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www.7727.com天文学史话》读后感(一),作者力图激发
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《星空的琴弦:天文学史话》是一本由汪洁著作,北京时代华文书局出版的平装图书,本书定价:48.00,页数:208,文章吧小编精心整理的一些读者的读后感,希望对大家能有帮助。

世间万物皆为造化设计,用设计师的眼睛看世界。

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《星空的琴弦:天文学史话》读后感(一):“差不多先生”今日是否依旧

这是溶液夜第100本读书计划的第16本。

文 | 张双南(中国科学院高能物理研究所研究员)

胡适有篇小文,叫《差不多先生传》,是这么写的:

本期溶溶夜读的书籍是《星空的琴弦—天文学史话》。这本书的精髓是:作者以天文学发展的时间轴作为描述主线,为我们把天文学历史和发展的整个脉络进行了详尽的梳理。同时,作者还在他的描述中,着重还原展现了那些重大发现的前因后果、来龙去脉,以及重点人物的所思所想。

导 读

“你知道中国最有名的人是谁?提起此人,人人皆晓,处处闻名。他姓差,名不多,是各省各县各村人氏。你一定见过他,一定听过别人谈起他。差不多先生的名字天天挂在大家的口头,因为他是中国全国人的代表。他常说:“凡事只要差不多,就好了。何必太精明呢?”……

但这并不是一本正儿八经的科学正史。作者力图激发更多人对科学的兴趣,有时会加入一些情节化的表达方式,但是这不仅没有损害科学家们追求科学真相的思维方式和实证方法,反而能够让你对科学精神有了更形象的认知,在作者带领下身临其境那些激动人心的天文大发现的历史现场。

自1609年伽利略发明天文望远镜以来,天文学的观测和研究对现代自然科学的发展做出了巨大贡献,包括建立现代科学研究的方法、奠定基础物理学的基础、促进人类宇宙观的七次飞跃等。

“有一天,他为了一件要紧的事,要搭火车到上海去。他从从容容地走到火车站,迟了两分钟,火车已开走了。他白瞪着眼,望着远远的火车上的煤烟,摇摇头道:“只好明天再走了,今天走同明天走,也还差不多。可是火车公司未免太认真了。八点三十分开,同八点三十二分开,不是差不多吗?”他一面说,一面慢慢地走回家,心里总不明白为什么火车不肯等他两分钟……

本书的作者叫做汪洁,是位科普作家,第八届文津奖获奖图书得主,著有《时间的形状:相对论史话》、《柔软的宇宙:相对论外传》、《外星人防御计划》等。他是全国各个科技馆及大、中、小学的人气嘉宾,知名电台节目《科学有故事》主播,在喜马拉雅、蜻蜓、网易云音乐、凤凰FM等电台订阅听众超过15万,全平台累计播放量超过1000万次。

在刚刚过去的2015年,人类太空探索达到了前所未有的深度与广度,一项项突破激动人心。

“他死后,大家都称赞差不多先生样样事情看得破,想得通;大家都说他一生不肯认真,不肯算帐,不肯计较,真是一位有德行的人。于是大家给他取个死后的法号,叫他做圆通大师……”

这本书的名字中,用了“琴弦”两个字,来源于作者一种十分浪漫的比喻。作者把星空比作一首交响乐,在广漠宇宙中闪烁着的星辰不断的按照我们已知或者未知的规律汇聚、离散,如同巨大的琴弦在演奏一部恢弘无比的乐章。当我们世世代代观察着、思考着我们身处的宇宙,也就是在聆听这首宇宙的交响乐。它时而高昂雄浑,时而轻柔悠远。自然的完美和不容辩驳,让我们所有的生物深深感到自身和人类文明的渺小。作者无意之中对音乐的感受触类旁通,暗暗显示出作者优秀的音乐素养和品味。

在Nature最近盘点的2016值得期待的科学事件中,中国太空探索备受瞩目。除了刚刚于2015年12月发射升空的暗物质粒子探测器“悟空”外,2016年中国将发射第二和第三个空间科学探测器:2016年6月发射全世界第一个量子通讯测试卫星;年底, 硬X射线调制望远镜将升入太空 ,在天空搜寻和观测黑洞和中子星等高能辐射极端天体。9月,中国将完成500米口径球面射电望远镜(FAST)的建设,超越波多黎各的阿雷希波天文台,成为世界上最大单口径射电望远镜。

胡适是一位曾经系统学习过西方近代科学知识与方法的人,写出这篇讽刺小说,可见其弘扬科学精神的良苦用心。鲁迅也曾经说过:“中国四万万的民众害着一种毛病。病源就是那个马马虎虎,就是那随它怎么都行的不认真态度。”读完《星空的琴弦》,我想起了差不多先生,不知他今日是否安好。作为一个天文爱好者,书中的知识我早已熟知,打动我的只有这句话:比科学知识更重要的是科学精神。

作为一名科普作者,汪洁也深知传播科学精神的重要使命。在所有天文学历史事件的描述中,他重来没有忘记说明其中的相关性和因果性的关系。而每个天文学发背后,都是有成千上万的科学家的努力来进行严密的实证。对于每位科学家的贡献和局限性,都做出了客观严谨的描述。那些大咖牛人并非毫无瑕疵,他们在科学面前的态度、贡献和地位,都是与他们真实的贡献相对应的。

中国在太空探索和天文学研究领域正在迎头赶上,这无疑走在发展科学事业正确的道路上。中国科学院高能物理研究所研究员张双南仔细梳理了天文学与现代自然科学的深刻联系,或将在中国开启天文科学研究新时代之际,给人们留下深邃的思考。

我以前一直以为中国自古以来的科学成就挺高的,四大发明啊,后来才认识到科技发明和科学发现是完全两回事,差了不知道多少个量级。在这个差不多先生的国度,人们到清末才知道自己脚下的大地其实是个球,只能算作最晚普及“地球”概念的民族之一。中学历史课本讲,西方列强的入侵掐断了我国的资本主义萌芽。讲真,我是不太相信,即便没有西方列强,中国也很难自动进化出资本主义和市场经济,原因很简单,差不多先生没有定量思维啊。中国古代官员普遍重文轻理,数学思维极差,我很难想象闭关锁国的他们会建立自己的汇率和股票系统,缺少精确的量化思维,市场经济是很难推动的。至于天文观测这种更高级的数学活动,别说没多少人做得了,就算是钦天监这些专业人士,也不敢认真研究。天象是为皇权服务的嘛,是玉帝给天子传达的旨意,乱说乱算搞不好要掉脑袋的。

现在,任何一个小学生都知道:地球是圆的;地球的自转产生了白天和黑夜;太阳是太阳系的中心;我们的地球和其他行星一样绕着太阳公转。

自从1609年伽利略发明天文望远镜以来,天文学的观测和理论研究使得人类在探索宇宙奥秘的漫长道路上取得了辉煌的成就,带来了人类宇宙观的数次重大飞跃,促进了基础物理学理论的建立, 并确立了“恒星的内部结构与演化”和“宇宙大爆炸标准模型”两大理论框架。

我们不得不承认,欧洲是科学的摇篮,东方世界实在是没有为科学推进做出过太大的贡献。每一次我读到牛顿与胡克吹胡子瞪眼,读到爱因斯坦与波尔的花式过招,读到霍金与基普索恩的互相打赌,就会对这些科学巨人为各自的信念奋斗终生而肃然起敬。如果你能理解这些直男理科生的浪漫,就会发现他们近乎刻板的认真、热情似火的求知欲中,散发着一种浪漫的“高级感”。跟那些月亮代表我的心的抒情相比,他们是真正在同宇宙对话的人。

但是我们人类的文明走到今天,能够清晰的了解这些基础的常识,却是多么的不容易。这些在你看来是天经地义的“常识”并不是那么的“平常”,是多少代人在经历了无数的坎坷和反复之后,才得出的对宇宙基本概貌的正确认识。

