─仰望星空如何改變世界？─ 文：*張雙南* 教授 

目前天文學的重大問題包括黑洞、暗物質和暗能量、宇宙和天體以及生命的起源，涉及多個學科，因此天文學再度成為新現象、新思想和新概念的源泉。

編者序

自1609年伽利略發明天文望遠鏡以來，天文學的觀測和研究對現代自然科學的發展做出了巨大貢獻，包括建立現代科學研究的方法、奠定基礎物理學的基礎、促進人類宇宙觀的七次飛躍等。

在剛剛過去的2015年，人類太空探索達到了前所未有的深度與廣度，一項項突破激動人心。

在Nature最近盤點的2016值得期待的科學事件中，中國太空探索備受矚目。除了剛剛於2015年12月發射升空的暗物質粒子探測器“悟空”外，2016年中國將發射第二和第三個空間科學探測器：2016年6月發射全世界第一個量子通訊測試衛星；年底， 硬X射線調製望遠鏡將升入太空 ，在天空搜尋和觀測黑洞和中子星等高能輻射極端天體。9月，中國將完成500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）的建設，超越波多黎各的阿雷希波天文臺，成為世界上最大單口徑射電望遠鏡。

中國在太空探索和天文學研究領域正在迎頭趕上，這無疑走在發展科學事業正確的道路上。中國科學院高能物理研究所研究員張雙南仔細梳理了天文學與現代自然科學的深刻聯繫，或將在中國開啟天文科學研究新時代之際，給人們留下深邃的思考。       *張雙南*

自從1609年伽利略發明天文望遠鏡以來，天文學的觀測和理論研究使得人類在探索宇宙奧秘的漫長道路上取得了輝煌的成就，帶來了人類宇宙觀的數次重大飛躍，促進了基礎物理學理論的建立， 並確立了“恒星的內部結構與演化”和“宇宙大爆炸標準模型”兩大理論框架。

在此過程中，天文學的研究還獲得了超過十個諾貝爾物理學獎。（諾貝爾本人並沒有設立諾貝爾天文學獎，因此天文學的研究成果只能根據其對其他學科的重要程度獲得其他學科的諾貝爾獎。）其中最近的三次分別為2002年、2006年和2011年，這顯示了天文學這一古老學科的強大生命力。

隨著觀測和探測能力的進步，在人類永無止境地探索宇宙的進程中，新的天文發現有著井噴般的趨勢，比如暗物質、暗能量、黑洞、類星體、脈衝星、星際有機分子、宇宙伽馬射線暴、引力波、引力透鏡、太陽系外行星等的發現，有力地刺激並推動了天文學自身及相關學科的發展。

目前天文學的重大問題可以被概括為“一黑、兩暗、三起源”， 也就是黑洞、暗物質和暗能量、宇宙和天體以及生命的起源，其中“一黑和兩暗”構成了宇宙的“骨架”，而“三起源”則構成了宇宙的“血肉”。同時黑洞、暗物質和暗能量也是基礎物理學的重大研究問題，而“地外生命”的探索則涉及了包括化學、生命科學和哲學在內的多個學科。因此天文學再度成為新現象、新思想和新概念的源泉。

中國的古代天文學曾經世界領先，但是中國天文學對於現代天文學的發展卻貢獻甚微。同樣，中國古代的技術和生產力曾經世界領先，比如直到鴉片戰爭時期，清王朝統治下的中國GDP還是世界第一，但是中國對現代科學與技術的貢獻卻非常之少。一個幾乎人所共知、但最令人不願接受的事實，就是幾乎從中學到研究生的所有理工科教科書的知識都來自於西方。因此從鴉片戰爭至今，中國一直是科學和技術的知識“消費”國，而不是“貢獻”國。

現代科學和技術是人類文明的重要組成部分，中國作為世界上現存最大的文明古國，在這個方面對人類文明的貢獻卻可謂微不足道，這很值得我們深刻反省。造成中國在現代科學和技術上全面落後於西方的原因是多方面的，但我本人認為中國文化中缺乏基本的科學精神是一個重要原因。 

1.天文學研究促成了現代科學研究方法

A.天體運動定律的發現

由於地球的自傳，地球上看起來日月和其他所有的天體似乎都是繞地球轉動的，因此古希臘人的宇宙觀很自然就是地心說，該學說的代表人物是畢達哥拉斯（西元前572年~497年）和亞里斯多德（西元前384年~322年）。

事實上，直到今天仍然有很多人認為所有的天體都是繞地球轉動的，因為這是由樸素的經驗得到的很自然的結果。我多年前在美國看到一個抽樣調査的結果，大約一半被調査的美國人仍然相信地心說。有人在回答調査的問卷時甚至寫道，儘管學校老師教的是地球圍繞太陽運動，但是地心說更加符合他們的經驗。

