笔下文学

恒星星系和星云（第1页）

恒星、星系和星云

对于那些眺望太空，试图揭示其神秘性的人们来说，18世纪带来的是一批崭新的挑战。直到17世纪末，行星的复杂路径还始终吸引着权威天文学家的注意。记录可以追溯到公元前数千年，那时最早的占星术师注视着这些“漫游者”，把复杂的哲学和法术活动（诸如占星术）建筑在他们所见的现象基础上。相形之下，在天空稳定不动的恒星似乎更可预测，唯一的例外是现在解释成地球围绕太阳的运动。古人——即使机智的古希腊人和善于观察的古代中国人都相信恒星和行星不一样，它们是不动的。伟大的希腊哲学家亚里士多德和几个世纪以后的追随者托勒密都把宇宙想象成是由层层镶嵌的天球组成，其排列就像是一个围绕着地球的洋葱，不动的恒星镶嵌在外层球面上。17世纪哥白尼的新见解澄清了许多有关太阳系的混乱看法，意识到太阳处于中心位置。但即使这一新的革命性宇宙观，也把不动的恒星放在行星轨道之外。哥白尼、开普勒和牛顿以及牛顿定律解释了行星的运动。但是如果牛顿定律确实是“普遍”的，那么，恒星是不是也有可以预测的运动?牛顿没有提到这个问题。为此我们将目光转向牛顿的年轻信徒——哈雷。

关于恒星和彗星

哈雷生于1656年11月，是富有的伦敦肥皂制造商之子。就在成为牛津大学学生时，他对天文学发生了兴趣。就在19岁，还是一个学生时，他就出版了一本关于开普勒定律的书。这本小册子引起了弗拉姆斯提德的注意，同年弗拉姆斯提德就任英国第一任皇家天文学家，正开始收集北半球新恒星表。他对哈雷的书印象深刻，鼓励这位年轻人进一步做下去。

到了17世纪70年代中期，望远镜和其他设备的改进表明旧的星表有许多不精确之处，急需新的星表。于是，正当弗拉姆斯提德等人忙于为北半球天空编制星表时，雄心勃勃的天文学家哈雷却想到南半球的天空尚无人问津。于是，他说服了父亲资助这一旅行，向牛津大学申请了休学，就登上了去南半球的航船，为那里的繁星制作星表。

哈雷第一个根据牛顿运动定律计算彗星的轨道。在这一画面中我们看到哈雷彗星和欧洲航天局的太空船乔托。乔托在1986年访问过哈雷彗星。

之后的一年半，从1676年到1678年，哈雷和全体船员呆在非洲西南海岸外面荒凉的圣海伦纳岛上，始终孤独地守着望远镜。气候极其恶劣，对天文观测极为不利，对年轻的哈雷也不例外。但是最终他起航回到英国，带回以前从未有过的南半球星空的星表，列出了不下于341颗以前从未在图中标注过的星星。如果气候更为有利的话，哈雷原本希望列出更多。但是1679年发表的《南半球恒星表》（CatalogusStellarumAustralium）已经足以使哈雷在伦敦的科学精英中名声大振。弗拉姆斯提德欢呼他是“南半球的第谷”。几年后，弗拉姆斯提德却和哈雷发生争执，为的是要匆忙出版弗拉姆斯提德自己的一部星表。但是这得哈雷说了算，他充分地利用了这一点，尽管做得极有礼貌和周到。由于巨大的成功，哈雷被邀加入享有盛名的皇家学会。这里的一切令人兴奋，年轻的哈雷突然发现自己置身于一群巨人当中，其中有牛顿、胡克、弗拉姆斯提德以及魅力超凡的雷恩。但是，聪明谦逊并讨人喜欢的哈雷很快就被接受了。出乎意料的是，他甚至和沉默寡言、经常发脾气的牛顿交上了朋友。第一件事情是《自然哲学之数学原理》的问世。哈雷不仅鼓励牛顿出版这一革命性的巨著，而且自己掏腰包资助出版，因为皇家学会的经费不足。对于哈雷来说，钱从来都不是问题，他父亲被神秘地谋杀后，他继承的遗产足以让他过上舒适的生活。

