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及時章 天 文 探 索

人為什么研究天文？

緣由有四：

(1)為生產(chǎn)：識天時、明季節(jié)、辨方位、定航向。

(2)為好奇：疑則生天問、惑則求推步。

(3)為占卜：祈求好運(yùn)、占星求天、從正常天象獲信心、從異常天象猜警示。

(4)為天文科學(xué)的發(fā)展：天文學(xué)一旦成為了一門科學(xué)，就有了自身的發(fā)展、自身的問題，人就研究天文學(xué)，不斷提出問題、解決問題，不斷發(fā)現(xiàn)新天象、構(gòu)造新理論，天文學(xué)就蓬勃發(fā)展。

及時節(jié) 天文學(xué)規(guī)律的認(rèn)識

科學(xué)探索

幾千年的天文學(xué)研究獲得了豐碩的成果：探明了天體運(yùn)動的諸多規(guī)律。

科學(xué)探索是人類認(rèn)識自然規(guī)律的過程。

天體作為客觀事物，它的變化、運(yùn)動規(guī)律獨(dú)立于人而存在。它被認(rèn)識，要經(jīng)過感官的感受，人腦的消化、加工、凝縮、提煉，然后采用恰當(dāng)?shù)男问桨阉磉_(dá)出來。

我們來考察人對行星運(yùn)動的認(rèn)識，作為本書剖析的及時個實例，認(rèn)識科學(xué)研究和探索真理的歷程。

古人看天，發(fā)現(xiàn)天上星星排列成的圖案是不變的，年復(fù)一年還是那樣。可是，有幾顆星不參加圖案的排列，而是在固定的星空圖案中穿行。這就是五顆行走的星：金星、木星、水星、火星、土星。它們每天出現(xiàn)在天空中不同的位置。

怎樣解釋行星的運(yùn)動呢？

16世紀(jì)以前，人們信奉由亞里士多德構(gòu)造并被托勒密完善了的天體運(yùn)行體系：一切天體繞地球做圓周運(yùn)動。地球往外有幾個天球殼，每個球殼上分別鑲嵌著太陽、月亮和五顆行星中的一顆，依次是月亮、水星、金星、太陽、火星、木星、土星。土星外面是恒星天。行星在一個比較小的圓周——稱為本輪——上勻速轉(zhuǎn)動，本輪的中心在一個大輪——稱為均輪——上繞地球的"對點"做勻速運(yùn)動。地球與"對點"的中點就是均輪的圓心(圖1-1)。

這是行星視運(yùn)動的數(shù)學(xué)注解，至于客觀世界是不是這樣，托勒密并不關(guān)心。

圖1-1 對行星運(yùn)動表現(xiàn)的數(shù)學(xué)注解(托勒密，145)

1542年，哥白尼作出另外的數(shù)學(xué)說明：不是行星繞地球做圓周運(yùn)動，而是地球和行星繞太陽做圓周運(yùn)動。哥白尼的這個說明在相當(dāng)程度上被認(rèn)為是真理。

70年后，開普勒將行星視運(yùn)動研究從幾何學(xué)轉(zhuǎn)入了物理學(xué)。他研究了第谷留下的精密觀測資料，發(fā)現(xiàn)行星——地球也是行星——繞太陽運(yùn)行的真實軌道不是圓而是橢圓，太陽在橢圓的一個焦點上。

又過了70年，牛頓從力學(xué)原理出發(fā)，計算出在萬有引力作用下，行星繞太陽運(yùn)行的軌道是橢圓。

這樣一來，人就清楚認(rèn)識了行星的運(yùn)動：太陽與行星按照物理學(xué)規(guī)律以太陽為中心構(gòu)成了一個動力學(xué)體系——太陽系，它們看起來復(fù)雜的運(yùn)動可以用數(shù)學(xué)結(jié)果表示出來。

但是，人們還是不明白，運(yùn)行軌道橢圓本身是怎樣運(yùn)動的？一顆行星繞太陽運(yùn)行的橢圓軌道本身也在運(yùn)動，進(jìn)動是這種運(yùn)動中的一種。應(yīng)用牛頓理論計算出來的行星橢圓軌道近日點進(jìn)動的量與觀測值總是對不上號，為什么會這樣？

1916年，愛因斯坦建立了相對論力學(xué)。由此出發(fā)，他地計算了橢圓軌道近日點進(jìn)動的量。原來，在引力作用下，必須考慮空間和時間的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)。

