天文学发展的几个阶段

128，观测手段的发明

人们常说，天文学的成就等于大望远镜的尺寸和大脑尺寸平方的乘积。这一方面反映了天文学发展中理论和观测相结合的重要性，另一方面说明了观测仪器的发明制造对天文学发展所起的举足轻重的作用。在日新月异的天文观测技术中，我们已介绍了近些年人类在天文观测手段的发明和制造方面所作的努力和取得的初步成就。

大自然赋予每个人一台精巧的双筒望远镜——我们的双眼。借助于它，人们看到了满天的星斗和日月。但这台“仪器”虽精巧，尺寸太有限。因此，它把银河系视为“牛奶河”。我想，伽里略一定不满意牛奶河的概念，或许他相信光线总是来自一些具体的光源，于是他想揭示这天河的“结构”，1609年他制成了口径为 4.4 厘米的望远镜。在他的望远镜下，肉眼中的天河果然是由一颗颗明亮的恒星组成。这是人类天文观测的一次大飞跃，也是光学天文学发展的开始。1668 年牛顿制成了第一台牛顿式反射望远镜。虽然在 17 世纪后半叶它并没有对天文发现做出重大贡献，但到了 18 世纪反射望远镜却大显神威。1789 年赫歇尔制成了一架口径 1.22 米、焦距 12.2 米的当时世界上最大的巨型望远镜。当时，天文学家对是否存在银河系结构有着种种猜测，但赫歇尔通过大量天文观测，并采用抽样统计方法，分区计数恒星数目以及亮星与暗星之比，在一些粗略的假设下，获得了一幅扁而平、轮廓参差、太阳居中的银河系结构图。赫歇尔的工作从观测上证实了一个比太阳系更高一级的天体系统的客观存在，这是人类对宇宙认识史中的又一个飞跃。以后的一百多年中，人们一直把太阳视为银河系的中心。但观念的转变不是靠想象，而是靠艰苦细致的天文观测。1918 年，沙普利通过对球状星团距离和方位的确定，才证明了银河系中心不是太阳所在处，而是在人马座方向离太阳数万光年处。赫歇尔发现的大量云雾状斑点的天体，直到 1923 年哈勃通过威尔逊山天文台的 1918 年建成的 2.54 米的反射望远镜，识别了星云中的造父变星，才确定了河外星系的存在。可见，观测仪器的建立，是天文学发展的先导。

射电望远镜的建立导致了 60 年代天文学的四大发现。总之，天文学的每一个数据的取得，每一项重大成就的出现，都需要人们的巨大投入。上面我们已介绍，尽管各个国家经济上都会出现各种困难，但天文学家仍在千方百计地克服困难，努力建造更新、更大的设备，以便更有效地获取藏在宇宙深处的信息。为了欣赏壮丽的宇宙天体交响曲，人们几乎是不惜任何代价啊！

129．基本观测数据的获得——数量大，周期长

建造天文望远镜是要花费财力和人力的。利用望远镜进行观测更是一个艰苦和细致的工作。观测天文学大师第谷，26 岁开始从事天文观测。近 30 年的科学生涯使他累积了大量的行星运动的观测资料，直到他 55 岁去世时不得不将他大量珍贵的观测资料遗赠给开普勒，要求开普勒继续完成他的未竟事业。天文学家常把通过天文观测而得到大量数据的工作，称为第谷型的工作。它是天文学发展的第一阶段。今天，科学技术高度发展，天文学家的观测工作当然不会像第谷那样艰苦，高度自动化的设备，计算机的数据和图像的快速处理功能，使人们几乎可以一边喝着咖啡一边聊着天就可取得所要的数据。但由于天文现象变化的缓慢，很多现象需要我们历时数十年的数据才有决定性意义。验证广义相对论的经典观测事实之一，水星近日点的进动速率就是每百年 43 角秒。这些数据绝非一两年的观测就能最后确定的。为了确定恒星的自行，常常需要比较相隔 50 年的恒星照片。这些实际上都要求几代人持续地工作。