求知心切的哈雷对安逸的生活毫不为所动，不久他再次投入艰苦的工作之中。在他远航去圣海伦纳的旅途中，他曾观察到船上的罗盘并不像通常相信的那样总是指向北极。也就是说，地球磁极和北极并不是一回事。尽管可以把这一差别看成是次要的，但是对于航海家和船长来说这却是一个重要的发现。17世纪后半叶的世界性贸易已经开发了许多新的海上通道，竞争十分激烈。正如需要新的星图一样，人们也需要新的和更好的海图，以供海员提高航海效率。1698年，在哈雷的指挥下，第一艘仅为科学目的而被委派和装备起来的船只离开伦敦起航。这艘船命名为“情人红”，虽小却坚固，在海上航行了两年，正是在此期间哈雷和他的团队测量了世界各地的磁偏差，编制了新的航海图表，并且试图测定几十处重要港口的精确纬度和经度。

哈雷回到伦敦，已是一位熟练的海员，他急于开始另一类研究，这次是要钻研几百种古代天文学书籍和图表。在航行中，哈雷开始对古代星表与当代星表之间的许多分歧发生了兴趣。尽管古老的星表有许多明显的错误，有的甚至错得离谱，但他还是注意到，有许多正确标注的恒星位置与近代观测存在差别。经过仔细的研究，他证明至少有三颗主要的恒星：天狼星、南河三和大角星，自从希腊人标注之后，它们的位置已有变化。

某些天文学家正开始怀疑的事，现在哈雷证明是真实的。恒星竟然也在运动。甚至在太阳系之外的天体看来也处于不断的运动之中，并且这种运动是可以预测的——这一推测其实已隐含于牛顿的引力定律中，现在由于哈雷的仔细研究终于证实了它。古代的宇宙观又一次被牛顿的万有引力和几何学观察所粉碎。这个新信息对以后的天文学具有巨大影响。

这幅图标注了哈雷彗星上一次在夜空中出现以来沿着它的轨道运选择的情况

但是哈雷的名声却来自于他对彗星的研究。长期以来人们对于彗星在夜空中神秘莫测的出现一直抱着敬畏和迷信的心态。在对古代记录深入思考后，哈雷发现其中存在某种规律。当他试图根据彗星在几个世纪里出现的记录，计算彗星轨道的形状时，他看到计算结果符合牛顿理论。但是，精确的信息实在太少，他不得不放弃自己的计划，直到作出有趣的发现。他的计算强烈地暗示，四个已知的彗星，分别在1456年、1531年、1607年和1682年出现，它们很可能就是同一个彗星，依据牛顿的引力定律，每76年沿自己的轨道返回太阳系内一次。哈雷预言，1758年它还会回来。尽管他在1742年去世，比他的预言实现的年份要早了16年，但今天已被称为哈雷彗星的这颗彗星，却是对这位最早认识其运动规律的天文学家的最好纪念。

新宇宙观

如果恒星和行星都在运动，那么太阳系之外的宇宙就再也没有必要像人们往常认为的那样是神圣、静止和完美的处所。同样，如果牛顿定律对于所有天体都是有效的，就像18世纪中叶的观测事实显示的那样，那么，建立总体宇宙的新模型和新推测就非常必要。

18世纪中叶，一些学者提出各种理论，它们开始彻底改变人类的宇宙观和我们在宇宙中的地位。这些人中有法国作家和博物学家布丰（GeesLouisLecleredeBuffon，1707—1788），强烈宗教信仰的业余科学家莱特（Thht，1711—1786），年轻的哲学家康德（Imma，1724—1804），还有一位是杰出的数学家拉普拉斯（Pierre-SimonLaplace，1749—1827）。

莱特

莱特是兴趣广泛的英国思想家。受过良好教育，并大量读过当时流行的哲学和科学著作。和18世纪许多思想家一样，他被科学观察与思考和宗教信仰之间的矛盾深深困扰。他的天文学观察和阅读引导他去思考：如果围绕太阳运动的行星成了一个轨道系统，那么，有了牛顿引力定律，很可能恒星本身也是某个或者许多类似轨道系统的一部分。然而，如果天空就是这样组成的，那么，在这个机械论和引力相互作用的新宇宙中，上帝的领地在哪里?莱特既不是训练有素的天文学家，也不是严格和系统的思想家，他只是提出了一系列不同的宇宙模型。其中最早的一个模型是，太阳、太阳系以及恒星都围绕着一个巨大的中心运转，这个中心也许是固体，也许不是固体，但无论如何，它是上帝的领地。

