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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：識天時、明季節、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、占星求天、從正常天象獲信心、從異常天象猜警示。

(4)為天文科學的發展：天文學一旦成為了一門科學，就有了自身的發展、自身的問題，人就研究天文學，不斷提出問題、解決問題，不斷發現新天象、構造新理論，天文學就蓬勃發展。

及時節 天文學規律的認識

科學探索

幾千年的天文學研究獲得了豐碩的成果：探明了天體運動的諸多規律。

科學探索是人類認識自然規律的過程。

天體作為客觀事物，它的變化、運動規律獨立于人而存在。它被認識，要經過感官的感受，人腦的消化、加工、凝縮、提煉，然后采用恰當的形式把它表達出來。

我們來考察人對行星運動的認識，作為本書剖析的及時個實例，認識科學研究和探索真理的歷程。

古人看天，發現天上星星排列成的圖案是不變的，年復一年還是那樣。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。它們每天出現在天空中不同的位置。

怎樣解釋行星的運動呢？

16世紀以前，人們信奉由亞里士多德構造并被托勒密完善了的天體運行體系：一切天體繞地球做圓周運動。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)。

這是行星視運動的數學注解，至于客觀世界是不是這樣，托勒密并不關心。

圖1-1 對行星運動表現的數學注解(托勒密，145)

1542年，哥白尼作出另外的數學說明：不是行星繞地球做圓周運動，而是地球和行星繞太陽做圓周運動。哥白尼的這個說明在相當程度上被認為是真理。

70年后，開普勒將行星視運動研究從幾何學轉入了物理學。他研究了第谷留下的精密觀測資料，發現行星——地球也是行星——繞太陽運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，牛頓從力學原理出發，計算出在萬有引力作用下，行星繞太陽運行的軌道是橢圓。

這樣一來，人就清楚認識了行星的運動：太陽與行星按照物理學規律以太陽為中心構成了一個動力學體系——太陽系，它們看起來復雜的運動可以用數學結果表示出來。

但是，人們還是不明白，運行軌道橢圓本身是怎樣運動的？一顆行星繞太陽運行的橢圓軌道本身也在運動，進動是這種運動中的一種。應用牛頓理論計算出來的行星橢圓軌道近日點進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。由此出發，他地計算了橢圓軌道近日點進動的量。原來，在引力作用下，必須考慮空間和時間的性質和結構。

反映正確嗎

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

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，進一步，人把行星運動這一客觀事物及其規律反映到腦中。

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行，那就讓它繞我們轉好了。用圓來表達最方便，也最"美"，至于對點、本輪、均輪，都是為了方便描述而套用的數學形式，托勒密也不知道它們是不是真實地反映了行星的運動。現在我們清楚了，托勒密的反映不是真的。

哥白尼追求正確反映，用地球的自轉和公轉解釋行星的運動。在哥白尼的認識中，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個圓形軌道來構成他的太陽系。

在牛頓的認識中，力學原理才反映了行星運動的規律。這樣一來，哥白尼認識中的不真之處暴露出來了，日心學說作了根本性的修改。

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

正確的反映——科學真理

通過案例剖析，我們知道：

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

(2)自然界——它運動的物質——會刺激人的感覺器官，產生感覺和知覺。

(3)感覺和知覺，雖然是自然界直接刺激所產生的，但它并不就是自然界的物質運動規律。它沒有正確地表達自然界。

(4)人腦必須對感覺和知覺進行加工，積極思維，透過現象把握事物的本質。

(5)同時，用科學語言把大腦所把握的事物本質表述出來。

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

科學真理，就是客觀事物及其規律性在人頭腦中的正確反映。

哥白尼理論、牛頓力學理論、相對論力學理論分別以不同程度的正確性反映了行星運動這一客觀事物及其規律。可是這三種理論認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，是行星運動的粗略反映，現在，它僅保留歷史地位。牛頓力學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理論。