反映正確嗎

從托勒密到愛因斯坦，人對行星的運(yùn)動有了一系列的認(rèn)識。那么，哪個認(rèn)識是對的？誰的認(rèn)識更真？或者說，哪個認(rèn)識更具有真理性？

在我們的例子里，行星是自然界客觀存在的事物，它們的運(yùn)行有自己的特性，這些特性的表象被人看見了，人就知覺到了這些特性，進(jìn)一步，人把行星運(yùn)動這一客觀事物及其規(guī)律反映到腦中。

托勒密的反映是直觀的反映，看見什么在動就描述什么。既然行星在天球上運(yùn)行，那就讓它繞我們轉(zhuǎn)好了。用圓來表達(dá)最方便，也最"美"，至于對點、本輪、均輪，都是為了方便描述而套用的數(shù)學(xué)形式，托勒密也不知道它們是不是真實地反映了行星的運(yùn)動。現(xiàn)在我們清楚了，托勒密的反映不是真的。

哥白尼追求正確反映，用地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)解釋行星的運(yùn)動。在哥白尼的認(rèn)識中，采用了圓形軌道。于是，純粹客觀的行星在人腦中就有了一個映像——圓形軌道：在圓形的均輪上有本輪，在本輪之上還有本輪。哥白尼用了34個圓形軌道來構(gòu)成他的太陽系。

在牛頓的認(rèn)識中，力學(xué)原理才反映了行星運(yùn)動的規(guī)律。這樣一來，哥白尼認(rèn)識中的不真之處暴露出來了，日心學(xué)說作了根本性的修改。

相對論天體力學(xué)，則是用相對論作為對客觀的行星及行星運(yùn)行規(guī)律的反映。正是由于這一反映的正確性，人們對行星運(yùn)行現(xiàn)象了如指掌了。

正確的反映——科學(xué)真理

通過案例剖析，我們知道：

(1)規(guī)律是客觀的，它獨(dú)立于人而存在。在人認(rèn)識它們之前，自然界本來就存在著。

(2)自然界——它運(yùn)動的物質(zhì)——會刺激人的感覺器官，產(chǎn)生感覺和知覺。

(3)感覺和知覺，雖然是自然界直接刺激所產(chǎn)生的，但它并不就是自然界的物質(zhì)運(yùn)動規(guī)律。它沒有正確地表達(dá)自然界。

(4)人腦必須對感覺和知覺進(jìn)行加工，積極思維，透過現(xiàn)象把握事物的本質(zhì)。

(5)同時，用科學(xué)語言把大腦所把握的事物本質(zhì)表述出來。

這樣的科學(xué)語言表述就是客觀事物及其規(guī)律性在大腦中的反映。如果這個反映正確，我們就得到了科學(xué)真理。

科學(xué)真理，就是客觀事物及其規(guī)律性在人頭腦中的正確反映。

哥白尼理論、牛頓力學(xué)理論、相對論力學(xué)理論分別以不同程度的正確性反映了行星運(yùn)動這一客觀事物及其規(guī)律。可是這三種理論認(rèn)識的真理性是不同的。哥白尼理論是正確的，但它僅是與地心說抗衡的、更美的和諧理念，是行星運(yùn)動的粗略反映，現(xiàn)在，它僅保留歷史地位。牛頓力學(xué)理論的正確性比哥白尼理論大大提高了。正確程度更高的反映是相對論力學(xué)理論。

現(xiàn)在，牛頓力學(xué)理論被認(rèn)為是行星的本質(zhì)及其規(guī)律的科學(xué)真理。在要求更精密的場合，人們則應(yīng)用相對論力學(xué)理論，因為相對論力學(xué)是更加正確的科學(xué)真理。

不正確的反映

我們?nèi)粘８杏X和知覺到的現(xiàn)象，并不等于真理，也就是說，它們并沒有正確反映客觀規(guī)律。常見的是，人知覺到的現(xiàn)象與客觀規(guī)律差別很大。我們已經(jīng)看到，人知覺到的是天體環(huán)繞地球轉(zhuǎn)。這種知覺到的現(xiàn)象并沒有反映天體運(yùn)行的規(guī)律。