在此过程中,天文学的研究还获得了超过十个诺贝尔物理学奖。(诺贝尔本人并没有设立诺贝尔天文学奖,因此天文学的研究成果只能根据其对其它学科的重要程度获得其它学科的诺贝尔奖。)其中最近的三次分别为2002年、2006年和2011年,这显示了天文学这一古老学科的强大生命力。

我很感动那个各国科学家在金星凌日的时候为了攻克天文学第一问题“日地距离”而举行的国际大比拼。法国、英国、瑞典、俄罗斯、意大利、德国全都派出参赛选手,奔赴地球的100多个角落,几乎是一人一个地方,为了人类共同的问题,自发展开大规模的国际合作。很遗憾当时的中国人恐怕连听也没听说过这个天文学第一问题。法国科学家勒让蒂甚至直接住在观测地印度,用了八年时间建造观测站,虽然命运的玩笑让他的努力化为乌有,但是正是这种骨子里对求知的渴望、对科学精神的敬畏,让一代代科学家前赴后继,为科学殿堂添砖加瓦。海王星的发现又是另一段佳话,两个不知名的年轻人和一个德国天文台台长共享海王星的发现权。在没有计算机的年代,至少需要天王星10年以上的运行数据才能计算出海王星的位置,这是一个庞大到令人不寒而栗的工程。但是人类中就是会有那么执着的人,30岁的加勒和26岁的亚当斯硬是靠着纸笔,分别攻克了难题。

但是,人类就是这样一种物种,并不满足于日常的生存,总要在偶尔的时候,将目光投向自己周围的一切,好奇和探索的特质在身体里不断的萌发。我们每个人是这样探知世界的,我们的人类也是这样探知世界以及更加广袤的宇宙的。

随着观测和探测能力的进步,在人类永无止境地探索宇宙的进程中,新的天文发现有着井喷般的趋势,比如暗物质、暗能量、黑洞、类星体、脉冲星、星际有机分子、宇宙伽马射线暴、引力波、引力透镜、太阳系外行星等的发现,有力地刺激并推动了天文学自身及相关学科的发展。

总是有人会说,为什么要浪费时间研究与我们不挨着的宇宙,太空、星星于我何干。在我们心中,收益总是需要量化的,你可曾想过那些无法量化的财富。我们可以从另一个角度来思考这个问题,当1969年美国登月时,当今硅谷的精英们还只是初中生,十三四岁的乔布斯们目睹了国家历史上最激动人心的时刻,在心中埋下了实现梦想、追逐勇气的种子。阿姆斯特朗叔叔、奥尔德林叔叔告诉他们怎样把想象变为可能,当他们三十而立的时候,又会将他们的想象力和自信心薪火相传。一种群体精神一定是具有代际接力作用的,不管是科学精神还是“差不多精神”,都会绵延传递到各行各业,当它们变为一个国家的国家精神时,那就不是“差不多”,而是“差太多”了。

《星空的琴弦—天文学史话》这本书为我们讲述了人类到今天为止对宇宙认知的全部过程,以及在这个漫长的、不是一番风顺的过程中,人们在意识上、科学理论上以及科学工具发展上的曲折过程。

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我们真的不能再拿是否有直接收益来衡量一种产品、一种精神的价值了。科学精神没有东西方之分,科学只有一套标准,科学就是科学,它起源于西方,但它是属于全人类的智力财富,没有国界,更没有文化的隔阂。甚至对科学来说,文化和情感都是多余的东西。人类的智商在5000多年中并没有明显提升,现代人的“聪明”只是知识积累和教育水平提升所造成的假象。缺乏科学精神就等于放弃了人类最根本的探索欲,将人脑的功能让渡给了人工智能,技术再发展也只是量的积累,只有科学进步才是质的提升。

用作者交响乐的形象比喻来看,整个天文学的发展历史可以分为四个大型的乐章:

艺术家笔下的伽马射线暴

最重要的是,我们也许没有太多时间来探索宇宙了。宇宙不会无限期地展示给我们。宇宙在一直膨胀,永远停不下来,河外星系相对于我们的退行速度只会越来越大。如果按这个趋势发展下去,那么几千亿年以后,银河附近的所有星系相对于我们的退行速度都会大于光速。换句话说,它们发出的光永远到达不了银河系,都会退出我们的宇宙视界,进入一个从理论上永远也看不到的区域。想象一下,几千亿年以后的智慧文明再来观察宇宙,它们会得出孤岛宇宙的结论,整个宇宙就只有银河系这一个孤岛,除此之外就是无边无际的黑暗。当下,我们生活在一个千姿百态的宇宙,能看到几千亿个河外星系。在一个百花绽放的年代,在所有的花儿枯萎之前,为什么不尽情地享受它们的千娇百媚呢?

第一乐章,奏鸣曲(快板)——日心说战胜了地心说。

第二乐章,变奏曲(慢板)——无尽深邃的宇宙空间。

第三乐章,小步舞曲(快板)——各种宇宙能量粉墨登场。

第四乐章,回旋曲(快板)——宇宙最终的命运假说。

目前天文学的重大问题可以被概括为“一黑、两暗、三起源”, 也就是黑洞、暗物质和暗能量、宇宙和天体以及生命的起源,其中“一黑和两暗”构成了宇宙的“骨架”,而“三起源”则构成了宇宙的“血肉”。同时黑洞、暗物质和暗能量也是基础物理学的重大研究问题,而“地外生命”的探索则涉及了包括化学、生命科学和哲学在内的多个学科。因此天文学再度成为新现象、新思想和新概念的源泉。

《星空的琴弦:天文学史话》读后感(二):有趣有真相的天文简史

现在大幕已起,让我们凝神静听这悠扬美妙的旋律吧。

中国的古代天文学曾经世界领先,但是中国天文学对于现代天文学的发展却贡献甚微。同样,中国古代的技术和生产力曾经世界领先,比如直到鸦片战争时期,清王朝统治下的中国GDP还是世界第一,但是中国对现代科学与技术的贡献却非常之少。一个几乎人所共知、但最令人不愿接受的事实,就是几乎从中学到研究生的所有理工科教科书的知识都来自于西方。因此从鸦片战争至今,中国一直是科学和技术的知识“消费”国,而不是“贡献”国。

提起天文学类的书籍,尤其是天文学史著作,我们的大脑里可能会浮现冗长的注释、细致的星轨图片和深奥的公式。而汪洁这本《星空的琴弦:天文学史话》完全不同于一般的教科书式的天文简史,他一改天文学严肃的表情以及高深莫测的形态,采取有趣、有图、有真相的形式,将天文学活泼的展现出来。

第一乐章:奏鸣曲(快板)

现代科学和技术是人类文明的重要组成部分,中国作为世界上现存最大的文明古国,在这个方面对人类文明的贡献却可谓微不足道,这很值得我们深刻反省。造成中国在现代科学和技术上全面落后于西方的原因是多方面的,但我本人认为中国文化中缺乏基本的科学精神是一个重要原因。

初读此书,会感觉趣味盎然。书中采用了许多虚构的小说式写法,将书中的情节、人物对白文学化,引出了天文学发展的历程。汪洁写道:“毕达哥拉斯的学生说:‘俺……有点听不懂’……”“亚里士多德回应道:‘晕,你可真能想……’”使得书本规避了晦涩难懂的科学术语和干燥无味的实验叙述,用故事性、探索性的方式回顾天文学进步的每个脚印,引人入胜。

日心说战胜了地心说

如果我们把文明的起点定义为文字的诞生——公元前3200年苏美尔人创造出楔形文字,那么人类文明差不多还要经历2700年,才有了对宇宙环境的疑惑。在这之前混沌意识里,我们的祖先一直认为人类生活在一个平坦的大地上,“天圆地方”的假想很符合眼睛看到的景象。埃及和巴比伦的智者认为大地是一个半球形悬浮在空中,尽头是万丈深渊。

在公元前500年古希腊的某一天,有人忽然意识到大地不是平的。

在数学家毕达哥拉斯看来,大自然的和谐之美是由各种完美几何图形和数字组成的。世界是造物主的杰作,半球形在几何立体形状中并不完美,由此推断大地应该是个球形。

100多年后的亚里士多德终于找到了相应的证据:第一,海面上帆船的影像出现顺序;第二,晚上长途跋涉时星辰的运行;第三,月食时地球影子的形状。他再次宣称“大地是球形”的观点,在知识分子圈中引起了巨大反响。他是首位通过实证方式而不是思辨的方式去论证大地形状的人。

但是当时的人们一直无法接受这个观点,原因是大家实在想不通,如果地球真是圆的,那为什么我们不会走着走着就头朝下脚朝上 “掉下去”呢?

