天文學(xué)是最古老的自然科學(xué)學(xué)科之一。每天太陽從東方升起，從西方落下。古人于是就有了對(duì)宇宙的樸素認(rèn)識(shí)。人類正確認(rèn)識(shí)宇宙以及地球在宇宙中的地位經(jīng)歷了漫長的過程，這一過程與歷史上許多著名學(xué)者的辛勤勞動(dòng)細(xì)致的觀測(cè)和深入的理論研究是密切不可分的。
早在公元前4世紀(jì)，古希臘哲學(xué)家亞里士多德就已提出了地心說，即認(rèn)為地球位于宇宙的中心。公元140年，古希臘天文學(xué)家托勒密發(fā)表了他的13卷巨著《天文學(xué)大成》，在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上系統(tǒng)地確立了地心說。根據(jù)這一學(xué)說，地為球形，且居于宇宙中心，靜止不動(dòng)，其他天體都繞著地球轉(zhuǎn)動(dòng)。這一學(xué)說從表觀上解釋了日月星辰每天東升西落、周而復(fù)始的現(xiàn)象，又符合上帝創(chuàng)造人類、地球必然在宇宙中居有至高無上地位的宗教教義，因而流傳時(shí)間長達(dá)1300余年。早在兩千多年前，古希臘天文學(xué)家阿里斯塔克就已提出了樸素的日心說。他指出，太陽位于宇宙中心靜止不動(dòng)，地球則繞著太陽運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又繞軸自轉(zhuǎn)?？上в捎诳茖W(xué)水平的限制，這一天才的思想未能為人們所認(rèn)識(shí)。直到中世紀(jì)末，由于用托勒密地心體系推算出來的行星位置與實(shí)際天象的觀測(cè)結(jié)果不符，人們才開始懷疑地心說的正確性。
1543年，波蘭天文學(xué)家哥白尼在他的不朽名著《天體運(yùn)行論》中系統(tǒng)地提出了日心說。在他闡釋的日心體系中，太陽居于宇宙的中心，地球和其他行星沿著圓形軌道繞太陽運(yùn)行。這樣一來，托勒密地心體系中需要用極為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)圖像來解釋行星運(yùn)動(dòng)天象的煩瑣的工作一下子變得十分簡(jiǎn)單。后來，德國天文學(xué)家開普勒指出，行星繞太陽運(yùn)動(dòng)的軌道應(yīng)該是橢圓而不是圓，太陽位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。這一重大發(fā)展使得觀測(cè)結(jié)果完全可以用理論來加以解釋和預(yù)報(bào)，日心說的地位進(jìn)一步得以鞏固。 按照日心學(xué)說，就地球上的人來看，天上恒星的位置應(yīng)隨著地球繞太陽運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變化。在哥白尼提出日心說后的近300年中，人們進(jìn)行了大量的觀測(cè)，企圖證明這一點(diǎn)，可是始終沒有成功。原來，恒星離開地球十分遙遠(yuǎn)，最近的一顆也遠(yuǎn)達(dá)43萬億千米。因此，地球圍繞太陽運(yùn)行造成的這顆恒星的位置變化只有12.5。恒星越遠(yuǎn)，這一變化也越小，當(dāng)時(shí)的觀測(cè)儀器是無法探測(cè)到的。直到1838年，德國天文學(xué)家白塞爾才首次利用三角方法測(cè)出一顆名為天鵝61的恒星的位置變化，并推算出它的距離為11.2光年，從而最終證實(shí)了哥白尼的日心地動(dòng)學(xué)說。
