站在巨人的肩膀上，探索宇宙

2017 年 10 月 16 日 科学出版社

凭着天赋五官，人类开始探索宇宙的浩瀚，并称这趟奇幻之旅为科学。

——埃德温·哈勃

纵观整个人类历史，科学家一直在努力地理解我们在夜空中所看到的一切。许多著名的天文学家都在不同的程度上，为我们打开了理解天空的视角。几个世纪以来，从地球为宇宙中心的地心说观点，到发现宇宙正在加速膨胀，我们的宇宙观不断地发生着天翻地覆的改变。在这个发现的历程中，有许多天文学家做出的傲人的成就，今天，让我们站在这些巨人的肩膀上，探索宇宙。

（图片来源：Karl Tate，space.com）

当大多数人认为世界是平坦的时候，著名的希腊数学家、天文学家和地理学家埃拉托斯特尼（Eratosthenes, 276 - 195 B.C.）利用太阳来测量圆形地球的大小。他测量的39,690公里与地球的实际大小只相差了340公里。

在古希腊时代，天文学家、数学家克罗狄斯·托勒密（Claudius Ptolemy, A.D. 90 - 168）建立了一个以太阳、恒星还有其他行星都围绕着地球旋转的太阳系模型，即托勒密的地心说。尽管它推翻了地是平的这一错误认知，但这个理论本身也错误的存在了数百年的时间。后来人们认为：“托勒密代表的是整个希腊天文学知识系统的缩影。”

△ 托勒密的地心说模型。（图片来源：Bartolomeu Velho, Public Domain）

以阿左飞（Azophi）这一名字为人知晓的波斯天文学家阿卜杜勒-拉赫曼·苏菲（Abd al-Rahman al-Sufi, 903 - 986），第一次观测到银河系以外（即仙女座星系）的一群恒星。

到了16世纪的波兰，天文学家尼古拉斯·哥白尼（Nicolaus Copernicus，1473 - 1543）提出了一个涉及地球围绕太阳旋转的太阳系模型，即日心说。虽然他的模型并不完全准确，因为当时的天文学家对火星时而出现的逆行感到困扰，但这并没有阻止一些科学家开始改变对太阳系的看法。

△ 哥白尼。（图片来源：Public Domain）

基于丹麦天文学家第谷·不拉赫（Tycho Brahe,1546 - 1601）对行星路径进行的详细测量记录，约翰内斯·开普勒（Johannes Kepler 1571 - 1630）确定了行星围绕太阳旋转的轨迹不是圆形，而是椭圆。同时，他也提出了关于行星运动的三大定律。然而，当时封闭的思想环境让开普勒的工作面临危险。

开普勒生活的时代正是思潮动荡的时期，宗教领袖不愿意放弃他们对天堂的看法。由天文学家提出的天空是在非圆形轨道上运动的星体这种说法，有悖了地心说模型且威胁着他们心中的信仰，因此，开普勒和他的第一任妻子芭芭拉创造了一系列暗号来互通信件，避免他们面临因信件而遭受迫害的危险。

△ 开普勒的一生。（图片来源：JEFFREY PHILLIPS/COSMOS）

伽利略·伽利莱（Galileo Galilei, 1564 - 1642）生于意大利，他经常被认作为是创造了光学望远镜的人，事实上他做的是在已有模型上的改进。他在1609年制造了他的第一台望远镜，模仿了在欧洲其他地区制造的有三倍放大倍数的望远镜。在同年后期，他制作了一个可将物体放大二十倍的望远镜。

伽利略将自己新发明的观测工具瞄准了天空，并发现了四颗木星的主要卫星（现在被称为伽利略卫星），以及发现了土星环。尽管是哥白尼提出了日心说模型，但经历了很长的时间才被人们广泛接受。在开普勒计算出行星的轨迹后，伽利略是日心说的主要拥护者。他在晚年也因此遭遇软禁。

△ 伽利略。（图片来源：NASA）

同样是来自意大利的天文学家乔凡尼·卡西尼（Giovanni Cassini，1625 - 1712）测量了木星和火星旋转一周需要多久。他也发现了土星的四颗卫星和土星环之间的缝隙。为了纪念他，NASA于1997年发射了以他命名的太空探测器，前往土星对其大气、光环和卫星进行考察。

