我們在宇宙中的地位

專題報導 02/01/2009


四百年前,有則令人震撼的消息席捲歐洲,一根管子搭配兩塊鏡片,便能神奇地將遙遠事物看來接近,這項道具的確切起源,逸失在爭議迷霧之中,但可知的是一六○八年十月,荷蘭人李柏赫(Hans Lipperhey)申請專利的遭到駁回,因為這項尚未命名的新玩意,早已成為一般常識。

十七個月後,義大利數學教授出版一本小手冊,其中利用這項新道具有了大發現,就手冊標題頁看來,或許會認為「望遠鏡」(perspicillum)一詞為伽利略(Galileo Galilei)所發明,縱然有些誇張也無可厚非,畢竟是伽利略將節慶玩具轉變成為了科學儀器。他在一六○九年十二月運用望遠鏡辨別出月球上的隕石坑、山峰與平原,這項發現如今屆滿四百周年,讓聯合國將今年訂為「國際天文年」。

一六一○年元月,伽利略進一步發現木星也有四顆皎潔月亮(後來才由同輩科學家克卜勒(Johannes Kepler)定名為「衛星」),同年年底伽利略也發現金星盈虧,證明金星繞著太陽公轉。

這些發現極具意義,雖然哥白尼(Nicolaus Copernicus)早在一五四三年出版《天體運行論》(De revolutionibus orbium coelestium)時,便已提出太陽中心論,但近七十年後的人們認為,那只是一種計算星球位置的方法,並不認為是宇宙的確切描述,在每二十四小時自轉一次的地球上生活,聽起來多麼荒謬啊!若地球每年繞太陽一圈,又怎麼能讓月球繞著地球轉呢?

一直到了伽利略的發現後,人們才開始有理由相信太陽中心論是一件事實,伽利略亦認為月球與地球相似,並非一顆水晶球體,而是如地球般分上下兩層,下為貪腐與墮落的大地,永恆的上天則正在崩壞,木星旁有月球在運行,木星也繞著太陽運行,既然如此,為何地球無法讓月球繞著看不見的軸心運轉?伽利略的論點在一六三二年出版的《兩大世界體系的對話》達到高峰,這本作品雖無法為地球運行下定論,卻足以讓他惹上麻煩,被送往宗教法庭。

天庭的視界

約在二千年前,亞里斯多德便曾描述一個包括大地、空氣與水火的世界,而永恆純淨的天堂則完全分隔於外,此種以地球為中心的宗教論,與亞里斯多德的天體論緊密結合,火山所吐出的黑煙與火焰即為地獄之火,上帝所在的世界則高掛星空中,就連支持哥白尼學說的英國天文學家迪吉斯(Thomas Digges),亦在一五七六年的著作中,也在繁星中畫出「上帝選民的居所」。

宗教人士自然很拒絕此種新天文學,羅馬天主教當局更為此對伽利略震怒,認為這位業餘神學家竟膽敢指導他們如何詮釋聖經,顯然跨越了紅線。伽利略後來被送至羅馬宗教法庭,卻在信仰邪教罪名上獲判無罪,但卻因教授哥白尼天文學遭判處終身軟禁。

詩人鄧恩(John Donnes)即感嘆:「新哲學質疑世事,萬物崩解,規律不再。」

不過伽利略的努力獲得克卜勒支持,他在一六○九年發表重量級天文理論著作《新天文學》,研究造成星球轉動的物理原因,這項觀點迥異於過往,從前天文學家均透過幾何模型解釋天堂的構造,就連克卜勒的導師馬斯特林(Michael Maestlin)都規勸他忘卻物理學、回歸天文學本質(即幾何學),但克卜勒甚至在伽利略提倡太陽中心論之前,便相信真實存在的宇宙。

伽利略的望遠鏡

然而自哥白尼一脈相承而來的太陽中心論確有瑕疵,哥白尼研究經度與緯度所使用的幾何模型完全不同,但在實際情況裡,經緯度理應適用同一套模型,哥白尼認為所有行星都依圓形軌道運行,就算在最靠近太陽之處,地球轉速亦不改變。後來是克卜勒尋找合理物理解釋之後,才讓他假設行星公轉軌道為橢圓形,克服其中的障礙。