这个问题两千多年来一直折磨着许多科学家,上下观念的常识与观测到的“大地是球形”的证据产生了严重的矛盾,甚至引来了教会的残酷镇压。但是人类理性的火苗却越烧越旺,带领我们走出了认知的黑夜。

除了对大地的关注,人们一直对头顶的星空有着不能抑制的强烈兴趣。公元2世纪中叶,托勒密在总结许多科学家观测、计算的结果后,完成了耗费他一生心血的鸿篇巨制《天文学大成》。整个宇宙被描述为一个以地球为中心、日月星辰以特定轮盘轨道绕地球旋转的模样。考虑到观测中星辰亮度变化和四季天数不均匀的情况,地球并是完全的中心而有略微的偏心,星辰运行的轮盘轨道运用了几十个圆形本轮模拟才能得出。按照书中的理论,人们已经能够以较小的误差预报日食和月食以及五大行星的运动位置。这是人类天文学的第一部系统著作,也是集古代天文学大成之作。此书一出, 1500年的时间里没有人敢于挑战。

公元15世纪~16世纪上半叶,在反复多次的琢磨、观测和计算之后,哥白尼终于用更加简洁的天体模型重新解释了宇宙结构:地球不是宇宙的中心,只是月球的中心;太阳位于宇宙中心附近,行星和地球都在绕着太阳转动;恒星很遥远且离我们非常远;地球每天自转不息。

大地转动起来的想法冲击了许多人的认知。之后的开普勒通过艰辛求索,将行星运行轨道修正为椭圆,并提出了计算宇宙大小的方法,被大家誉为天空的立法者。另一位旷世奇才伽利略通过自己组装的望远镜,打开了人类用工具探索宇宙的序幕。他观测到的金星盈亏变化给哥白尼的日心说提供了佐证,他提出的力学惯性原理解释了人们为何体会不到地球在转动。

到了公元17世纪中叶,人类历史上500年一遇的天才级人物——牛顿出现了。他经过长时间的思考终于发现了天体之间普遍存在的万有引力,彻底解决了“地球自转怎么没把人甩出去”的疑问,提出了牛顿力学三定律,创立了 “天体力学”。

至此人类经历了近2000年的时间,完成了第一次对宇宙认识的巨大飞跃。我们的视野从脚下的大地,一直扩张到了巨大的太阳系以及相应的天体系统。罗马教廷在1616年对日心说发布了禁令,之后宣判伽利略有罪。这期间对于科学的镇压可谓疯狂无比。等到1980年伽利略才被翻案,1992年日心说禁令才被解除。可是历史的车轮无法倒退,人类的认知就这样不停地被一次次的刷新,永不止步。

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本书中精美的摄影插图更是美轮美奂。汪洁在修订书本的过程中开设了网络个人电台,在电台中播讲自己撰写过的专辑。枯燥的天文史讲述不仅没有无人问津,反而吸引了大批不同年龄段的粉丝。这其中就有极多的摄影爱好者。他们自愿出马,不惧远途,蹲点守候,只为去拍摄符合汪洁文字要求的星空画面。此外,还有不求回报的手绘师精心绘制的插图、作者从各种官网上选取的佐证材料……全书亦字亦图,全彩印制,具有极高的美观性。

第二乐章:变奏曲(慢板)

天文学研究促成了现代科学研究方法

天体运动定律的发现

由于地球的自传,地球上看起来日月和其它所有的天体似乎都是绕地球转动的,因此古希腊人的宇宙观很自然就是地心说,该学说的代表人物是毕达哥拉斯(公元前572年~497年)和亚里士多德(公元前384年~322年)。

事实上,直到今天仍然有很多人认为所有的天体都是绕地球转动的,因为这是由朴素的经验得到的很自然的结果。我多年前在美国看到一个抽样调査的结果,大约一半被调査的美国人仍然相信地心说。有人在回答调査的问卷时甚至写道,尽管学校老师教的是地球围绕太阳运动,但是地心说更加符合他们的经验。

这告诉我们,尽管经验对于我们认识世界很重要,但是经验的直接外推并不一定能够反映世界的本质,从经验得到的结论必须经受进一步的检验(也就是观测或者实验的检验)。

天文学家通过仔细的天文观测逐步发现,行星在天空中的运动轨迹会发生逆行。这个观测发现挑战了当时流行的地心说宇宙观。因此需要建立新的理论模型解释这个新的天文观测现象。

托勒密(公元90年~168年)提出的模型是“地心说+本轮”, 也就是对地心说的一次修正,他认为行星的逆行是真实运动,每一个行星在绕地球运动的同时,也绕着自己的一个“本轮”进行转动。只要赋予每一个行星一组参数,就可以精确描述当时获得的每一个行星的观测结果。

但是天文学家哥白尼(公元1473 年~1543年)认为需要彻底推翻旧的地心说模型而建立一个全新的日心说模型。哥白尼认为,行星的逆行是行星和地球都绕太阳运动的相对运动所产生的视运动,这个模型也可以精确描述当时的观测结果。从解释当时已有观测结果这个角度,无法判别这两个模型哪个正确,因此需要新的观测数据来检验这两个模型。

第谷(1546年~1601年)的大量天文观测发现地心说和日心说都不能完全解释观测结果。他发现日心说不能解释为什么恒星没有视差。(实际上第谷非常英明地预言了视差现象。今天我们知道,当时没有观测到恒星视差的原因是恒星太远,视差小于当时的观测精度所致。)尽管进一步人为地修改地心说的“本轮”能够和数据相符,但是地心说的 “本轮”太过复杂。于是第谷提出了一种介于地心说和日心说之间的宇宙体系,简称第谷体系,这一体系认为地球静居宇宙的中心,行星绕日运动,而太阳则率行星绕地球运行。

和第谷同时代的开普勒(1571年~1630年)相信日心说,但是开普勒当时并没有掌握最好的观测资料,因此在第谷去世之前无法验证和发展日心说。第谷尽管和开普勒的学术观点不同,但在去世前还是把观测资料都交给了他。开普勒仔细分析了第谷的观测资料,发现只需要把日心说的圆轨道修改成椭圆轨道,而太阳处于所有行星的椭圆轨道的一个焦点(开普勒第一定律),这样就能够解释行星运动的全部观测资料,并根据观测资料建立了行星运动的另外两个定律,第一次用简洁的数学公式描述了行星的运动。

开普勒三大定律的发现确立了日心说基本思想的正确性,并且对日心说进行了重要的修改,能够精确描述当时对行星的所有观测结果,是人类认识宇宙的重大突破,使得人类明确地认识到人类居住的地球不是宇宙的中心。

牛顿和爱因斯坦理论的诞生

尽管开普勒定律能够很好地描述当时的天文观测,但是就严格的意义上讲,开普勒定律仍然不是科学规律,因为开普勒并没有说明为什么会有开普勒定律,也不能通过更加基本的规律推导出开普勒定律,因此开普勒定律只能是基于当时的经验数据所整理归纳出的经验规律。