光的本质是什么？这个简单的问题困扰了科学家数百年，来自荷兰的克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens，1629 - 1695）是最早提出揭示光的本质的理论的科学家。他对望远镜的改进使他第一次识别出了土星的光环，之后还发现了土星的卫星——泰坦（土卫六），并且观测到了猎户座星云等。

1687年，艾萨克·牛顿（Sir Isaac Newton，1643 - 1727）在经历了20年的思考、实验研究、大量的天文观测和无数次的数学演算，终于出版了他的旷世之作《自然哲学之数学原理》。在书中，牛顿阐述了万有引力和运动定律，并详细地推导了这些定律导致的后果。牛顿的思想受到了哥白尼、伽利略、笛卡尔、培根、洛克和摩尔等人的影响，因此他曾说“如果说我看得比别人更远些，那是因为我站在巨人的肩膀上。”

△ 为了庆祝剑桥大学图书馆600周年，图书馆展出了这本牛顿珍藏的初版《自然哲学的数学原理》，书中有牛顿的注解和修正。（图片来源：剑桥大学图书馆）

牛顿的合作者爱德蒙·哈雷（Edmond Halley，1656 – 1742）研究了在1456、1531、1607和1682年夜空中出现的彗星后，得出一个结论：这几次出现的彗星是同一颗彗星。他也预言了该彗星会在1758年再次回归。尽管他没有等到彗星回归的日子，但他被证明是对的，而该彗星也被称之为“哈雷彗星”。

法国天文学家查尔斯·梅西耶（Charles Messier，1730 - 1817）制作了一张当时已知为“星云”的天体的数据库。在数据库中的天体都有相应的编号，比如M31代表了仙女座星系。他一生中还发现了13颗彗星。

英国天文学家威廉·赫歇尔（William Herschel,1738 - 1822）收编了超过2500个深空天体。他也发现了天王星和它的两颗最明亮的卫星，两颗土星的卫星，以及火星冰帽。他也训练了自己的妹妹卡罗琳·赫歇尔（Caroline Herschel，1750 – 1848）成为天文学家，是第一位发现彗星的女性，并在一生中发现许多其它彗星。

△ 亨丽爱塔·斯万·勒维特。（图片来源： Harvard College Observatory）

亨丽爱塔·斯万·勒维特（Henrietta Swan Leavitt, 1868 - 1921）是在哈佛大学当“人工计算机”的女性之一，她的工作是在相片底片上识别变星（Variable Star）的图像。她发现一颗有着特殊闪光被称为造父变星的亮度与其脉冲频率有关。这一发现使得天文学家可以计算恒星间与星系间的距离、银河系的大小以及宇宙的膨胀。

在阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）提出新的引力理论的不久后，他将自己的理论运用在宇宙学的研究上，并得到了出乎意料的结果。他发现我们的宇宙是不稳定、随时间演化的。在1917年的一篇论文中，为了使宇宙保持静止，他在自己的方程中引进了“宇宙学常数”，现在有许多物理学家认为该常数与神秘的暗能量有关。爱因斯坦在1917年发表的论文无疑是现代宇宙学的开篇。罗伯特·奥本海默（Robert Oppenheimer）曾在1966年发表的一次演讲中说：“爱因斯坦是一位物理学家，一位天才哲学家，是我们时代最伟大的人物。”

△ 爱因斯坦在1917年发表的论文被标记为现代宇宙学的诞生。（图片来源：Albert Einstein）

在美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble，1899 – 1953）登场之前，人们普遍认为银河系就是整个宇宙。当时，天文学家对夜空中观测到的“螺旋星云”（比如仙女座星系）的本质的看法存在着分歧，并引发了一场大辩论。以哈罗·沙普利（Harlow Shapley，1885 - 1972）为首的一派认为螺旋星云不过是银河系内的气体云。而以希伯·柯蒂斯（Heber Curtis，1872 - 1942）的一派则认为它们远在银河系之外。在那场大辩论的最后投票中，沙普利获得了更人的支持。