現在，牛頓力學理論被認為是行星的本質及其規律的科學真理。在要求更精密的場合，人們則應用相對論力學理論，因為相對論力學是更加正確的科學真理。

不正確的反映

我們日常感覺和知覺到的現象，并不等于真理，也就是說，它們并沒有正確反映客觀規律。常見的是，人知覺到的現象與客觀規律差別很大。我們已經看到，人知覺到的是天體環繞地球轉。這種知覺到的現象并沒有反映天體運行的規律。

對行星的認識是這樣，對恒星的認識也是這樣。

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，天文學界流行一種看法：火星上有縱橫交錯的"運河"。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備。這太振奮人心了。可是，發現，這樣的反映是不正確的，火星上沒有"運河"，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：認識以太正確的反映"是一個過程，是漸進的、曲折的過程。從不正確的反映到正確的反映就是科學研究尋找科學真理的過程。

我們來考察人對"以太"的認識，作為認識科學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，而是哲學概念。他們不需觀察，不需實驗，無經驗事實作證據，只不過從思想方面分析物質，究其本源，推出以太。

哲學或遲或早總要影響自然科學，以太概念也是這樣。

16世紀末，吉爾伯特仔細研究了磁石和磁鐵，發現了地磁傾現象，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。不過，由于他對微觀世界一無所知，只能思辨式地大膽想象。他認為磁鐵有靈魂，靈魂包藏在磁鐵里，并由磁鐵發射出來。他發現"以太"一詞能非常恰當地表示這種磁靈魂：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。

吉爾伯特的這種設想，顯然是受到一種樸素唯物主義哲學思想的影響：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。

開普勒也把同樣的思想用到太陽系。他認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動。

笛卡兒把物質世界和精神世界對立起來，認為物質必定不屬于人，它是連續的，因而物質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生運動，不存在物體可以通過的"真空"。笛卡兒認為天體之間有一種本源物質，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，行星吸引衛星，都是以太的旋渦效應，這正如河中浮草被卷進旋渦一樣。

牛頓提出另一種以太設想。他假設行星際間有以太存在。對于一個天體，離開這個天體越遠，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，都經不起數學推演和實踐驗證。不久，便沒有人再提了。

以太被從希臘哲人那里借來，充當了解釋磁力的磁媒和解釋引力的引力媒。不過，17世紀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。

在光學領域就不是這樣了。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還勉強可用。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。菲涅耳用數學證明了，因為光的波長比障礙物尺寸小得多，所以它會直進，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中傳播的機械運動，就需要有一種介質——以太。因為那時人們只知道機械波，所以胡克只好在1669年把光波看成一種機械波。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部，那么，怎樣才能把光媒所必需的這種性質與行星運動沒有遇到阻力的事實相協調呢？許多聰明的物理學家為此絞盡腦汁，為以太設想了許多奇妙的性質(如容變彈性模量為零，切變彈性模量無窮大等)。

正當人們為了闡述機械光媒而大費腦筋時，法拉第發現了空間具有電和磁的性質。和笛卡兒一樣，法拉第絕不承認通電導線對小磁針的超距作用，但他也不相信吉爾伯特關于磁石發射靈魂的說法。他假想在磁極或電荷周圍的空間里有一些力線或一些質點鏈。這些鏈在離開源后，可以在空間自由行進，作用于遠方的導線或磁體。

1865年，精于數學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的電和磁性質有關。

就這樣，麥克斯韋用筆尖證明了，無所不在的以太已經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，力學性質的以太概念被電磁性質的以太概念所代替，人們不必再在以太的奇妙的機械性質上大傷腦筋了。

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動：運動的物體是不是帶動以太？

這個問題與光速的測量密切聯系。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，運動物體并不帶動空氣，人相對于空氣靜止或運動時，測得的聲速不相同。

經典力學需要一個參照系，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。人們就取靜止的光以太作為參照系。

運動的地球不帶動以太，這是1728年布拉德雷發現的光行差的理論推論。1893年，洛治的重物旋轉實驗也說明，運動物體不帶動以太。

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

兩組實驗的結果相反，一時間，"真理沒有標準"了。出于對邁克耳孫-莫雷實驗的信賴，"

……