牛顿(1643年~1727年)在他的力学三大定律的基础上,可以用万有引力定律解释和推导出开普勒定律。开普勒第一定律表明行星和太阳之间必须有引力作用(也就是万有引力的体现),开普勒第二定律就是牛顿第三定律(相当于动量守恒)的表现,而开普勒第三定律则可以使用牛顿第二定律加上万有引力定律定量地推导出来。因此牛顿的万有引力定律上升到了科学规律的层面,能够清楚地解释已有的经验规律。既然是科学规律,就必须能够做出预言,并经受新的经验(观测或者实验)检验和验证。

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开普勒定律。开普勒第一定律,每一个行星都绕以太阳为焦点的椭圆轨道运行。开普勒第二定律,行星从A点到B点、从C点到D点的时间间隔相等,则太阳和运动的行星的连线(向量半径)所扫过的面积相等,即“单位时间行星扫过的轨道面积恒定”。开普勒第三定律,行星的椭圆轨道的半长轴a和周期t之间满足以下关系:a3/t2=k,k为开普勒常数。

伽利略(1564年~1641年)于1609年发明了天文望远镜,从此天文学家对宇宙的观测进入到了一个全新的时代,对行星运动观测的精度也大大提髙。他们发现有些行星的运动轨道并不是严格地遵循牛顿万有引力定律的预言,这些偏离被称为轨道的“摄动”。如果相信牛顿万有引力定律的正确性,那么观测到的摄动就只能解释为尚未发现的行星引力造成的。

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伽利略正在为教皇展示他的望远镜(油画)

天文学家们根据牛顿定律计算天王星轨道的摄动,于1843~ 1846年预言了海王星的位置。海王星于1846年9月23日被发现(此时牛顿已经逝世一个多世纪了),这是牛顿定律的伟大胜利,也从此彻底确立了牛顿定律的正确性。因此牛顿的 万有引力定律就成为了广为接受的科学规律,也是现代自然科学的第一个理论体系。

当然,伽利略对科学的贡献远远不只是发明了天文望远镜,他也是早期显微镜的重要研究者。实际上牛顿第一定律(也就是惯性定律)就源于伽利略的相对性原理,也就是在封闭的匀速直线运动的车里无法知道自己在运动。牛顿第二定律的基本思想来源于伽利略的假想斜坡滚动实验(假设一个球在一个斜坡上往下滚,那么斜坡的坡度越小,球滚动的加速度就越小。如果斜坡没有任何阻力,当斜坡完全变平时,球就会一直匀速滚下去)。

而万有引力定律的灵感很可能不是来自于牛顿被树上落下的苹果砸中,而是传说中的伽利略比萨斜塔实验,或者在其它某个塔的实验,或者伽利略的假想斜坡实验。所以伽利略才是真正意义上的科学研究鼻祖。但是牛顿并不是一个拿来主义者,更不是今天我们经常见到的学术剽窃者。恰恰相反,牛顿是一个集大成者,他把当时的经验知识进行了系统的归纳和大幅度的提升,从而发现了新的科学规律并形成了一套理论体系。

尽管牛顿的万有引力定律取得了巨大的成功,可以说建立了现代自然科学,但是牛顿的理论不能完全解释更加精确的天文观测所发现的水星近日点的进动,因此牛顿的理论需要进行修正。事实上,牛顿的理论并不能回答引力的本质这一深刻的问题,也不能解释为什么引力的作用是瞬时发生的。

爱因斯坦(1879年~1955年)的广义相对论认为引力的本质是质量引起时空弯曲,任何物体(包括没有质量的光子)在弯曲的时空中的运动就等同于受引力作用的运动,而引力作用不是瞬时的,而是以光速传播的,牛顿定律仅仅是极低速和极弱引力场的近似。广义相对论的精确计算不仅能够完全解释水星近日点的进动,而且预言了遥远恒星的光线经过太阳附近时的引力偏折。

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引力导致的光线弯曲

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引力导致的时空弯曲

爱丁顿于1919年在日全食时观测的结果和广义相对论的预言一致,而比牛顿理论的预言大了一倍,这证明了爱因斯坦理论的正确性。此外,在此之后大量的天文观测和实验室的实验,都验证了广义相对论的正确性。因此广义相对论是比牛顿定律更加基本,当然也更加精确的科学规律。

现代自然科学研究方法的建立

通过太阳系行星运动的研究,可以总结出天文学研究方法的几个阶段:

1、 经验模型。古希腊人的宇宙观,也就是地心说,是当时经验的总结。而行星的逆行表明经验模型存在谬误。

2、 唯象模型。托勒密的本轮说和哥白尼的日心说基于一定的观测结果,但行星运动的精确观测逐渐发现唯象模型存在问题,这个模型与第谷的观测数据不能完全符合。

3、 经验规律。开普勒三定律是哥白尼唯象模型的改进,把哥白尼的唯象模型提升为数学规律,但是仍然不能回答为什么是这样。

4、 科学规律。牛顿的万有引力定律,将开普勒定律提升为科学规律。天文学家在牛顿定律的指导下发现了新的行星,这也验证了这一规律的正确性。牛顿定律能够回答为什么天体是这样运动的,但仍然不能解释引力的本质,也同样不能解释水星近日点的反常进动。

5、科学规律。广义相对论是在牛顿定律的基础上改进的科学规律,能够解释引力的本质就是“质量”导致的时空弯曲,和几乎所有的观测以及实验都没有根本矛盾。由广义相对论预言的光线的引力偏折得到了观测验证,证明了这一规律的正确性。

上面的天文学研究方法一从经验模型到唯象模型,再到经验规律,最后到科学规律,实际上建立了现代自然科学研究的一般方法:首先是积累资料,包括经验知识、观测资料或者实验数据等等。然后对积累的资料进行归纳和总结,能够得到经验规律。

对经验规律的演绎就是建立模型的过程。但是建立的模型能够解释已有的数据并不能证明模型的正确性,模型必须能够做出预言,接受新的观测或者实验的检验。该模型最终或者被推翻、或者得到验证、或者被修改形成新的模型,最终的目的是希望发现科学规律。

而每一次得到的科学规律一般都不是终极和普适的规律,往往需要通过上述过程反复循环,不断得到修改和推广。“数据+归纳+演绎+预言+数据……”这个链条就构成了现代自然科学研究方法的核心。

这本书最重要的核心观念,也是全书黄金部分,则是作者传达的一种理念:比科学知识更重要的,是科学精神。科学精神,不是几本书读来的小知识,不是倒背如流的公式,而是孜孜不倦的好奇与探索,是追寻真相时的思维方式和求证方法,是不轻信、不盲从的独立思考的品格。

无尽深邃的宇宙空间

日心说并没有成为人类对宇宙的终极看法。人们对于日月和行星以外的那些恒星产生了疑问。对比从古至今的星象图可以发现:恒星的数量和位置都发生了变化。天文学家们又纷纷投入了对恒星的研究。这期间观测宇宙的精密观测仪器被不断的发明出来,例如望远镜上安装了螺旋测微器(千分尺)、游丝测微器、量日仪等等。

英国天文学家哈雷为此做出了巨大的贡献。他是第一位发现恒星位置变化的人,还设计了精确测量日地距离的计算方式。由于准确预测了同一颗彗星三次回归地球的时间,这颗彗星被用他的名字命名,尽管第三次回归是在他去世之后的事。1769年,各国天文学家共同观测得出的日地距离是1.33亿千米。这个距离从此被作为测算恒星与地球之间距离的基础条件和默认单位。太阳系的大小终于可以被测量了。

之后的130多年间,借助牛顿的万有引力规则和科学家们不断的观测,更遥远的天王星和海王星被发现了。太阳系的疆界一下扩大了两倍多。而测算出的其他恒星位置要比太阳系的边界距离还要远很多倍。此时人们已经认识到,太阳系的尺度与遥远的恒星比起来根本不值一提。科学家们采用了比日地距离更大的单位——“光年”来描述天体的距离。