一般情况下，对天体大体可分为两种类型的观测。一类是对个别特殊天体的观测，另一类是“巡天”观测。

对单个特殊天体的观测，是“抓典型”的观测。它是通过个别天体特征的研究推动一般研究。或因其特殊而往往导致重大发现。例如，对一些类星体和活动星系核，通过个种波段上的观测进行了相当详细的研究。从 x 射线波段的连续谱能量分布推测这些天体的能量辐射机制；甚长基线干涉仪观测证实 50 多个这类天体有超光速膨胀运动；光学观测发现它们很多有光学喷流结构；紫外光谱显示银河系对它们典型谱线吸收等。这些观测也都是在这类天体发现已来的三十多年的时间内持续进行的。1974 年泰勒等发现了一颗射电脉冲星 PSR1913 16。它与当时已观测到的所有的射电脉冲星都不同，观测直接证明它是双星系统中的一员。观测数据表明这双星系中的两颗星都是致密星。从 PSR1913 16 脉冲到达时间的微小变化，他们猜测这变化可能是由引力波辐射造成的质量损失而引起的。为此，他们又进行了四年多的监视性观测，分析脉冲到达时间的变化。最后定量地证实了引力辐射阻尼理论是正确的。

“巡天”观测是为了通过对大样本的统计研究而得到对于某类天体的整体性质，所进行的数据采集。这类观测和研究在天文学发展中起过不可估量的作用。最典型的事例可算是 20 世纪初“赫罗图”的建立。它是以测定大量恒星的光度和色指数（反应恒星温度）为基础。在这里，重要的不是对个别恒星的详尽研究，而是获得足够均匀和完备的样本。哈勃定律的建立虽然只用了 24 个星系，但定律建立后成千上万的河外星系和更大红移的类星体已得到，为了检定它们是否遵从哈勃定律，从而验定大爆炸宇宙学的观测基础，这也需要对大量星系的红移和标准烛光进行“巡天”。20 世纪 80 年代以来，为了进行宇宙大尺度结构的研究，揭示星系和星系团间的相关性和成团特征，从而加深对星系的形成和演化的认识，这也要求对星系的大样本“巡天”。需要确定大量星系的空间方位和距离（红移）。北京天文台正在进行的利用60／90 厘米施米特望远镜的多色巡天，预计对 500 个天区对于星系和类星体完整样本的采集，其副产品是这些天区的恒星。他们预计两年内完成四分之一的“小巡天”。由此看来，如果完全顺利，也至少得八年时间才能完成全部巡天任务。此外，在每张 0．9 平方度天区的巡天底片中会有数以万计的天体的像。以 500 张为单位计的巡天底片又得花费多少人力和物力去分析和处理啊！

130．经验定律的总结

人们往往还多少带点同情和钦佩的心情来看待从事实际观测的天文学家。每当夜深人静，人们都进入梦乡之际，他们正紧张地工作在望远镜旁。尽管是在欣赏来自宇宙天体的动人的交响曲，但成年累月地处于这种状态也不免使人感到枯燥乏味。因此，像那些“第谷型”的天文学家，也不愧称为在天文观测中默默奉献的英雄。

但人们往往容易轻视利用观测资料进行的“统计”工作。其实，对科学发展有着举足轻重作用的正是这些通过“统计”得到经验定律的工作。天文学中常称为哥白尼或开普勒型的工作。它被认为是天文学发展的第二阶段。最初，人们通过朴实的天文观测，发现行星的运动轨道不是人们想象中的“圆”，而是在那里“兜圈子”；正是哥白尼第一个由这些视运动观测，推测出了地球绕自身轴的自转和绕太阳的公转。而开普勒又从第谷遗赠给他的宝贵资料中总结了他的关于行星运动的三个定律，为牛顿建立万有引力公式提供了原始素材。如果没有赫罗图的发现，人们肯定无法认识恒星的形成及其演化的一生。没有哈勃定律的发现，人类大概还会坚持宇宙永恒不变的陈旧观点。总之，天文学发展的第二阶段是带革命性的。它往往需要天文学家更多的魄力和勇气。某种意义上，理论模型的建立只是把经验定律加以数学化的技术问题。在物理学的发展中也不乏这种例子。从法拉第的电磁流线到马克斯威的电磁场方程的得到；从普朗克常数的发现到量子力学的建立都是相似的过程。

