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伽利略《星空使者》 颠覆人类认识

逍遥摘要:据国外科学网站Nautilus报道,伽利略出版《星空使者》后,变革了人们对天地分隔的认识,并对当时人们所笃信的“绝对真理”构成了尖锐挑战。物质世界范畴的扩大使人们不知所措。恒星的物质本质以及能量守恒定律共同表明,恒星注定要消亡。人们本以为天空中的恒星是不朽和永恒的代表,没想到它们会熄灭和死亡。

伽利略《星空使者》 颠覆人类认识

1610年,意大利天文学家兼数学家伽利略·伽利莱(Galileo Galilei)出版了《星空使者》。第一版印刷了550本,目前仅存150本。几年前,初版《星空使者》的价值据估计在每本60万美元和80万美元之间。1989年印刷的平装本的定价约为12美元。

尽管科学史并未授予《星空使者》等同牛顿《自然哲学的数学原理》或达尔文《物种起源》的荣誉,但它是有史以来最重要的科学著作之一。在这本篇幅不长的书中,伽利略描述了他使用望远镜观察星空时看到的情况,并提供强有力的证据表明,天体由普通物质构成。

伽利略在意大利的比萨出生,在佛罗伦萨长大。1592年起,他在帕多瓦大学教数学。仅凭工资他无力承担各种经济负担,除了支付姐妹们的嫁妆,还要抚养情妇的三个孩子。于是他在家中接收租客并提供食宿,还销售科学仪器。16世纪80年代后期,他进行了著名的自由落体实验。1609年,45岁时,他听说荷兰发明了一种新型的放大设备。虽然从未见过这种设备,但他很快就自行设计并打造了一台望远镜,它比荷兰的那台设备还强大几倍。而且,用望远镜观测夜空,他似乎是首例。

伽利略《星空使者》 颠覆人类认识

伽利略自己打磨和改进镜头。他的首批望远镜能够把对象放大十几倍。最终他打造出能够放大1000倍的望远镜,让观测对象看起来比实际近30倍。他制作的一些望远镜被保存在佛罗伦萨的伽利略博物馆中。他的首个望远镜长90厘米,宽3.8厘米,由木头和皮革制成,一端带有凸透镜,另一端带凹面目镜。透过望远镜,视野很小,就好像在一根一臂之长的长管末端看到一团硬币大小的昏暗光圈,只能辨认出模糊的影像。如果拿着这个望远镜的仿制品看向大约90米远的建筑物,可以看到肉眼所看不到的砖块细节。

很难想象伽利略用他的发明首次仰望星空和凝视“天体”时会怎样的激动和惊讶。几个世纪来,在人们的描述中,这些天体是指月亮、太阳和行星等旋转球体,它们的运行依托于类似水晶球层的结构,最外层的天体是由上帝手指旋转的第十层天。这就是古希腊天文学家托勒密提出的地心说,它是一个以地球为中心的学说。所有这一切都由以太构成。在亚里士多德看来,以太是除火、水、土、气以外的第五元素,是一种在本质和形式上都没有瑕疵的完美元素。约翰·弥尔顿(John Milton)在史诗《失乐园》中把它描述为“天国的空中精髓(ethereal quintessence of Heaven)”。所有这一切都由神圣的上帝掌控。伽利略通过他制作的粗糙望远镜看到的实际上是月球上的陨石坑和太阳黑子。

几个世纪前,圣托马斯·阿奎纳(Saint Thomas Aquinas)成功地把亚里士多德的宇宙论与基督教教义结合在一起,其中包括天体由以太构成的本质以及地球位于宇宙中心并保存静止不动的观念。不过,亚里士多德认为宇宙的寿命是无限的,基督教则认为是有限的,在这一问题上阿奎纳对前者表示异议。伽利略对天体存在缺陷的发现严重地挑战了教会。而且伽利略设计的望远镜本身也遭到质疑。它是扩大人类感官的首批工具之一,展现了单凭肉眼和耳朵无法感知的世界。以前人们从未见过这种工具。许多人持怀疑态度,质疑它的合法性及其观测结果的可信度。在有些人看来,这个工具是神奇的,但不属于他们的世界,就好比手机穿越到1800年那样令人不可思议。虽然伽利略是个科学家,但对望远镜究竟如何运作,他并不完全明白。