這告訴我們，儘管經驗對於我們認識世界很重要，但是經驗的直接外推並不一定能夠反映世界的本質，從經驗得到的結論必須經受進一步的檢驗（也就是觀測或者實驗的檢驗）。

天文學家通過仔細的天文觀測逐步發現，行星在天空中的運動軌跡會發生逆行。這個觀測發現挑戰了當時流行的地心說宇宙觀。因此需要建立新的理論模型解釋這個新的天文觀測現象。

托勒密（西元90年~168年）提出的模型是“地心說+本輪”， 也就是對地心說的一次修正，他認為行星的逆行是真實運動，每一個行星在繞地球運動的同時，也繞著自己的一個“本輪”進行轉動。只要賦予每一個行星一組參數，就可以精確描述當時獲得的每一個行星的觀測結果。

但是天文學家哥白尼（西元1473 年~1543年）認為需要徹底推翻舊的地心說模型而建立一個全新的日心說模型。哥白尼認為，行星的逆行是行星和地球都繞太陽運動的相對運動所產生的視運動，這個模型也可以精確描述當時的觀測結果。從解釋當時已有觀測結果這個角度，無法判別這兩個模型哪個正確，因此需要新的觀測資料來檢驗這兩個模型。

第谷（1546年~1601年）的大量天文觀測發現地心說和日心說都不能完全解釋觀測結果。他發現日心說不能解釋為什麼恒星沒有視差。（實際上第谷非常英明地預言了視差現象。今天我們知道，當時沒有觀測到恒星視差的原因是恒星太遠，視差小於當時的觀測精度所致。）儘管進一步人為地修改地心說的“本輪”能夠和資料相符，但是地心說的 “本輪”太過複雜。於是第谷提出了一種介於地心說和日心說之間的宇宙體系，簡稱第谷體系，這一體系認為地球靜居宇宙的中心，行星繞日運動，而太陽則率行星繞地球運行。

和第谷同時代的開普勒（1571年~1630年）相信日心說，但是開普勒當時並沒有掌握最好的觀測資料，因此在第穀去世之前無法驗證和發展日心說。第谷儘管和開普勒的學術觀點不同，但在去世前還是把觀測資料都交給了他。開普勒仔細分析了第谷的觀測資料，發現只需要把日心說的圓軌道修改成橢圓軌道，而太陽處於所有行星的橢圓軌道的一個焦點（開普勒第一定律），這樣就能夠解釋行星運動的全部觀測資料，並根據觀測資料建立了行星運動的另外兩個定律，第一次用簡潔的數學公式描述了行星的運動。

開普勒三大定律的發現確立了日心說基本思想的正確性，並且對日心說進行了重要的修改，能夠精確描述當時對行星的所有觀測結果，是人類認識宇宙的重大突破，使得人類明確地認識到人類居住的地球不是宇宙的中心。

B.牛頓和愛因斯坦理論的誕生

儘管開普勒定律能夠很好地描述當時的天文觀測，但是就嚴格的意義上講，開普勒定律仍然不是科學規律，因為開普勒並沒有說明為什麼會有開普勒定律，也不能通過更加基本的規律推導出開普勒定律，因此開普勒定律只能是基於當時的經驗資料所整理歸納出的經驗規律。

牛頓（1643年~1727年）在他的力學三大定律的基礎上，可以用萬有引力定律解釋和推導出開普勒定律。開普勒第一定律表明行星和太陽之間必須有引力作用（也就是萬有引力的體現），開普勒第二定律就是牛頓第三定律（相當於動量守恆）的表現，而開普勒第三定律則可以使用牛頓第二定律加上萬有引力定律定量地推導出來。因此牛頓的萬有引力定律上升到了科學規律的層面，能夠清楚地解釋已有的經驗規律。既然是科學規律，就必須能夠做出預言，並經受新的經驗（觀測或者實驗）核對總和驗證。

開普勒定律。開普勒第一定律，每一個行星都繞以太陽為焦點的橢圓軌道運行。開普勒第二定律，行星從A點到B點、從C點到D點的時間間隔相等，則太陽和運動的行星的連線（向量半徑）所掃過的面積相等，即“單位時間行星掃過的軌道面積恒定”。開普勒第三定律，行星的橢圓軌道的半長軸a和週期t之間滿足以下關係：a3/t2=k，k為開普勒常數。

伽利略（1564年~1641年）于1609年發明了天文望遠鏡，從此天文學家對宇宙的觀測進入到了一個全新的時代，對行星運動觀測的精度也大大提髙。他們發現有些行星的運動軌道並不是嚴格地遵循牛頓萬有引力定律的預言，這些偏離被稱為軌道的“攝動”。如果相信牛頓萬有引力定律的正確性，那麼觀測到的攝動就只能解釋為尚未發現的行星引力造成的。