从认识论观点来看，天文学发展的第二阶段是一个由表及里即由现象到本质的认识跃变过程。人类只能从事物的相互作用和相对变化中去认识事物。也就是说，人们直接认识的只能是事物的表面现象。只有人们将大量的表面现象通过比较、加工，去掉假象的东西，逐渐留下一些反映本质的内在规律。“统计”的方法本质上只是把这思维过程加以几何化或定量化。人们常用“直方图”把得到的结果直接表示为几何图像。将一些随机变化的偶然因素尽可能除掉而留下人们预计的内在规律。*在《实践论》中指出的：“理性认识依赖于感性认识，感性认识有待于发展到理性认识，这就是辩证唯物主义的认识论。”是同样的道理。

131．理论模型的创立

正是牛顿将开普勒关于行星运动的三定律总结成了万有引力公式。这是天文学发展的第三个阶段。这个阶段的发展并不是一个单纯的“翻译”工作。某种意义上它是一个“统一”的努力。本质上来说，人类认识事物的过程就是一个“统一”的过程。列宁在《唯物主义和经验批判主义》中指出：“下‘定义’是什么意思呢？这首先就是把某一个概念放在另一个更广泛的概念里。例如，当我下定义说驴是动物的时候，我是把‘驴’这个概念放在一个更广泛的概念里。”顾名思义，牛顿万有引力的“万有”当然就是一种统一了。实际上他正是把当时人们相信是截然不同的落体和天体的运动找出了统一的根源——引力。如果仅仅这样，还不是物理定律。只有当牛顿把他的公式用于月亮绕地球的运动，并用月亮运动的轨道参数归算到地球表面，所得到的引力与地面上通过精确的物理实验所测量的结果严格一致时，那么，他的猜测（或假设）才可能成为被人们接受的物理定律。从这个意义上来说，一个科学定律，比一个哲学上的思辨有更严格的要求。能量守恒，哲学上形成这个概念就比科学上确立能量守恒定律早一百多年。人们往往借此来说明哲学对科学的指导作用。其实，事情正好是倒过来的。一个逻辑上自洽的观念，哲学上就是可以接受的。但科学上还不能构成定律。就能量守恒而言，它是在摩擦能将机械能转化为热能和热能也可以推动机械转化为机械能的大量客观事实的基础上，再通过精确的物理实验，准确地测定了热功当量，从而在热能和机械能之间能通过数学表达式唯一地描述每一个具体的转化过程，此时，能量守恒才在机械运动和热运动间成为一个物理定律。它是否能推广到电磁运动或其他物理运动过程，还得由新的实验加以鉴定。当然，一个逻辑上矛盾的东西，肯定是不会得到任何实验支持的。这或许就是人类思辨的威力。也许有人深信：逻辑上自洽的东西，自然界中一定会存在。但至少目前并没有被人类的实践所完全证实。但科学家们常常相信：“我们在桌子上计算着的数字和方程式总是与现实世界有一定关系的。”可是人们常常难于理解这点，甚至更糟糕的是似乎有一个普遍的默契，认为某些现象正好是认真的理论学者或实验学者不宜去从事研究的主题。其实，科学史告诉我们，没有不适宜的课题，只有不适宜的研究方法。很多划时代的理论往往开始被人认为是“不适宜”的。

应该说明，牛顿万有引力公式的建立，是新理论创立的一种模式，但并不是唯一的模式。天文学的发展也有相反的事例。宇宙学的发展就是这样。爱因斯坦的广义相对论建立不久就提出了他的宇宙模型。当初，为了维持一个稳恒的宇宙，在他的引力场方程中加进了一个“宇宙常数”以产生一个“斥力”来平衡遥远天体间的“万有引力”。后来俄国数学家弗里德曼发现这个常数的加入是不必要的，并利用爱因斯坦场方程得到了一个动态的宇宙解。也就是说，在这个解中，有一个随宇宙时间变化的尺度因子。当此因子随时间增加，则表示一个膨胀的宇宙，反之，则表示一个收缩的宇宙。当尺度因子不随时间变化时，则是爱因斯坦所讨论的稳恒态宇宙。1929 年哈勃定律发现后，恰好证明了我们的宇宙是正在膨胀着的。因此，它是先有了宇宙的理论模型，而后被天文观测所证实，并从模型的三种可能性中确定了宇宙正在膨胀。