地球的地位從居宇宙之中的特殊天體降為繞太陽運(yùn)動(dòng)的一顆普通行星。1608年，荷蘭人李波爾賽在一次偶然的機(jī)會(huì)中發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡。翌年，意大利物理學(xué)家、天文學(xué)家伽利略在得知這一消息后，立刻親自動(dòng)手制作了第一架天文望遠(yuǎn)鏡，并不斷加以改進(jìn)。伽利略利用他的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了月球表面的環(huán)形山、金星月相、木星的衛(wèi)星、太陽黑子，發(fā)現(xiàn)了茫茫銀河由無數(shù)個(gè)恒星所組成。早在15世紀(jì)中葉，德國大主教尼古拉就已猜測(cè)黑夜天穹中的恒星都是一個(gè)個(gè)十分遙遠(yuǎn)的太陽。1584年，意大利人布魯諾明確提出宇宙是無限的，恒星都是遙遠(yuǎn)的太陽，太陽只是無數(shù)個(gè)恒星中的普通一員。1750年，英國天文學(xué)家賴特指出，銀河和所有觀測(cè)到的恒星構(gòu)成一個(gè)巨大的扁平狀天體系統(tǒng)，由于太陽連同地球位于這一系統(tǒng)的內(nèi)部，從不同方向觀測(cè)才看到了銀河和離散分布的點(diǎn)點(diǎn)繁星。1785年，英籍德國天文學(xué)家威廉赫歇耳利用他自制的當(dāng)時(shí)世界上最大的46厘米望遠(yuǎn)鏡，通過長期的實(shí)際觀測(cè)，并經(jīng)過精心的分析研究，建立了第一個(gè)銀河系模型。在這一模型中，太陽仍然位于當(dāng)時(shí)人們所認(rèn)識(shí)的宇宙范圍銀河系的中心。由于赫歇耳個(gè)人在當(dāng)時(shí)的威望，這一觀念一直維持了130余年之久。恒星這一名稱，無論在中國還是在西歐，它的含義都是恒定不動(dòng)的星體。因?yàn)樵诤荛L時(shí)間內(nèi)人們都發(fā)現(xiàn)恒星間現(xiàn)對(duì)位置固定不動(dòng)，故而取了這么個(gè)名字。1718年，英國天文學(xué)家哈雷通過觀測(cè)和分析，首次指出恒星不動(dòng)的概念是錯(cuò)誤的。后來，赫歇耳正確地認(rèn)識(shí)到，我們所觀測(cè)到的恒星運(yùn)動(dòng)是由恒星自身的運(yùn)動(dòng)和太陽的空間運(yùn)動(dòng)兩部分合成的結(jié)果。1783年，他通過對(duì)所觀測(cè)到的大量恒星運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)太陽以大約每秒20千米的速度朝著織女星方向運(yùn)動(dòng)。太陽空間運(yùn)動(dòng)的發(fā)現(xiàn)徹底動(dòng)搖了哥白尼日心體系中太陽固定不動(dòng)的觀念。1917年，美國天文學(xué)家沙普利通過對(duì)銀河系內(nèi)天體分布的分析，確認(rèn)太陽并不位于銀河系的中心，而是處于相對(duì)說來比較靠近銀河系邊緣的地方，從而糾正了赫歇耳銀河系模型的錯(cuò)誤。這樣，太陽的地位也發(fā)生了變化，從居于銀河系中心的特殊恒星，降為銀河系中一顆毫無特殊地位可言的普通恒星，地球在宇宙中的地位也就更無特殊性可言了。銀河系是否已經(jīng)包括了宇宙的全部內(nèi)容呢？早在赫歇耳嘗試確定銀河系結(jié)構(gòu)之前，人們就已觀測(cè)到天空中除恒星外還存在著一些暗弱而又模糊的云霧狀天體，取名為星云。比如，1612年德國天文學(xué)家馬里烏斯率先用望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了仙女大星云。