发现天王星的英国天文学家赫歇尔和他的儿子,通过给天空划分区域的方式一共观测了几万颗恒星,经过统计计算确认了银河系的圆盘形状,初步建立了银河系的正确概念。父子俩的观测工具已经是7.8米高的像大炮一样的望远镜。

1906年,荷兰天文学家卡普坦向全世界的天文学家发出倡议,按照统一的天文学分区重新观测一次恒星,并详细记录恒星的亮度、视差、位置等参数。尽管历经第一次世界大战的硝烟,卡普坦还是得到了许多天文学家的响应,在1922年用统计方法计算出了银河系的形状和大小。这就是历史上赫赫有名的“卡普坦宇宙”。

与此同时,借助安装在美国洛杉矶威尔逊山上的全世界最大最清晰的胡克望远镜,美国天文学家沙普利发现了由几万颗恒星聚集而成的球状星团。由于它们的分布很不均匀,据此推算,银河系的中心也不是太阳系。“人类中心说”又一次被挑战,日心说也被推翻。我们并不在宇宙的中心。

而另一位举世闻名的天文学家哈勃也在这里细致观测了各种星系。这时大型天文望远镜依靠精确的天球坐标,把天空拍成照片供科学家研究。哈勃通过大量的星云照片,推测出最远的星系距地球有上亿光年之遥。宇宙的尺度再一次超出了人们的想象。

哈勃还在观测中发现,星系一直存在着的“红移现象”,即星系离我们远去的时候,它发出的光波在光谱上朝着红色端点移动。这说明星系在不停的远离我们,宇宙正处于膨胀之中。宇宙膨胀观点使得很多科学家开始思考宇宙的起源问题。而在这以前,人们一直笃信是上帝创造了世界。

20世纪30年代,射电望远镜的发明,给天文学带来了意想不到的新发现。射电望远镜通过收集电磁波进而转换成图像和声音的方式来工作,所以很多肉眼不可见但能够发出电磁波的物质被找到,例如宇宙微波背景辐射。这是“宇宙大爆炸”理论的关键证据。通过后期“暴胀理论”的补充,借助发射入太空的宇宙微波背景辐射探测器,天文学家和物理学家们联手取得了更精准的宇宙微波背景辐射图像,建立了“标准宇宙模型”,从而计算出了宇宙的年龄——大约是138亿年。

至此,人类得到了自己身处宇宙的一个全景图,从时间和空间两个维度对其进行了描述。

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在这本书里,作者亦叙亦评,将科学读本又揉进了一层哲学的反思,使得这本书的层次从普通的浅层科普,升华到了哲学层面的思考。如何把科学精神贯彻入平时的生活,在生活中不断的经历与尝试,继而带给人们更美好的生活,汪洁以一种深入浅出的的方式将这些枯燥的知识更生活化、有趣化的展现在我们面前,让我们有欲望、有兴趣的探寻在宇宙中神秘的天体,更能想到用探索宇宙的精神探索我们的生活。

第三乐章:小步舞曲(快板)

天文学研究奠基了现代自然科学两大理论体系

开普勒三大定律是通过对大量的天文观测结果进行归纳后,对当时的哥白尼日心说进行修正而产生的,可以说完全是一个天文学的研究成果。开普勒三定律对于牛顿力学理论体系的建立起到了决定性的作用,而牛顿力学是当时自然科学的第一个完整的理论体系。

爱因斯坦通过著名的电梯假想实验,明确提出了万有引力定律中的引力质量和牛顿第二定律中的惯性质量的等效性,也就是著名的等效原理,而这是广义相对论的基石。牛顿的引力理论建立在平直的欧几里得空间,而爱因斯坦在利用等效原理找到了局部惯性系之后,使用相对论原理并且加上当时已经成功发展的描述弯曲时空的非欧几何(黎曼几何),建立了广义相对论理论。

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爱因斯坦的电梯假想实验图。乘客在自由下落的电梯(左一)里面扔一个球出来,发现球和乘客一起运动,也就是在乘客的坐标系中既没有引力也没有加速度,和在没有引力的自由空间漂浮的电梯(左二)里面的情况一样。乘客在静止的电梯(右二)里面扔一个球,球会因重力加速度下落,和在自由空间以同样加速度上升的电梯(右一)中的情况一样。这两种情况都说明了引力和加速度的等效性,也就是引力质量和惯性质量的等效性。

使用广义相对论能够精确地解释水星近日点的进动,所以广义相对论的第一次验证就是通过天文观测进行的。广义相对论的一个重要预言就是引力场中的光线偏折,而这个预言第一次得到验证就是通过日全食的观测,这个观测确立了广义相对论的正确性。

1666年,牛顿把通过玻璃棱镜的太阳光分解成了从红光到紫光的各种颜色的光谱,而这就是物理光学的基础。在1814 年~ 1815年之间,天文学家夫琅和费在太阳光谱中发现了很多谱线。1885年,天文学家巴耳末发现了符合已知氢原子谱线位置的经验公式。随后对原子光谱的进一步观测又发现了更多的谱线序列和经验公式。

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原子光谱

1913年,为了解释氢原子谱线位置的经验公式,玻尔建立了原子光谱的量子模型,成功解释了原子谱线的经验公式,奠定了原子物理的基础,量子力学也从此诞生。波尔作为量子力学的奠基人,于1922年获得了诺贝尔物理学奖。

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波尔的氢原子能级和跃迁模型。电子只能处于某些轨道处,因此原子的能量是分立(量子化)的,当电子在两个能级之间跃迁时,就发出能量为两个能级差的光量子。

因此天文学的观测研究对于建立牛顿力学、验证广义相对论和奠基量子力学的实验基础都功不可没,也可以说天文学研究奠基了包含牛顿力学的广义相对论量子力学这两个现代自然科学的最重要的理论体系。

正如作者自述:我心目中的自我实现,就是创造出能对社会产生正面、积极影响,并在我离世后还能流传下去的非物质财富。我想,作者已经做到了。富有人情味的文字叙述、具有知识性的科普内容、带有哲学思维的思想与辩述、以及精美的摄影图片与插画,无论哪一条,都使本书值得捧起一读。

各种宇宙能量粉墨登场

探索了恒星,那么恒星之间又有些什么呢?

由于有了射电望远镜,存在于恒星之间的那些肉眼不可见但发射电磁波的物质也被发现。分析它们的无线电波,就能知道它们的化学构成。20世纪60年代,射电望远镜已经采用了很多新型的技术,接收电磁波的面积差不多有三个足球场那么大。通过探测星云光谱和分析地球上的陨石雨,科学家们又有很多重大的发现:

第一,星云中含有大量的乙醇、氨基酸和地球上不存在的星际有机分子,地球外含有构成生命的必需物质;

第二,天际之间存在着高速退离地球的类星体,距离非常遥远,体积不算大,辐射总功率却非常大。目前主流观点认为它的中心就是黑洞。在黑洞强大引力作用下,物质掉入其中伴随着巨大的能量辐射产生物质喷流。我们能够观测到它,是因为恰好与它构成合适的角度。

第三,剑桥大学严谨的科学家休伊什和他的女实习生贝尔小姐,共同发现了脉冲星,这种具有强磁场的中子星在自转时不断的向地球发射强规律的脉冲电波。

第三乐章提到的宇宙微波背景辐射以及本章提到的星际有机分子、类星体、脉冲星都是在20世纪60年代通过射电望远镜被发现的,被称为“二十世纪射电天文学四大发现”。之后的人类采用了更为先进的观测方法——把望远镜送上太空。

1978年,美国宇航局联合欧洲太空局开始一起建造太空望远镜,并以传奇美国天文学家哈勃的名字命名。由于美国挑战者号航天飞机的失事,哈勃望远镜直到1990年4月才乘坐美国奋进号航天飞机被送入地球上空600米的轨道。但是哈勃存在先天质量问题,拍照模糊,是个“近视眼”。好在三年后美国宇航局为它增加了矫正镜片,人类有史以来最强大的观测设备终于带来了新的观测发现。哈勃望远镜在1995年12月一次持续观测中拍回的照片,展示了3000多个星系。