132．对未来观测的预言——新的观测要求

牛顿引力定律的建立不是天文学的结束，而是天文学从一个新起点发展的开始。在这个新的发展过程中，理论的预言成了它的特色。在万有引力公式建立后，牛顿反过来利用引力公式，设两个天体在引力作用下，研究运动和轨道的确立法则。他发现，运动轨道不仅可以是椭圆，而且也可以是其他圆锥曲线，如抛物线和双曲线。这一结论推动了彗星轨道的研究。1705 年哈雷利用牛顿万有引力公式，研究了哈雷彗星，并预言这颗彗星将于 1758 年再度回归。在他去世 16 年后，这颗慧星果然如期返回到太阳附近，其经过近日点的时间与预报的日期仅差了一个月。这件事在当时的欧洲引起了轰动。不仅哈雷彗星得以命名，牛顿的万有引力定律也在学术界得到广泛承认。我们在前面已介绍过，建立在牛顿引力理论基础上的摄动理论，通过对行星轨道计算结果和观测的比较中所预言的海王星的被发现，使牛顿力学的成就达到了它的顶点。

1919 年当爱丁顿在非洲日全食过程中，所得到的证实了爱因斯坦广义相对论所预言的。光线在引力场中会受到弯曲的观测结果发表后，同样在欧洲引起了轰动，一夜之间使爱因斯坦成为世界名人。他自认为他一生藐视一切权威，对一切理论持怀疑和批判态度，总是试图探索其弱点。但命运使他成了权威。这或许是命运对他的捉弄和报复。

但命运也并非总是这样捉弄每一个人的。大爆炸宇宙理论就受到了近 20 年的冷遇。40 年代就预言了的宇宙微波背景辐射迟到 1964 年才在对银河系射电辐射的观测中意外地发现。这一发现对后来宇宙学的发展起着决定性的作用。

“波得定则”提出并预言了有某个行星存在的 29 年后，1801 年元旦之夜才发现了第一颗小行星——谷神星。至今已有数千颗小行星被观测到。但波得定则的意义，至今仍是人们争论的问题。

总之，不管每个理论的命运如何，天文学家对理论的要求之一，是理论的预言能力。自古以来，人类往往相信命运，希望预测未来。但人类的经验表明，只有通过严格科学计算的预测是可靠并最后被证实了的。天文学家通过对 SL9 彗星轨道的精确观测，并在此基础上进行了严格的计算，提前了一年多的时间就准确地预报了它与木星发生碰撞的时间。当 1994 年 7 月 17 日4 时 15 分（北京时间）观测到第一次碰撞的发生的时刻，与预计时刻的误差仅在一分钟之内。这是天文学史上的一次最精确的预测。对照 1758 年引起欧洲轰动的哈雷彗星回归近日点时间的一个月的误差，是否能反映出当代天文学的突飞猛进呢？

通常人们谈及预测，往往总和神仙或上帝联在一起。牛顿晚年大概太热衷于“第一推动”的探索而陷入神学。人们往往还十分关心爱因斯坦是否也信上帝？有的人甚至很肯定地听说过：爱因斯坦也相信上帝！让我们看看他本人是怎么说的吧。1929 年他在回答一位犹太教领袖的电报中说：“我信仰斯宾诺莎的上帝，他显示于存在事物的有秩序的和谐中。我不信仰干预人类命运和行动的上帝。”1948 年在给纽约“*牧师俱乐部”的回信的最后，爱因斯坦说：“我认为在科学上有伟大创造成就的人，全都浸染着真正的宗教的信念，他们相信我们这个宇宙是完美的，并且是能够使追求知识的理性努力有所感受的。如果这种感受不是有强烈感情的信念，如果那些寻求知识的人未曾受过斯宾诺莎的对神的理智的爱的激励，那么他们就很难会有那种不屈不挠的献身精神，而只有这种精神才能使人达到他的最高成就。”