除伽利略的天文觀測外,克卜勒改善行星理論也逐漸讓大眾接受哥白尼的天文學,克卜勒在《新天文學》序論中寫道:「有些人或許信念太過薄弱,無法同時相信哥白尼與上帝,就讓他們待在家自掃門前雪。讓他們確認服侍上帝之心未減,而正是上帝賦予了天文學家才能,才使他們有心靈之眼,將事物看得更加清楚透徹。」

新觀點: 迪吉斯的太陽中心宇宙

自此之後,天文儀器成為人類在宇宙自我定位的關鍵,但這項工作所費不貲,科學家布拉赫(Tycho Brahe)則表示,他的觀測工作讓丹麥國王花費超過一噸黃金,這在十六世紀已是一筆鉅款,況且布拉赫並未使用望遠鏡,而是運用象限儀等工具的肉眼觀測所得;今日望遠鏡造價可能達數十億美元。有些人認為,這些裝置最終和詩歌同樣有用(或無用)於人類前進。但這些計畫之所以獲得贊助,正如偉大詩篇或哥德式大教堂,因為宇宙論是人類精神之旅,也關乎個人或國家榮耀。若能瞭解自身在複雜時空下的位置,這個價格還值得一擲。

最遠的探索

經過伽利略與克卜勒的努力,望遠鏡的構造由一凸面物鏡加一凹面目鏡改造為二凸面鏡,讓視野更加寬廣,近二百年後,天文觀測才再度出現重大發展。赫歇爾(William Herschel)原為音樂家,後成為業餘天文學家,他在十八世紀末企圖探究宇宙的三度空間結構,並在過程中發現天王星,也使他由業餘者變成專業天文學家。赫歇爾身為當時最具發明能力的天文學家,打造大反射望遠鏡增進聚光能力,最後記錄到數千顆星,並發現數百個星團與星雲,讓人類不再單靠肉眼探索浩瀚宇宙。

百年後,拜工程科技進步之賜,人類發明玻璃鍍銀為鏡的技術,也利用攝影捕捉星球與星雲影像,讓天文學家跨入另一個領域。一八五九年在德國海德堡一座化學實驗室中,化學家本生(Robert Bunsen)與物理學家克希霍夫(Gustav Kirchhoff)藉由個別物質的化學光譜,覓得打開宇宙化學秘密之鑰。與此同時,慈善家亦投入鉅資研發各項設備,新式大望遠鏡帶來更多天文發現,也提升社會的科學意識,例如認識廣大銀河規模原來遠超乎赫歇爾想像,才明白銀河是由橫跨數百萬、數十億光年的眾多星雲組合而成,彼此朝著不同方向前進,猶如數十億年前曾有宇宙的大爆炸。

隨著所知宇宙的規模與年代不斷擴大,取代過往以人類中心論為主的宇宙觀,也引起人們懷疑,在近似廣闊無垠的太空之中,理性從事觀測的肉身人類究竟有何意義?這項存在主義的叩問延續數十年,亦讓我們願意投入更多經費,進行各項太空探索。

今日在電子革命之下,數位攝影已提升近五十倍的效能,更可收集並處理上兆位元的資料,高速光學亦可因應各項大氣變化,讓天文學家充份運用地球上大孔徑的望遠境,對宇宙星球與星雲的瞭解亦達前所未見的規模,包括近年來更擴及的太陽系外行星。

美國航太總署的克卜勒計畫預計於二○○九年三月啟動,亦是人類首次明確企圖尋找類地球的太陽系外行星。請勿期待會有智慧生物自遙遠星球傳來電波與我們溝通,但很可能會發現其他令人興奮的信號。今日光譜學可用來探測遠方星球上的大氣,並尋覓可能代表生命跡象的化學反應,縱然是最簡單的生命,也能在大氣中留下氧的訊息,相關研究或許可幫助我們回答一個更根本的問題:我們是宇宙唯一的生物嗎?

國際天文年也許將帶動另一次知識革命,重新建構我們自身在宇宙中的位置,但這能否像伽利略與克卜勒的太陽中心論一樣,對人類產生巨大影響呢?則有待時間來證明。

(本文原為二○○九年一月一日《自然》雜誌專文。作者金瑞契(Owen Gingerich)為哈佛大學科學史暨天文學榮譽教授。)
【知識通訊評論月刊七十六期】2009.02.01

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