然而，沙普利只是赢得了一时。哈勃在基于勒维特的工作上，计算了仙女座星系中造父变星的距离，强有力的证明了仙女座星系的确是在银河系之外。后来，哈勃不仅对星系进行了分类，还找到了宇宙膨胀的证据。当哈勃的观测证实了我们的宇宙并非静止的时候，爱因斯坦拜访了在威尔逊的他，并称自己对方程的修正是这一生犯过最大的错误。

△ 上行为德雷克方程，下行为天文学家Adam Frank和Woodruff Sullivan提出的新方程来寻找在宇宙中有可能发展成先进文明的数量。（© A. Frank/University of Rochester）

弗兰克 · 德雷克 （Frank Drake，1930 - ）是寻找地外智慧生物的先驱者。他是搜寻地外文明计划（SETI）的创始人之一。1961年，他提出了著名的德雷克方程，依赖于一些列的未知量（比如银河系内恒星形成的速率；恒星有行星的可能性；位于可宜居地带行星的平均数等等。），他估算了在银河系内可能存在其它先进文明数量的方程式。

△ 在这张照片中，地球看起来像是一粒悬浮在阳光中的点，大小不超过0.12个像素，因此科学家将我们的家园称为“暗淡蓝点”。（图片来源：NASA）

1989年，当旅行者1号完成任务要离开太阳系的时候，卡尔·萨根（ Carl Sagan，1934 – 1996）向NASA要求让太空船向后看拍下对地球的最后一眼，他在《暗淡蓝点》一书中写道：“我们成功地（从外太空）拍到这张照片，细心再看，你会看见一个小点。再看看那个光点，它就在这里。那是我们的家园，我们的一切。你所爱的每一个人，你认识的每一个人，你听说过的每一个人，曾经有过的每一个人，都在它上面度过他们的一生。”

萨根在行星科学领域做出了许多重要的科学贡献，然而更令人称赞的是他乐此不彼地向大众传播着前沿天文学知识，带领我们探索浩瀚的宇宙。他擅长用极其有趣生动的方式向公众讲解复杂的科学概念，他富有魅力的教学方式和无限的精力总是能够影响着所有人。他是所有科普工作者的精神领袖。

△ 霍金。（图片来源：NASA）

最后，我们必须提到的是21岁就被诊断患有“渐冻症”的史蒂芬·霍金（Stephen Hawking，1942 -），他被认为是继爱因斯坦之后最聪明的大脑之一。他和彭罗斯合作证明了爱因斯坦的理论预言了在遥远的过去宇宙有一个开端，他也认为我们的宇宙无边无界。而他更广为人知的工作是关于黑洞的研究，比如他提出了黑洞的面积定理，与合作者提出了黑洞热力学定理，并发现了一个可以使粒子逃离黑洞的机制，即著名的霍金辐射。如今他依旧活跃于黑洞、宇宙和量子引力等领域上。此外，他还热衷于撰写科普著作，创作了许多脍炙人口的作品，比如《时间简史》和《果壳中的宇宙》等。尽管已75岁的他却仍在思考着宇宙最基本的问题，他的精神一直鼓舞着许多人勇往前行。

撰文：Nola Taylor Redd

编译：Zwicky

原文链接：https://www.space.com/16095-famous-astronomers.html

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ISBN 978-7-03-041253-9

如果科学家摸不到太阳，怎么知道它的组成呢？如果们看不到黑洞，怎么能肯定它们存在？引力物理学家戴维·加芬克尔和科幻作家理查德·加芬克尔兄弟俩在《通向宇宙的三级阶梯》中就解答了诸如此类的问题。《通向宇宙的三级阶梯从太阳到黑洞，再到神秘的暗物质》带我们探究宇宙学中某些复杂的现象，看科学家怎样通过观察、间接检验和理论来获得关于宇宙的知识。如果你想要了解更多关于宇宙的知识，看这本书没错，它展示的是科学家揭示宇宙奥秘的方法。

（本期编辑：王芳）