根据宇宙学原理,宇宙是完全均匀的,研究一个星系的演化并不需要这个星系所有阶段的照片,而是在同一个时间拍摄到足够多的星系,这些星系处于不同的阶段,正是某个星系演化的所有阶段的集合。只要样本量足够多,就能分析出一个典型星系的演化过程。

因为哈勃望远镜的上天,人类对宇宙的研究提升了一个层次。之前,人类是通过“恒星”这个层级来认识宇宙的,而在此之后,人类换成了 “星系”这个新的层级来研究宇宙。

接下来的两大发现“暗物质”和“暗能量”,被称为天文学界的两大谜题,至今仍未得到完全的解答。

主流学界认为“暗物质”是一种大质量的微观粒子,它们不能被观测到,但是却同样在牛顿的万有引力原则里起着引力作用。天文学家运用“牛顿力学”和“星系亮度”两种计算方式,得出的星系质量和运行速度差别十分巨大,大量的“暗物质”的存在能够解释这种巨大的差别。

“暗能量”则是和牛顿万有引力相反的一种能量。既然天体因为质量的存在相互吸引,那么是不是也有一种力量将它们推开?20世纪90年代,经过顶级科学家团队近10年的测算,“在万有引力作用下,宇宙在减速膨胀”这个常规推测认知被彻底刷新,宇宙膨胀先是减速进行,然后在70亿年时反而开始加速。它的发现印证了天才物理学家爱因斯坦的超级智慧。虽然爱因斯坦不是天文学家,但是他对宇宙能量守恒的信念支持他做出了伟大的判断,在广义相对论的方程式中增加了 “宇宙学常数”。由于所处时代的局限,他增加的常数原本是对抗宇宙膨胀的,现在却被发现正是对抗万有引力的“暗能量”,是加速宇宙膨胀的神秘力量。

有了“暗物质”和“暗能量”的存在,科学家们进一步推测:所有宇宙中的物质所产生的力量是平衡的,也就是宇宙空间的平均密度能够确保宇宙空间在广义相对论的计算中保持不被弯曲。宇宙就一直在这种力量的作用下膨胀下去,成为无限大。而人类的可知范围仅仅还在一个“可观宇宙”的范围里,也许会不断的增长。

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《星空的琴弦:天文学史话》读后感(三):就算你没有掌握足够的科学知识,也请你去多多领会一下科学精神

第四乐章;回旋曲(快板)

天文学研究促进了人类宇宙观的七次飞跃

天文学研究对于人类的宇宙观(或者世界观) 具有不可替代的重要作用,促进了人类宇宙观的七次飞跃。

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在世界科学史上占有重要地位的科学家(从左至右):哥白尼、伽利略、开普勒、牛顿和哈勃。

第一次飞跃:日心说取代了地心说

日心说代替地心说,是人类认识宇宙的第一次飞跃,日心说中行星绕太阳运动这一基本思想的正确性完全得到了验证。这一次飞跃的重要性在于,地心说隐含地支持了基督教(包括天主教)等宗教的基本教义,也就是神创造的人类和地球在宇宙中具有重要的中心位置。日心说代替地心说,则从科学上挑战了这些宗教教义。

第二次飞跃:太阳系也不是宇宙的中心

人类认识宇宙的第二次飞跃是通过天文观测得到的,不但地球不是宇宙的中心,就连太阳也不是宇宙的中心。那时人类认识的宇宙就是银河系,卡普坦(Jacobus Cornelius Kapteyn,1851年~ 1922 年)通过测量超过45万颗恒星的距离,得到了银河系的结构,这就是卡普坦的“岛宇宙”,这个“岛宇宙”说明银河系有着明确的边界,而太阳系在稍微偏离银河系中心的位置。而沙普利(Harlow Shapley,1885年~1972年),通过测量69个球状星团的距离,得到的银河系结构显示,太阳系处于银河系比较边缘的地方。

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岛宇宙棒旋星系NGC 1300

尽管这两个结果的细节有所不同,而且和现代的结果也有出入,但它们有一个共同的重要结果,就是太阳系不是银河系的中心, 当然也就不是宇宙的中心。

第三次飞跃:银河系不是整个宇宙

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海外星系NGC 253细部

在20世纪初,关于观测到的众多“星云”的性质,科学界有两种截然不同的观点。以沙普利为代表的多数派认为星云就是银河系内的天体, 银河系就是整个宇宙。

而以柯蒂斯(Heber Doust Curtis,1872年~1942年)为代表的少数派,则认为星云实际上是和银河系一样的“岛宇宙”,处于银河系以外很远的地方,而整个宇宙则是由无数个这样的“岛宇宙”组成。为此,1920年4月26日, 在位于华盛顿美国国家科学院史密松学会的自然史博物馆里,这两个派系举行了一次激烈的沙普利——柯蒂斯世纪大辩论。但是这场辩论并没有解决这个问题,因为辩论本身并不能解决科学问题,科学问题的解决只能通过科学研究来实现。

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紫外波段的岛宇宙——仙女星系

此后不久,哈勃(1889年~1953年)就通过进一步的观测确认了这些星云实际上是众多遥远的、但是形态各异的星系,很多都和银河系类似,这有力地支持了柯蒂斯的基本观点。到此时为止,人类认识的宇宙尺度突然变得极度地广阔无涯,这是人类认识宇宙的第三次飞跃。

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哈勃观测发现原来认为的很多银河系内星云实际上是形态各异的河外星系,并把这些星系分类,认为它们之间具有演化的联系。

第四次飞跃:宇宙是膨胀的、非永恒的

由于哈勃观测到的很多星系都非常暗,因此距离银河系应该很远。把哈勃的观测结果直接外推,就会得到宇宙是无限的、永恒的,物质分布是均匀的。但是奥伯斯(Heinrich Wilhelm Matth us Olbers,1758年~1840年)佯谬(奥伯斯佯谬实际上是现代宇宙学的发端,第一次定量地考虑了整个宇宙的行为)告诉我们,这样的宇宙中,即使没有太阳光,但是由于永恒宇宙中的每一个天体的光都会照到地球,黑夜也应该像白昼一样明亮。(实际上在永恒和物质均匀分布的无限大宇宙中,宇宙中任何一处接收到的光流强都是无穷大。)但是这个推论显然和我们的常识不符,我们见到的黑夜是黑暗的,所以一定是什么地方有重大问题!

到了1929 年,哈勃发现远处的星系在退行,退行速度和距离成正比,因此宇宙在膨胀,反推回去就得到宇宙的年龄是有限的,更远的光来不及到达地球,所以存在“视界”(称为宇宙的视界)。宇宙空间相对于地球的巨大退行速度使得该距离以外的天体发出的光尚未到达地球,这就自然地解决了奥伯斯佯谬。 因此我们可见的宇宙必须是有边界的,这是人类认识宇宙的第四次飞跃。

第五次飞跃:宇宙大爆炸

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宇宙大爆炸示意图

1965年彭基亚斯(Arno Allan Penzias,1933年 ~)和威尔逊(Robert Woodrow Wilson,1936年 ~)发现了宇宙大爆炸残留的宇宙微波背景辐射,这和伽莫夫(George Gamow,1904年 ~ 1968年)的模型曾经预言的宇宙大爆炸留下的热辐射一致,证实了哈勃膨胀是宇宙大爆炸的结果,他们也因此于1978年获得了诺贝尔物理学奖。因此我们观测到的宇宙不仅是有边界的,而且也是有起点的,这是人类认识宇宙的第五次飞跃。

第六次飞跃:宇宙在加速膨胀

1998年,三位年轻的天文学家普尔穆特(Saul Perlmutter, 1959年 ~ )、施密特(Brian P . Schmidt,1967年~)和赖斯(Adam G.Riess, 1969年〜)通过观测一类特殊超新星(la型)的光度随宇宙红移的变化,发现了目前的宇宙在加速膨 胀,确定了宇宙由未知的暗能量主导,并于2011年 获得了诺贝尔物理学奖。

