发现，当白矮星质量达到太阳的1.44倍时，其引力将大到足以把星核内的原子压缩到使电子和质子结合成中子的程度，此时这颗星核就成了一颗中子星。人们开始不断搭建着宇宙模型，其中有一种叫做稳恒态宇宙模型，他认为宇宙在大尺度上的物质分布和物理性质是不随时间变化的，稳恒不变。不仅在空间上是均匀的，各向同性的，而且在时间上也是稳定的。

　　不要以为自己提出一个比较超前的想法，就不会有人超越了，在一个牛人辈出的时代，超越的这个人大家已经熟得不能再熟了，就是爱因斯坦。这个人类历史上最伟大的物理学家，也是一个对天文学有着很深理解的天才。他对天文学的贡献主要体现在两方面，一是广义相对论，这项研究从一开始就与天文现象有密切的关系。广义相对论的一系列关键性的检验，都是在宇宙这个大实验室中完成的。根据广义相对论，爱因斯坦推算出水星近日点的（反常）进动，解决了一个天文学上多年不解之谜。同时他还推断光线在引力场中要弯曲，这一预言于1919年由爱丁顿等通过日食的观测而得到证实。在强引力场情况下，广义相对论有许多独特的结论。后来由发表量子力学论文而获得博士学位的奥本海默（1904-1967）根据广义相对论的说法，预言恒心在核能用尽之后，如果质量足够大就不可避免地会演变成黑洞。1967年，脉冲星被 证实为中子星，人们认识到空中的确存在着强场天体，而天鹅座X-1就被认为和能是一个黑洞，这些内容也就形成了天体物理学了；第二个方面就是爱因斯坦的宇宙学理论了，他在确立了广义相对论之后，紧接着就转向了考察宇宙。

　　1917年，爱因斯坦发表他的第一篇宇宙论文《根据广义相对论对宇宙学所作的考察》，这篇论文也正式宣告了相对论的诞生。爱因斯坦指出无限宇宙与牛顿理论二者这间存在着难以克服的内在矛盾，原则上，根据牛顿力学不能建立无限宇宙这一物理体系的动力学。从牛顿理论和无限宇宙这两点出发，根本得不到一个自洽的宇宙模型。因此，必然是要修改牛顿理论，或者修改无限空间观念，或者对二者都加以修改。爱因斯坦放弃了传统的宇宙空间三维欧几里德几何的无限性。他根据广义相对论建立了静态有限无边的动力学宇宙模型。在这个模型中，宇宙就其空间广延来说是一个闭合的连续区，这个连续区的体积是有限的，但它是一个弯曲的没有边界的封闭体。爱因斯坦在宇宙学的研究中引进用动力学建立宇宙模型的方法，引进了宇宙学原理、弯曲空间等新概念。而且他主张宇宙的体积是无限的或有限的这个问题，只有依靠科学而不是依靠信仰才能解决。这种崇尚科学的态度，继承了由哥白尼等开创的科学探索精神。而这种精神不仅仅被爱因斯坦一个人所继承，随后的天文学家们也都用严谨的观测和计算，探求着星辰大海的无穷秘密。

　　从地心到日心，再到宇宙的无限大，天文学家在不断完善着宇宙论，甚至有人为了维护真理献出了生命。托勒密是不正确，哥白尼也不全对，牛爵爷缺点一堆，哈勃算错数了，可天文学发展了。科学世界就是这样，总有犯错的人，也总有弥补错误的人，他们一起带领我们越来越了解这个宇宙。

　　近代天文学不仅吸收了古代天文方面的数学知识，而且还加入了物理学的内容，使得这个时候的天文知识不仅有数据而且还有实物，让人们能更加接受真实。

　　尾声

　　在很久很久的“坐地观天”的时代，人类始终都在探究着这个宇宙的奥秘，即使在几千年里充满了荆棘坎坷，即使与天空的距离遥不可及，但万物之灵却凭借着自己的才智和不断积累的知识逐步揭开了这个宇宙的真相，这些天文学家有的富裕、有的潦倒、有的快乐、有的抑郁，但同样的是，他们在星辰大海的征途上写下了自己浓厚的一笔。尽管有些人错了、尽管有些人输了，但他们同样赢得了后人的尊重。在宇宙已经变成无限大之后，当宇宙探索似乎变得永远没有尽头的时候，人类还在向宇宙发起挑战，而接下来的时光，属于霍金、属于谁多无名英雄、属于我们的下期文章，请关注下期《Geek》，那不再是一个“坐地观天”的时代，人类将离开地球奔向太空。