天文學家們根據牛頓定律計算天王星軌道的攝動，於1843~ 1846年預言了海王星的位置。海王星於1846年9月23日被發現（此時牛頓已經逝世一個多世紀了），這是牛頓定律的偉大勝利，也從此徹底確立了牛頓定律的正確性。因此牛頓的 萬有引力定律就成為了廣為接受的科學規律，也是現代自然科學的第一個理論體系。

當然，伽利略對科學的貢獻遠遠不只是發明了天文望遠鏡，他也是早期顯微鏡的重要研究者。實際上牛頓第一定律（也就是慣性定律）就源於伽利略的相對性原理，也就是在封閉的勻速直線運動的車裏無法知道自己在運動。牛頓第二定律的基本思想來源於伽利略的假想斜坡滾動實驗（假設一個球在一個斜坡上往下滾，那麼斜坡的坡度越小，球滾動的加速度就越小。如果斜坡沒有任何阻力，當斜坡完全變平時，球就會一直勻速滾下去）。

而萬有引力定律的靈感很可能不是來自於牛頓被樹上落下的蘋果砸中，而是傳說中的伽利略比薩斜塔實驗，或者在其他某個塔的實驗，或者伽利略的假想斜坡實驗。所以伽利略才是真正意義上的科學研究鼻祖。但是牛頓並不是一個拿來主義者，更不是今天我們經常見到的學術剽竊者。恰恰相反，牛頓是一個集大成者，他把當時的經驗知識進行了系統的歸納和大幅度的提升，從而發現了新的科學規律並形成了一套理論體系。

儘管牛頓的萬有引力定律取得了巨大的成功，可以說建立了現代自然科學，但是牛頓的理論不能完全解釋更加精確的天文觀測所發現的水星近日點的進動，因此牛頓的理論需要進行修正。事實上，牛頓的理論並不能回答引力的本質這一深刻的問題，也不能解釋為什麼引力的作用是暫態發生的。

愛因斯坦（1879年~1955年）的廣義相對論認為引力的本質是品質引起時空彎曲，任何物體（包括沒有品質的光子）在彎曲的時空中的運動就等同於受引力作用的運動，而引力作用不是暫態的，而是以光速傳播的，牛頓定律僅僅是極低速和極弱引力場的近似。廣義相對論的精確計算不僅能夠完全解釋水星近日點的進動，而且預言了遙遠恒星的光線經過太陽附近時的引力偏折。

愛丁頓於1919年在日全食時觀測的結果和廣義相對論的預言一致，而比牛頓理論的預言大了一倍，這證明了愛因斯坦理論的正確性。此外，在此之後大量的天文觀測和實驗室的實驗，都驗證了廣義相對論的正確性。因此廣義相對論是比牛頓定律更加基本，當然也更加精確的科學規律。

C.現代自然科學研究方法的建立

通過太陽系行星運動的研究，可以總結出天文學研究方法的幾個階段：

1、 經驗模型。古希臘人的宇宙觀，也就是地心說，是當時經驗的總結。而行星的逆行表明經驗模型存在謬誤。

2、 唯象模型。托勒密的本輪說和哥白尼的日心說基於一定的觀測結果，但行星運動的精確觀測逐漸發現唯象模型存在問題，這個模型與第穀的觀測資料不能完全符合。

3、 經驗規律。開普勒三定律是哥白尼唯象模型的改進，把哥白尼的唯象模型提升為數學規律，但是仍然不能回答為什麼是這樣。

4、 科學規律。牛頓的萬有引力定律，將開普勒定律提升為科學規律。天文學家在牛頓定律的指導下發現了新的行星，這也驗證了這一規律的正確性。牛頓定律能夠回答為什麼天體是這樣運動的，但仍然不能解釋引力的本質，也同樣不能解釋水星近日點的反常進動。

5、科學規律。廣義相對論是在牛頓定律的基礎上改進的科學規律，能夠解釋引力的本質就是“品質”導致的時空彎曲，和幾乎所有的觀測以及實驗都沒有根本矛盾。由廣義相對論預言的光線的引力偏折得到了觀測驗證，證明了這一規律的正確性。

上面的天文學研究方法一從經驗模型到唯象模型，再到經驗規律，最後到科學規律，實際上建立了現代自然科學研究的一般方法：首先是積累資料，包括經驗知識、觀測資料或者實驗資料等等。然後對積累的資料進行歸納和總結，能夠得到經驗規律。

對經驗規律的演繹就是建立模型的過程。但是建立的模型能夠解釋已有的資料並不能證明模型的正確性，模型必須能夠做出預言，接受新的觀測或者實驗的檢驗。該模型最終或者被推翻、或者得到驗證、或者被修改形成新的模型，最終的目的是希望發現科學規律。

而每一次得到的科學規律一般都不是終極和普適的規律，往往需要通過上述過程反復迴圈，不斷得到修改和推廣。“資料+歸納+演繹+預言+資料……”這個鏈條就構成了現代自然科學研究方法的核心。 -續- (2016-01-04 來源：財新網)