1750年賴特天才地猜想，這類星云中有一些可能是同銀河系相似的巨大恒星系統(tǒng)。1755年德國人康德首次明確提出在銀河系外的宇宙空間中存在著無數(shù)個(gè)類似的天體系統(tǒng)，稱為河外星系，或簡(jiǎn)稱星系，甚至確指仙女大星云即是一個(gè)很好的例子?？墒钱?dāng)時(shí)人們對(duì)星云的精細(xì)結(jié)構(gòu)缺乏了解，更不知道它們的距離，無從妄下斷語。因?yàn)楸M管在赫歇耳時(shí)代之后，觀測(cè)手段不斷改進(jìn)，物理學(xué)研究方法不斷介入天文學(xué)，但直到20世紀(jì)初，關(guān)于星云的本質(zhì)仍然沒有明確的定論。但是康德的猜想可以說是一個(gè)天才的猜想，這是天文學(xué)上三個(gè)天才的猜想之一。
第一個(gè)是亞里士多德，他猜想地球繞太陽轉(zhuǎn)。第二是布魯諾，他猜想天上的星云都是太陽。第三個(gè)猜想就是康德，他猜想在銀河系外，有很多很多和銀河系同樣大小或者差不多大小的河外星系。下面我會(huì)給大家看仙女星云，這個(gè)星云實(shí)際上如果你知道它的確切位置，人的眼睛勉強(qiáng)可以看到的，就是正常1.5的眼睛。他說這個(gè)不是星云，那么星云什么樣呢？這個(gè)給大家看兩個(gè)星云：這是一個(gè)叫蟹狀星云，一千多年前一次恒星死亡前的爆炸到現(xiàn)在就成這個(gè)模樣很漂亮的一個(gè)星云。那個(gè)是個(gè)馬頭星云，這里是個(gè)暗星云，這是真正的星云。那么當(dāng)時(shí)赫歇耳是權(quán)威，而且他手頭當(dāng)時(shí)有世界上最大的望遠(yuǎn)鏡。他說你們也不要吵了，這個(gè)星云到底是星云還是星系？我的望遠(yuǎn)鏡來看，我的望遠(yuǎn)鏡能夠把星云看成一顆一顆恒星，伽利略看銀河系不是這樣看的嗎？我如果把星云分成一顆一顆恒星，那么這個(gè)星云就是星系。對(duì)不對(duì)？如果這個(gè)星云看來看去，不能夠分解成一顆一顆恒星，那么這個(gè)康德這個(gè)觀點(diǎn)不能成立。然后赫歇耳就看，看到后來他自己也糊涂了。這是什么意思呢？有一些星云的確他分解很清楚了，但是有一些星云他又沒有辦法把它分解成恒星。實(shí)際上他沒有辦法分解為恒星的是一些真正的星云在銀河系里面的，而給它分解成恒星的呢也不是星系，是銀河系里面的一些星團(tuán)。那么他就搞糊涂了，所以他一會(huì)兒說河外星系有，一會(huì)兒又說河外星系沒有。那么別人就跟著這個(gè)大權(quán)威在那兒倒來倒去，所以這個(gè)問題就沒解決。
這個(gè)事情一直鬧到二十世紀(jì)初，1920年4月份美國科學(xué)院專門舉辦了一次討論會(huì)，這個(gè)星云的本質(zhì)到底是什么？這個(gè)討論會(huì)一個(gè)專門的名字叫宇宙的尺度，這是天文學(xué)史上有名的叫做沙普利-柯蒂斯之爭(zhēng)。這兩個(gè)人好像吵架一樣，沙普利倒是證明了太陽不在銀河系的中心，就是他。但在這件事情上他的觀點(diǎn)是不對(duì)的，他堅(jiān)持沒有河外星系。那么柯蒂斯他認(rèn)為有河外星系，這實(shí)際上爭(zhēng)論到最后，這個(gè)會(huì)是沒結(jié)果的。為什么沒結(jié)果呢？就是不知道仙女星云的距離，銀河系的尺度是十萬光年，如果仙女星云離開我們是一百萬光年，那就在里面。如果仙女星云離開我們一千光年，那就在銀河系外面。