對行星的認(rèn)識是這樣，對恒星的認(rèn)識也是這樣。

人把看起來不會移動的星稱為"恒"星。這是從知覺得來的映像。在測量不精密的年代，它似乎是一種正確的反映，但在測量精密的時代，"恒星是不動的星"就是不正確的反映了。

有一個時期，天文學(xué)界流行一種看法：火星上有縱橫交錯的"運(yùn)河"。這是在觀察火星時得到的知覺。這樣的知覺如果是正確的反映，火星上就存在高度文明的生物。地球人就要做好跟火星人交往的準(zhǔn)備。這太振奮人心了。可是，發(fā)現(xiàn)，這樣的反映是不正確的，火星上沒有"運(yùn)河"，火星不具備高級生命生存的條件。

從不正確的反映到正確的反映：認(rèn)識以太正確的反映"是一個過程，是漸進(jìn)的、曲折的過程。從不正確的反映到正確的反映就是科學(xué)研究尋找科學(xué)真理的過程。

我們來考察人對"以太"的認(rèn)識，作為認(rèn)識科學(xué)研究和探索真理的歷程的案例。

"以太"一詞，起源于古希臘，最初見于一則神話傳說：暗神伊利波斯與夜神尼卡絲結(jié)合，生出個精靈氣旺的宙斯神來，這就是以太。在那個時候，以太表示精靈之氣，彌漫于宇宙。

在希臘哲人的思辨里，以太不是物理概念，而是哲學(xué)概念。他們不需觀察，不需實驗，無經(jīng)驗事實作證據(jù)，只不過從思想方面分析物質(zhì)，究其本源，推出以太。

哲學(xué)或遲或早總要影響自然科學(xué)，以太概念也是這樣。

16世紀(jì)末，吉爾伯特仔細(xì)研究了磁石和磁鐵，發(fā)現(xiàn)了地磁傾現(xiàn)象，斷定地球是一塊大磁鐵。吉爾伯特除了做實驗以外，還企圖深入揭露磁的本質(zhì)。不過，由于他對微觀世界一無所知，只能思辨式地大膽想象。他認(rèn)為磁鐵有靈魂，靈魂包藏在磁鐵里，并由磁鐵發(fā)射出來。他發(fā)現(xiàn)"以太"一詞能非常恰當(dāng)?shù)乇硎具@種磁靈魂：磁以太包羅著鄰近的鐵物體，把它們拉向自身。推而廣之，地球也包藏著和發(fā)射出重力以太，重力以太包羅著地上的物體，把它們拉向地球。

吉爾伯特的這種設(shè)想，顯然是受到一種樸素唯物主義哲學(xué)思想的影響：一個物體不能在它所不在之處起作用。所以，在磁鐵周圍或地球周圍一定存在物質(zhì)。

開普勒也把同樣的思想用到太陽系。他認(rèn)為太陽系中充滿了以太，太陽的能力就是通過以太來推動行星做繞日運(yùn)動。

笛卡兒把物質(zhì)世界和精神世界對立起來，認(rèn)為物質(zhì)必定不屬于人，它是連續(xù)的，因而物質(zhì)宇宙必然是一個致密無間的充實體。在這樣一個世界中，只有物物相接才能產(chǎn)生運(yùn)動，不存在物體可以通過的"真空"。笛卡兒認(rèn)為天體之間有一種本源物質(zhì)，它看不見但充滿空間。這就是以太。天體可以在其中暢行無阻。以太在不停地激烈運(yùn)動中，卷起一個一個的旋渦，太陽就處在一個大旋渦的中心，周圍的旋渦帶動著行星。地球與行星又帶著它們周圍的小旋渦。石頭落向地球，行星吸引衛(wèi)星，都是以太的旋渦效應(yīng)，這正如河中浮草被卷進(jìn)旋渦一樣。

牛頓提出另一種以太設(shè)想。他假設(shè)行星際間有以太存在。對于一個天體，離開這個天體越遠(yuǎn)，以太的壓力越大。因此，以太壓力就把物體壓向天體——這就是萬有引力的原因。

可是，不管旋渦說還是壓力說，都經(jīng)不起數(shù)學(xué)推演和實踐驗證。不久，便沒有人再提了。

以太被從希臘哲人那里借來，充當(dāng)了解釋磁力的磁媒和解釋引力的引力媒。不過，17世紀(jì)的人還不是那么渴望了解磁本性和引力本性。對于他們，以太是可有可無的。