133．模型的证伪——进一步改进和发展模型

科学发展还有一个特征，那就是每当一个理论达到其成就的顶峰时，也是它遇到不可克服的困难的时候。牛顿引力理论正是在它预言的海王星得到证实的时候，在水星近日点每一百年 43″进动的微小数值面前遇到了不可克服的困难，从而导致了爱因斯坦广义相对论的产生。因此，爱因斯坦深信，即便是那些得到充分证实的科学理论总归还是一种假说，一种猜测。因此，他从来不满足于他所提出的任何理论。他总试图探索其弱点。他认为这种批判态度是一种最好的科学活动的特征。但这种批判态度，并不是对已有理论的全盘否定，而仅否定那些与更新的观测事实发生矛盾的部分。因此，这种批判必然是在一定范围内充分肯定原有理论的基础上，寻求理论在新条件下的扩充。

爱因斯坦在他的《自述》中说道：“牛顿啊，请原谅我；你所发现的道路，在你那个时代，是一位具有最高思维能力和创造能力的人所能发现的唯一的道路。你所创造的概念，甚至今天仍然指导着我们的物理思想，虽然我们现在知道，如果要更加深入地理解各种联系，那就必须用另外一些离直接经验领域较远的概念来代替这些概念。”

爱因斯坦确实是这样，他是牛顿的伟大赞赏者，他并不去批判牛顿的错误主张，而是做了更重要的事情：建立一种可以代替牛顿理论的理论，这个新理论不仅通过了牛顿理论所通过的一切检验，而且通过了牛顿理论所无能为力的某些检验，从而革新了物理学，扩大了物理理论处理问题的领域和能力。

但很多理论家并非如此，他们往往更容易满足于现有的成绩，总喜欢在旧的框架中加一些片面的假设，来拼凑出所想要的数据。他们喜欢宣布科学正处于“满天晴空”，把新理论视为“小小的乌云”。本世纪初如此，本世纪中期又有人宣布物理学将只有广度而无深度的发展了。近些年，由于宇宙学的一些成就，似乎极早时期宇宙的理论和现代时期的宇宙理论的“合拢”，物理学就实现了理论的“终极”！

但科学的发展史对上面的观点，恰好作了相反的回答。本世纪初，物理学中的两朵小小的乌云竟演成了倾盆大雨，相对论和量子力学就是在这暴风雨中诞生的。50 年代，企图建立在强子基础上的“统一”理论，几乎没有在物理学理论中留下什么痕迹。而新的粒子却接二连三地发现。60 年代以来，天文学的一系列重大发现正有力地冲击着现代物理学的基础。今天，质子、中子和其他的强子作为“基本粒子”的地位已让位于“夸克”。但夸克是否还有结构呢？我想多数人可能会回答：是的，并相信物质从微观角度来看是“无限可分割的”。但从宇宙大尺度的宇观来考虑，几乎有完全类似的情况。伽里略以前，人们逐渐认识到了太阳系结构，使人们发现以往视为宇宙中心的地球，只不过是太阳系中的一个普通行星。当时有人又把太阳系视为宇宙。伽里略的望远镜，揭开了人们认识银河系结构的序幕。太阳系又被包容在银河系中，并发现它在银河系中也是处于“边远”地区的、不起眼的一个成员。河外星系的发现又表明，银河系也不过是数以亿计的星系中的一普通成员，它被包容在更大的“星系团”结构中  我们又有什么理由相信，今天人们所观测到的，以哈勃膨胀为标志的包容了若干超星系团的更大结构，就是宇宙大尺度结构的终极呢？相反，天文学发展的历史倒让人们有理由相信：在宇宙大的宇观尺度方面，很可能与微观尺度的无限可分割相仿，它是“无限可包容”的。人们今天所研究的“宇宙创生”（和“宇宙消亡”），只不过是以哈勃流为标志的尺度量级的结构在比其更大的包容结构中的“创生”（和“消亡”）。宇宙无论从微小粒子的微观尺度来看，或者是从巨大天体的宇观尺度来看都是无穷尽的。我们深信未来天文学将从观测上证实这点，即便它不是一两代人的努力所能完成的。