那么這個(gè)問題當(dāng)時(shí)就沒辦法解決，這個(gè)測(cè)定天體的距離，是天文學(xué)上非常頭痛非常困難的一件事情，那么就是靠了望遠(yuǎn)鏡這場(chǎng)爭(zhēng)論就解決了。這個(gè)功勞歸功于大家知道是哈勃，有個(gè)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，就紀(jì)念這個(gè)哈勃。1923年10月6日，這個(gè)哈勃利用當(dāng)時(shí)世界上最大的2.5米的望遠(yuǎn)鏡就觀測(cè)爭(zhēng)論不休的那個(gè)仙女星云，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了就把仙女星云邊緣的一顆一顆星分開來，它的分辨本領(lǐng)起作用，然后又發(fā)現(xiàn)了里面的造父變星，然后利用造父變星的觀測(cè)推算出這個(gè)仙女星云離開我們是225萬光年，那么這個(gè)距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)在銀河系以外，所以仙女星云現(xiàn)在我們就叫仙女星系了，你不能叫它仙女星云了，那么這場(chǎng)爭(zhēng)論就到1923年結(jié)束，這個(gè)仙女星系就是這個(gè)樣子的，大體和我們銀河系的樣子差不多，但是比我們銀河系大，你看它這個(gè)像個(gè)漩渦星系，那么哈勃觀測(cè)的就是這種邊上的星，這團(tuán)還是看不出，密密麻麻的星都在里面。剛才我不是講了，康德說有各種各樣河外星系嗎？現(xiàn)在天文學(xué)家就拍到各種各樣的河外星系，這就是一些河外星系照片，這個(gè)小的星系給大的星系甩出去的。這個(gè)都離開我們很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)，每一個(gè)這樣的系統(tǒng)里面，就有幾百、幾千億恒星，非常遠(yuǎn)！有的星系還把東西拋出去，這都是天文學(xué)上需要研究的問題。
那么我們?nèi)绻偨Y(jié)一下哥白尼他正確地認(rèn)識(shí)太陽系，赫歇耳把我們帶入恒星世界，就是擴(kuò)大到銀河系，哈勃使我們進(jìn)入了星系世界。那么現(xiàn)在同樣地通過理論計(jì)算知道，宇宙中間各種各樣星系的數(shù)目大概有一千億，這個(gè)數(shù)字好像很巧，銀河系里面的恒星數(shù)目有一千億個(gè)，這個(gè)宇宙中間的星系數(shù)目一千億個(gè)，最遠(yuǎn)的離開我們大概是150億光年不到一點(diǎn)。那么這些星系或者說恒星集團(tuán)，它又構(gòu)成更大的集團(tuán)星系團(tuán)。星系團(tuán)還會(huì)構(gòu)成更大更大的集團(tuán)就是超星系團(tuán)。所以我們把恒星構(gòu)成星系，星系構(gòu)成星系團(tuán)、超星系團(tuán)，這個(gè)現(xiàn)象成為宇宙的成團(tuán)結(jié)構(gòu)。宇宙中間大概有85％的星系都構(gòu)成各種各樣的星系團(tuán)，這里是張星系團(tuán)的照片，請(qǐng)大家注意，除了這個(gè)以外，其他都是星系。就是這顆是銀河系中間暗的恒星，你們看看這個(gè)地方，你看這一個(gè)叫漩渦星系，像水里面的漩渦一樣。仔細(xì)看，看得出來，這個(gè)還有一點(diǎn)小的漩渦，這都是星系，這就是一個(gè)離開我們比較近的一個(gè)星系團(tuán)。