在这一巨大系统的外围，远离太阳系和众恒星之处，则是一片神秘黑暗的“冥界”之地，它包围了所有。这是一个极其神秘的体系，但在精心修饰之后，则有某种可取之处。在1750年出版的《宇宙起源理论和新假说》（AninalTheoryahesisoftheUniverse）一书中，莱特提出另外一种可能性：宇宙可能实际上是一个旋转着的扁平圆盘，而不是众恒星和太阳系围绕共同的中心运动的壳形。他仍然坚持上帝或者某一神灵占据共同中心的思想，但是他也建议所谓的星云，天空中存在的神秘的雾状的白斑，既不是恒星，也不是行星，而是在远离圆盘之处。

康德

德国思想家康德，可能读过莱特的书，也可能是读过有关的评论，他以敏锐的心智迅疾抓住了莱特那结构松散的思想中的某些要点。

1755年，康德在《自然通史与天体论》（UureHistoryaheHeavens）一书中提出了自己的思想。作为一部理论宇宙学和天文学的著作，它是一项真正意义上的巨大成就。沿着莱特开辟的道路，再加上他本人对牛顿物理学的钻研，康德指出，星际系统和太阳系一样，形状也像一个扁平圆盘。正如太阳系中的行星在黄道带的平面内以椭圆轨道围绕太阳旋转，康德提出，恒星也许也在围绕着一个公共的未知的中心旋转。

遥远星系（NGC4013）主盘的侧视图，是哈勃空间望远镜在2001年拍摄的。有证据证明围绕圆盘中心的暗带是星际尘埃区，在那里有可能形成新星。

不像莱特，康德没有让神灵占据假想的中心位置。康德提出，可见的恒星构成了这一共同“星系”，但是由我们的太阳系以及其他恒星共同组成的，围绕某个未知中心旋转的系统，也许并不是宇宙中存在的独一无二的系统。实际上，宇宙也许是由许多这样的星系组成的。康德进一步指出，我们也许已经看到了那些其他的星系，事实上，它们也许就是天文学家观察到的、莱特提到的星云。康德指出，这些星云大多都是椭圆形或圆盘形，它们离我们是如此之遥远，于是，在所有恒星的映衬之下，它们看上去就像是乳白状的模糊一片。这是一个富有灵感和大胆的思想火花，尽管到20世纪才得以证实，却为宇宙学开辟了一个广阔的新天地：浩瀚无边的宇宙，充满了漂浮、旋转着的岛状星系，这是一个人类从未梦想过的更为宏大壮观的宇宙。

然而必须提醒，康德的思想虽然以牛顿物理学作为基础，富有灵感，但仅是思辨。尽管他富有物理学和数学的修养，但是后来他更多还是以哲学家的身份引人关注，而不是一位真正意义上的物理学家或数学家。

拉普拉斯

1749年出生在法国诺曼底的拉普拉斯则不同于康德。他是一位才华横溢而又富有灵感的数学家，是18世纪最有影响的科学家之一。尽管今天大多数人不一定知道他，但他扎实的数学工作弥补了牛顿留下的某些缺口，并为康德的思辨提供了更为扎实的基础。

1773年，拉普拉斯在考察木星轨道时，想要弄清为何当土星轨道扩张时，木星轨道会出现持续的收缩。在分别发表于1784和1786年之间的三篇论文中，他证明这一现象是周期性的，周期是929年。在详细解释这一现象的理由时，拉普拉斯的论文同时也解决了牛顿遗留下来的一个重要问题，那就是太阳系的稳定问题。牛顿曾经被太阳系各行星之间复杂的引力相互作用这个问题所困扰，并得出结论，为了保持整个系统的稳定，有时需要某种神力的干预。拉普拉斯在他的同事数学家拉格朗日（Joseph-Le，1736—1813）的帮助下，从数学上证明，由于围绕太阳旋转的所有行星都沿同一方向，因此它们相互间的离心率和倾斜度总是足够的小，以至于无须外界的干预，就能保持长期的稳定。或者，如同拉普拉斯所写：

“从整体考虑，行星和卫星的运动都是以接近圆形轨道运行，它们沿同一方向，所处平面相互间只有微不足道的倾斜，这样的系统就会围绕一个平均态振**，偏移值非常之小。”