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宇宙自大约140亿年之前的大爆炸直到今天的演化示意图。在大爆炸之后的初期,由于宇宙中暗物质主导,物质之间的引力导致宇宙减速膨胀。随着暗能量占的比例越来越大,暗能量的排斥力使得宇宙的膨胀变成加速膨胀。

把他们的结果和其它天文观测结果结合起来,可以得到宇宙从大爆炸开始 (约140亿年之前)到今天的演化过程,以及在不同时期宇宙中的普通物质、暗物质和暗能量的比例的演化。今天宇宙中的普通物质、暗物质和暗能量分别占宇宙总的物质一能量的比例为4%、23%和 73%,但是物理学中最成功的粒子物理标准模型只能解释其中仅仅占宇宙组成4%的普通物质,也就是说我们目前对今天宇宙成分的96%几乎毫无所知。这既是物理学和天文学共同面临的巨大挑战,当然也是人类认识宇宙的第六次飞跃。

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宇宙中的物质和能量组成。今天宇宙中的普通物质、暗物质和暗能量分别占宇宙总的物质—能量的比例为4%、23%和73%,但粒子物理的标准模型能够解释的普通物质只占今天宇宙物质和能量的约4%左右。

第七次飞跃:可能有其它世界和文明

尽管有大量的证据支持生命能够从低级到高级进化,但是地球生命“种子”的来源目前仍然未知:可能产生在地球,也可能来自于太阳系其它行 星,也完全可能来源于太阳系外的其它行星。科学家们于1992年在一个脉冲星(中子星)周围发现了第一颗太阳系外的行星,又于1995年在一个恒星周围发现了第一颗绕着另外一个恒星运动的行星,至今已经在太阳系外其它恒星周围共发现了超过700个行星。其中有些行星是“宜居”行星,很有可能存在生命,甚至髙级生命或者文明,这是人类认识宇宙的第七次飞跃。

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目前,对于太阳系外行星的搜寻以及生命的探测已经成为天文学的重要研究前沿。我们有可能找到髙级生命能够存在的其它“地球”,使得外太空移民成为可能;有可能找到我们生命的“种子”, 使得地球上的生命最终可以“认祖归宗”;有可能回答人类在宇宙中是否孤独这个问题;甚至可能真的和“外星人”交流!如今,人类已经开始努力搜寻外星人的通讯信号了。因此,所有这些已经不是科学幻想,也不是哲学的探讨,而是实实在在的科学研究。

我想,人类认识宇宙的第八、九、十次飞跃是否都将来自于这里?

对于天文学知识,有段时间我是相当的抵触的。

宇宙最终的命运假说

人类的好奇没有终止。

我们现在知道;宇宙是无限大的,并且一直在膨胀着。那么宇宙的最终命运会是怎样的?

由于发现了“暗能量”,宇宙被认为是加速膨胀的,“热寂说”和“大撕裂说”成为了宇宙终极命运的两种可能。

“热寂说”的理论基础是宇宙的“熵”值只能越来越大。“熵”是系统的混乱程度,某种意义上可以理解为系统的均衡程度,足够混乱而达到彻底的均衡。如果宇宙的“熵”值越来越大,那么最终的结果一定是达到热平衡,处处的温度均匀一致,这就被称为“热寂”。那么宇宙中所有具有能量的物质,例如恒星、行星都回朝着平衡的方向,将自己的能量不断退化、分解、衰变。那时的宇宙将只剩下光子和轻子。你可以理解为就是无法再变得更混乱均匀的物质。这被推算会经历大约10的1000次方到1500次方的年度那么长。

“大撕裂说”的假象认为,在“暗能量”的持续作用下,宇宙中的物质不断的远离,最终造成宇宙的彻底撕裂,每个基本粒子之间互相远离的速度都超过了光速,永远也不可能在发生相互作用,一切可能性就都丧失了。比起“热寂说”,这种说法似乎更加令人绝望。但是在人类没有彻底弄清楚“暗物质”和“暗能量”之前,这些都只是假说而已。

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原因说起来可能有些可笑,那就是因为相比于宇宙的无限,人类实在是渺小的无法形容。因为对其无知,所以对其无法想象,再而对其心生恐惧。

总结

《星空的琴弦—天文学史话》这本书以深入浅出的科学故事,把我们带回到了那一个个重大天文发现的历史现场,让我们跟随人类对天文学认知不断升级进步的过程,了解了天文学的发展脉络。

作者采用与交响乐乐章对应的模式,展现了整个天文学的发展历史进程:

第一乐章,作者讲述了人类从认知脚下大地的形状,到确立了地心说,再到日心说战胜了地心说的过程。

第二乐章,太阳系的宇宙观被不断收集到的观测证据推翻,众多的恒星让我们拥有了银河系的新视野。

第三乐章,各种宇宙新能量的发现,又把人类的视野扩大到了星系与星系之间的不可见部分。

第四乐章,对宇宙的终极命运的关注被提出来,虽然只有假说,但人类的好奇心会继续促使探索的脚步向前。

=

在这历经几千年的星空探索历史里,除了探索范围不断扩大这条发展主线之外,还有两条与之相对应的发展辅助线也同样印证了人类的伟大跨越:

首先,对于天体距离的测量方式进行了三次大飞跃。最原始的“三角视差法”是运用几何计算与天文观测相配合的方法,其中推算和观测都有一定的误差;“造父变星法”是依靠有亮度规律变化的脉冲星来测量星距的方式进行,这是人类的目光已经可以触及到太阳系以外的世界;然后再升级到“超新星测量法”,就是依靠双星系统中恒星爆炸时产生的更加明亮的效应,测量更遥远的星系。随着测量方法的升级,人类可研究的距离由天空肉眼可见的星辰扩大到几百亿光年。

第二,观测天体的工具,由最初的肉眼先变成了光学望远镜,越来越大且精密的光学望远镜不断的被制造出来;之后射电望远镜的出现大大提升了观测的效率,被观测天体扩展到了肉眼不可见的范围;太空望远镜的出现将人类的视野极大地拓展到了更广袤深邃的宇宙。人类就是这样不停的扩大着探索的边界,每次发现都重新刷新了我们原先的看上去十分确定的认知,从原本“宇宙中心”的位置,一次次发现和证明自己的渺小。

重大科学发现的偶然性和必然性

天文学的研究成果直接导致了人类认识宇宙的七次大飞跃,这是非常伟大的成就,也是天文学这门古老学科一再成为科学前沿的重要原因之一。回顾这些科学成就,我们有必要问一个问题:这些成果是计划的、规划的,还是从事这些研究的科学家个体在开展这些研究之前就预期了这些成果?