那么天文學(xué)家始終為測(cè)定不同天體的距離而進(jìn)行不懈的努力。除了三角測(cè)量方法外，又發(fā)展了由光度測(cè)量確定天體距離的各種辦法，其中之一就是利用一種有特殊光度變化特性的變星造父變星。原來，造父變星光度的變化十分有規(guī)則，而且光度越大光變周期也越長。因此，只要測(cè)出造父變星的光變周期，就可以推算出它的實(shí)際光度，再把實(shí)際光度與觀測(cè)到的亮度進(jìn)行比較，就可以推算出它的距離來了。這種推算相當(dāng)準(zhǔn)確，因而造父變星有量天尺之稱。20世紀(jì)初，美國威爾遜山天文臺(tái)建成了當(dāng)時(shí)世界上最大口徑的2.5米天文望遠(yuǎn)鏡。1923年10月6日，美國天文學(xué)家哈勃利用這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡拍攝了仙女星云的照片，照片上星云的外緣已被分解成一顆顆恒星。哈勃從中發(fā)現(xiàn)了多顆這類變星。利用這些造父變星，哈勃推算出仙女星云的距離為225萬光年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出銀河系范圍。河外星系的存在最終得以確認(rèn)。人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)又大大地跨進(jìn)了一步。我們的地球在宇宙之中毫無特殊之處可言，地球不是上帝刻意安排的，人類自然也不是上帝創(chuàng)造的。不過，就是在這樣一顆行星上，人類演出了光輝燦爛的文明史，并最終正確地認(rèn)識(shí)了宇宙的概貌。好了！
作為今天這個(gè)報(bào)告的結(jié)束，我們前面講了人類怎樣認(rèn)識(shí)宇宙的三個(gè)主要里程碑：地心說到日心說、日心說到銀河系、銀河系到河外星系。那么我們來看看我們這個(gè)宇宙到底整體是個(gè)什么模樣？它將來會(huì)向何處去？這就是宇宙學(xué)研究的內(nèi)容。它從總體上整體角度探討宇宙的結(jié)構(gòu)和演化，那么這個(gè)歷史過程很長，我講了幾個(gè)主要的階段性，那么印度人又說大地是在幾頭大象上，大象在烏龜上，烏龜在海里游。古人都有各種各樣的想法，那么到了十七世紀(jì)牛頓開始利用力學(xué)方法來研究宇宙，這個(gè)就是經(jīng)典宇宙學(xué)。在牛頓時(shí)代這個(gè)時(shí)間和空間是分開的，時(shí)間和空間是沒有關(guān)系的。到了二十世紀(jì)初，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了廣義相對(duì)論，他開始用廣義相對(duì)論來研究宇宙學(xué)。這就開創(chuàng)了現(xiàn)代宇宙學(xué)，那么在愛因斯坦時(shí)代時(shí)間和空間已經(jīng)聯(lián)系在一塊兒，不分了。
但是愛因斯坦的宇宙是一個(gè)靜態(tài)的宇宙，它是不動(dòng)的。到了1922年弗里德曼，他就探討非靜態(tài)宇宙，就是這個(gè)宇宙會(huì)不會(huì)膨脹？1927年比利時(shí)的主教，這個(gè)人是個(gè)主教，勒梅特。他提出宇宙是膨脹的，而且是均勻各向同性膨脹。到1948年美國籍的俄國人伽莫夫，他首先建立了大爆炸宇宙學(xué)。大爆炸宇宙學(xué)的說法是：大約在150億年之前，宇宙處于一個(gè)溫度極高、體積極小、密度極高、或者說是一個(gè)奇點(diǎn)，然后開始膨脹。膨脹以后體積不斷變大，密度下降、溫度下降，經(jīng)過150億年時(shí)間的演化，變成今天的宇宙。那么這個(gè)大爆炸模型得到一些觀測(cè)事實(shí)的支持，比如說哈勃發(fā)現(xiàn)河外星系在離開我們，而且越遠(yuǎn)的河外星系離開我們的速度越大，這就證明宇宙膨脹。還有從理論上可以算出來，早期宇宙的溫度經(jīng)過不斷下降，現(xiàn)在我們應(yīng)該可以觀測(cè)到大約在絕對(duì)溫度三度左右的均勻各向同性的背景輻射。這個(gè)波長在微波階段，這件事情居然被觀測(cè)成功，這個(gè)是一個(gè)得諾貝爾獎(jiǎng)的，等等還有些重要觀測(cè)事實(shí)。所以大爆炸宇宙學(xué)成為一種主流學(xué)說，就是大部分天文學(xué)家都贊成。