在光學(xué)領(lǐng)域就不是這樣了。由于牛頓的微粒假說與胡克-惠更斯的波動假說的爭論，急切要去探求光的本性。

微粒說的難題是解釋光的衍射，牛頓的以太壓力假設(shè)還勉強(qiáng)可用。但為什么不同顏色的各種光微粒子有相同速度呢？

波動說的困難是解釋光的直進(jìn)。菲涅耳用數(shù)學(xué)證明了，因為光的波長比障礙物尺寸小得多，所以它會直進(jìn)，從而解決了這一難題，光的波動說大獲成功。那么，光波是怎樣傳播的？為了把光看成在類似剛體的介質(zhì)中傳播的機(jī)械運(yùn)動，就需要有一種介質(zhì)——以太。因為那時人們只知道機(jī)械波，所以胡克只好在1669年把光波看成一種機(jī)械波。但是，既然傳光的以太有剛性，它類似有彈性的固體，滲透在一切物體的內(nèi)部，那么，怎樣才能把光媒所必需的這種性質(zhì)與行星運(yùn)動沒有遇到阻力的事實相協(xié)調(diào)呢？許多聰明的物理學(xué)家為此絞盡腦汁，為以太設(shè)想了許多奇妙的性質(zhì)(如容變彈性模量為零，切變彈性模量無窮大等)。

正當(dāng)人們?yōu)榱岁U述機(jī)械光媒而大費(fèi)腦筋時，法拉第發(fā)現(xiàn)了空間具有電和磁的性質(zhì)。和笛卡兒一樣，法拉第絕不承認(rèn)通電導(dǎo)線對小磁針的超距作用，但他也不相信吉爾伯特關(guān)于磁石發(fā)射靈魂的說法。他假想在磁極或電荷周圍的空間里有一些力線或一些質(zhì)點鏈。這些鏈在離開源后，可以在空間自由行進(jìn)，作用于遠(yuǎn)方的導(dǎo)線或磁體。

1865年，精于數(shù)學(xué)的麥克斯韋將法拉第的思想寫成電磁場方程。它表明，變化的電磁場以波動的形式在空間傳播，電磁波的速度只與介質(zhì)的電和磁性質(zhì)有關(guān)。

就這樣，麥克斯韋用筆尖證明了，無所不在的以太已經(jīng)在某種意義上和空間本身合為一體。

由于電磁波的傳播速度與光速相同，麥克斯韋斷定，光是一種電磁現(xiàn)象。有一種以太就可以傳播光和電磁波，無需臆造好幾種不同的以太。

于是，力學(xué)性質(zhì)的以太概念被電磁性質(zhì)的以太概念所代替，人們不必再在以太的奇妙的機(jī)械性質(zhì)上大傷腦筋了。

但是，另一個問題使研究者更傷腦筋，這就是物體相對于以太的運(yùn)動：運(yùn)動的物體是不是帶動以太？

這個問題與光速的測量密切聯(lián)系。麥克斯韋雖然從他的方程式算出了電磁波的速度，但是，它是電磁波相對于以太的速度還是相對于觀察者的速度？在方程中一點兒也看不出來。

不過，那時候人們所說到的光速不言而喻是指光相對于以太的速度。這是很自然的，因為他們把光類比于聲。聲速是以空氣為參照系測出的，運(yùn)動物體并不帶動空氣，人相對于空氣靜止或運(yùn)動時，測得的聲速不相同。

經(jīng)典力學(xué)需要一個參照系，長久以來，人們就在尋找它的物理實在。彌漫宇宙、無所不在、物體在其中穿行不受阻礙的光以太正是理想的物質(zhì)。人們就取靜止的光以太作為參照系。

運(yùn)動的地球不帶動以太，這是1728年布拉德雷發(fā)現(xiàn)的光行差的理論推論。1893年，洛治的重物旋轉(zhuǎn)實驗也說明，運(yùn)動物體不帶動以太。

既然運(yùn)動物體不帶動以太，那么，當(dāng)人相對于以太靜止或運(yùn)動時，測得的光速應(yīng)該不同。1881年，邁克耳孫用干涉儀做了一個觀察地球相對于以太運(yùn)動的實驗，1887年，邁克耳孫和莫雷又大大改進(jìn)了實驗技術(shù)。實驗結(jié)果指出：地球與以太沒有相對運(yùn)動。1902年，屈勞頓和諾勒爾應(yīng)用電容器探測地球相對于以太的運(yùn)動，結(jié)果也沒有發(fā)現(xiàn)以太漂移：運(yùn)動的地球帶著以太一起運(yùn)動。

兩組實驗的結(jié)果相反，一時間，"真理沒有標(biāo)準(zhǔn)"了。出于對邁克耳孫-莫雷實驗的信賴，"

……