问这个问题的一个主要原因是:在我们论证一些重大科学项目的时候,我们必须回答项目的预期科学成果,越大规模的项目,我们越需要明确说明预期成果的重要性。这当然很有道理,因为重大项目需要投入的资金和人力很大,如果不能说清楚预期的成果,自然就难以得到资助来实施,任何政府或者其它资助方都会有这样的要求。

重大天文发现的偶然性

科学史明确地告诉我们,导致了人类认识宇宙七次大飞跃的重要科学成果的发现过程,都具有某种偶然性。在这些工作开展之前,无论是资助方还是科学家们,都没有预料到会获得这样的科学成果,更没有意识到这些成果会有如此重大的意义。尽管诺贝尔奖成果并不是每一个都直接导致了人类认识宇宙的大飞跃,而且也不一定是最重要的天文学成果,但是这些成果却对20世纪的物理学发展带来了重要的影响,也因此获得了诺贝尔物理学奖。

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超新星SN1994D。超远距离超新星的观测结果为宇宙正在加速膨胀提供了证据。宇宙加速膨胀的幕后推手很可能是暗能量。相关研究于2011年获得了诺贝尔物理学奖。

事实上,除了2006年授予发现宇宙微波背景辐射各向异性的诺贝尔物理学奖之外,其它的天文学研究获得的诺贝尔物理学奖的最初研究目的和最后获奖的天文发现明显不一样,它们不但“不是”预期的结果,而且大部分的成果不是和预期结果“没有关 系”就是“完全相反”。从研究类型看获奖的理论研究成果数量远远少于观测研究,这表明天文学研究的重大而且是开创性的突破主要来自于观测研究,而这些突破大部分都不是预期的科学成果,也就是说大部分重大天文观测成果的获得,看起来都是偶然的。

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科学发现的必然性

既然大部分重大天文观测成果的获得看起来都是偶然的,那么是否重大科学发现都是“瞎猫碰死耗子”?在总结了以往获得重大天文观测成果的研究项目后,我认为在这些看似偶然的成果背后,其实有三个要素构成了科学发现的必然性:1、项目提出,要求重要的目标加上可行的实现途径,确保项目不会一无所获;2、仪器设计,要求在某些参数空间必须有超越以前仪器的能力,确保具有新的科学发现能力;3、获取结果,要求有坚实的基础、宽广的知识和对领域的全面理解加上突破常规的新思想。

其中前两个要素是对项目本身的要求,也就是必须有“保底”的科学目标,同时应该具备做出新的科学发现的能力。而第三个要素则是对项目科学团队的研究水平、研究态度和研究文化的要求。

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一个科学项目在满足了这三大要素的情况下,必然会做出新的科学发现,这是必然性。但是到底做出什么科学发现、尤其是在新的发现空间里面的预料之外的发现,则很有可能是偶然的,至少在天文学领域是这样的。这正是偶然性和必然性之间的辩证统一。

那么为什么在重大的开创性天文发现中,大部分都是事先没有预料或者计划的呢?这是因为宇宙 和自然界太复杂了,而人的智慧太有限,科学家能够预料或者计划的成果一般肯定都是普通的成果, 也就是满足第一要素的“保底”的科学成果。

爱因斯坦或许是人类历史上最聪明、最有远见和深刻洞察力的学者,但是他坚信宇宙中没有黑洞(而这恰恰是爱因斯坦的广义相对论的最重要预言之一)、 没有暗能量(当时被称为宇宙学常数,而这恰恰是爱因斯坦本人首先提出的),同时认为量子力学有基本错误(而他本人获得诺贝尔物理学奖的光电效应理论恰恰证明了量子力学是正确的)。

因此在宇宙和自然面前,我们只能保持谦卑,人类能够理解宇宙和自然已经非常了不起了。爱因斯坦曾经说过:“宇宙最令人费解的地方是她竟然可以被理解,试图预言宇宙和自然会发生什么则是可望而不可及的事情。”

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艺术家笔下的地球

但是预料之外的成果往往是重大成果,这是科学研究、尤其是天文学研究最引人入胜的地方。 但是要“碰上”这样的成果,固然需要一点运气,但是满足后面两个要素则是必须的。第二个要素保证了该项目有取得预料之外的重大发现的机会。但是这并不能保证获得重大科学成果。我们知道很多历史上和重大科学成果“擦肩而过”的故事,也有人明明做出了重大发现,但是自己浑然不知或者没有胆量公布,没有做好“事后诸葛亮”,却成为了“事后诸葛亮”的“马后炮”,这都是缺乏第三个要素的后果。因此第三个要素是能够最终兑现重大科学发现的保证,而这就是科学家水平的体现。

注:本文参考了南京大学李向东教授和《中长期科学与技术规划战略规划研究》“第14专题组”的两个报告。在本文写作过程中得到了陈佳洱院士、闵乃本院士、苏定强院士、王建民研究员的很多批评和建议。

本文首发于《中国国家天文》杂志,原题为“天文学与现代自然科学”,《知识分子》获授权刊发,略有删节。

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知识分子,为更好的智趣生活。

投稿、授权事宜请联系:zizaifenxiang@163.com。

这个理由说起来很幼稚,但对我来说是的确存在的。

心得体会

起初我在阅读本书的时候,对其中的天文学术语和数学公式的确感到有些困扰。凭着一般的理工科底子,对于那些烧脑的部分,我的确花了些时间来反复琢磨。但是我仍然对于作者带领我们进入的时空感到十分震撼。原来那些我们已经熟知和未曾完全领悟的天文奇观,都是科学家们凭着满腔的好奇和热爱,以及对科学的严谨实证,推动着人类的认知不断深入。科学精神的确比科学知识更重要。

同时,我也对中华大地上独特的天文理念产生了额外的兴趣。古代天文学中鲜有中国人的贡献,我们文化中将星象理解为上天与天子之间的一种神秘沟通方式,从而在很大程度上屏蔽了类似于现代天文学家们对所处宇宙环境的观测和研究。这是一种特别的中华文明所造成的结果吗?然而中国古代的历法和天文观测记录却在全世界同时代里最为厉害,是历史传承的误读还是隐藏在那些被埋葬的真相之中?

就算是放在今天,我对天文学也不是多么的热爱,以至于连带着我对于和宇宙有关联的科幻小说也不是多么感兴趣。这次的原因是因为每每翻看有关于天文学的知识书籍,总觉得专业性实在是太强,众多理论分析以及科学数据加上专业名词弄得我莫名其妙,看的时候感觉自己像个傻子。说白了,原因还是自己的无知。

书籍的装帧设计

本书的封面是妩媚的星云图,画出星座的形状我并不认识,也没有查到相关资料,希望有牛人能指点。

本书在写作时,相关的天文学术语,例如“恒星周年视差”、光谱波长的结构等等关键术语和概念、知识也缺乏相应的解释,算是一点小小的瑕疵。

各位科学家的标准名称拼写方式和生卒年月也应该做相应的备注说明,以方便大家在阅读时查阅更多的辅助资料。

对于天文学知识,像我这种天文学白痴我还是得找一本最具启蒙性,最通俗易懂的来看。

《星空的琴弦》这本书倒也不厚,勉勉强强有两百来页。作者汪洁是一位科普作家,第八届文津奖得主,据说他还是全国科技馆以及大、中、小学的人气嘉宾。既然他所讲述的知识连小学生都能够适应,那么他所写的这本书,相信对于我这种天文学小白来说应该还是很适合的。

作者自己在这本书的前言中是这样介绍自己的这本书的、他要通过讲述天文学史上的小故事,来展示科学家们追寻科学真相的思维方式和他们的求证方法,让科学精神慢慢的注入到读者的头脑中,因为他们的做法是科学精神的最好注解。

按照作者的思想理论,科学知识不是所有人都能够全部掌握的,但是科学的精神却是人人都有可能掌握的。有了科学的精神才能够更加理性的去认识这个世界,辨识所谓的伪科学或是科学谣言。

事实上现在的人的确是需要了解掌握科学精神的。看看现在的朋友圈和QQ群,到处都是转发的各种博人眼球的科学研究成果。挂上个权威机构研究论证,多年实验研究,再加上一些耸人听闻的科学结论,一篇所谓的科学研究成果便完成了。弄得一帮人根本不去思考或许也不会如何去思考这些问题的真伪性,然后就四处随手转发。弄得朋友圈、QQ群天天被一群盲目的人的转发刷屏,搞得你是看也不是不看也不是。

拜托,转发前请先动脑思考一下,实在思考不动那么请你先去多读读几本书再来转发。

说起来,作者在这本书中所用的语言描述方式还是挺通俗易懂的。他用讲述科学小故事的方式将天文学发展的历史介绍给读者。你将看到几千年来人类对于天文学的认知与研究是如何一步步发展起来的,人类的科学精神又是如何在这几千年的研究发展中逐渐确立的。

此书作为一本天文学启蒙书籍还是挺不错的选择,至于其专业性知识到底如何?

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