現(xiàn)在問題是我們以后宇宙跑哪兒去？就是一直膨脹，最后它的結(jié)局是怎么樣？那么這個(gè)就要看，這個(gè)膨脹過程是一個(gè)斥力起作用還是引力起作用？宇宙中間存在著很多物質(zhì)，物質(zhì)之間有萬有引力，因此這個(gè)過程是一個(gè)引力與斥力之爭(zhēng)，到底誰厲害？是引力厲害還是斥力厲害？這就要看宇宙中間物質(zhì)的密度，如果這個(gè)宇宙中間物質(zhì)比較多，密度比較高，這個(gè)斥力最后頂不過引力的。總會(huì)有一天膨脹結(jié)束，然后就開始收縮。如果宇宙中間這個(gè)物質(zhì)密度不夠高，它頂不住那個(gè)斥力，那么這個(gè)宇宙就會(huì)一直不斷地膨脹下去。一直不斷膨脹下去的宇宙稱為開宇宙，開放式的。有一天要收縮的，這個(gè)叫閉宇宙。那么這兩類宇宙有不同的情況。首先我們探討一下開宇宙，開宇宙不斷地膨脹，宇宙中間的恒星不斷誕生。十的十四次方年以后，恒星不但不會(huì)誕生，而且恒星已經(jīng)全部死亡了，全部失去光輝了，星系中間只剩下星系核中間的黑洞了。到十的十七次方和十的十八次方年以后，只有黑洞和死亡的恒星，而且恒星中的質(zhì)子開始變得不穩(wěn)定，就是質(zhì)子要衰變。經(jīng)過十的二十四次方年，質(zhì)子開始衰變，就變?yōu)楣庾雍推渌p子。經(jīng)過十的三十二次方年衰變過程結(jié)束，這個(gè)宇宙中間只剩下了光子輕子和大黑洞。但是到了十的一百次方年以后，這個(gè)宇宙恐怕就完蛋了。就是所有的黑洞全部蒸發(fā)了，這個(gè)大概可以稱為宇宙的末日。
那么另一個(gè)結(jié)局閉宇宙，這個(gè)就比較差勁一點(diǎn)。這個(gè)閉宇宙就是說宇宙膨脹要停止了，然后這個(gè)宇宙就開始收縮，收縮過程和膨脹的過程恰好相反，就倒過來。開始收縮得很慢，然后變快，越來越快。那么膨脹是五百億年，收縮也是五百億年。所以一千億年以后又回到大爆炸的那個(gè)狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候稱為大暴縮。我想我們不需要擔(dān)心，我今天講這個(gè)課，你們也不會(huì)擔(dān)心。這個(gè)時(shí)間尺度實(shí)在太長！將來怎么辦完全不是我們考慮的問題，對(duì)吧！你像太陽，太陽已經(jīng)生活五十億年了。再過五十億年，太陽要膨脹，那時(shí)怎么辦？那是近的事情，太陽膨脹可能會(huì)把地球吞掉，等等這些問題呢，那只有靠我們科學(xué)技術(shù)的發(fā)展來解決。比如說把這個(gè)地球，我的設(shè)想，我們把整個(gè)地球當(dāng)成一個(gè)宇宙飛船飛走。因?yàn)槲迨畠|年以后，你想人類有文明史大概四千年吧，我們一百年前才發(fā)明的飛機(jī)，現(xiàn)在計(jì)算機(jī)發(fā)展快得不得了，所以我們對(duì)開宇宙也好，閉宇宙也好，都不要多去想，以前說杞人憂天，這個(gè)不要去杞人憂天，未來是美好的！
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