回想一下16世纪和17世纪在欧洲广为流传的魔法和巫术。这两个世纪里,有4万名被怀疑是巫师的人(其中大多数是女性)被烧死在火刑柱上、绞死在绞刑架上或被斩首。1597年,苏格兰国王詹姆斯六世(1603年英国女王伊丽莎白一世去世后,他即位为英格兰国王,史称詹姆士一世)曾抱怨说,“此时这个国家存在着大量的巫师,令人惊骇。”当时人们相信,巫师可通过毁坏一个人的一缕头发或指甲以施展法术对他加以伤害。这位意大利数学家的望远镜是否带有那么一点巫术的味道?

其他人认为,伽利略通过望远镜获得的发现遭到质疑,不是因为它们具有巫术的嫌疑或挑战了神学教义,而是因为它们颠覆了个人的世界观和哲学观。帕多瓦大学一名亚里士多德哲学教授切萨雷·克雷莫尼尼(Cesare Cremonini)公然抨击伽利略有关月球陨石坑和太阳黑子的说法,并且拒绝使用伽利略的望远镜观测天空。伽利略也曾任教这所大学。他说,“我不想赞成我不了解的说法,也不赞成我没有见过的东西,通过望远镜观察让我头疼。够了!我不想再听有关它的一切。”与伽利略同时代的亚里士多德哲学教授朱利奥·利布里(Giulio Libri)也拒绝使用望远镜。伽利略在给科学家约翰尼斯·开普勒(Johannes Kepler)写的信中回应了这些质疑者:

“亲爱的开普勒,让我们嘲笑这些芸芸众生非同寻常的愚蠢吧。他们如此顽固,我无数次自愿并特意向他们提供使用望远镜观察行星或月球的机会,他们却看都不想看。对这个领域的这些重要哲学家你还有什么可说的?真的,就像驴堵上了耳朵,面对真相之光,这些哲学家闭上了眼睛。”

《星空使者》的扉页上除了标题还印着,“佛罗伦萨贵族、帕多瓦大学知名数学家伽利略·伽利莱借助他最近设计的小型望远镜向所有人,尤其是哲学家和天文学家,展现了他所观察到的伟大而精彩的景象。”在这本书中,伽利略收录了他手绘的画,画的是他通过望远镜看到的月球,呈现了月球上的明暗区域、山谷与丘陵、陨石坑、山脊和山脉。他甚至通过月球上山脉阴影的长度来估计山脉的高度。

当他观察月球上的明暗界线时,发现它是一条锯齿状的不规则曲线,这与神学所认为的相悖。神学认为月球是个完美的球体,因此明暗界线应是平滑的曲线。伽利略写道:“任何人都会明白,月球的表面不可能是平滑的,而是粗糙不平的,就像地球表面那样,巨峰、深渊和盘旋的地形无处不在。他还在书中描述了环绕木星的四颗卫星,这让其他行星与地球相似的观念更具有可信度。换句话说,地球不再是特别的。这一切都支持着哥白尼在67年前提出的日心说——太阳,而不是地球,是行星系的中心。这样薄的一本书却包含着相当多的颠覆式观念,对亚里士多德或教会构成了巨大挑战。

《星空使者》出版几个月后,伽利略在欧洲成名了,部分原因是望远镜具有军事、商业以及科学价值。在写给朋友的一封信中,伽利略描述,你可以“观察远处的船帆和船只,它们满帆行驶两个多小时后才消失在我的望远镜中。”有关这一发明的消息通过信件和谈话不断得到传播。

伽利略宣布的太阳黑子对天堂的完美和神圣构成了更大的挑战。我们现在知道,太阳黑子是由太阳外层高密度的磁能活动造成的。1611年,来自德国西南部土瓦本(Swabia)的一位重要数学家、耶稣会信徒克里斯托夫·沙奈尔(Christoph Scheiner)购买了一个望远镜,并证实了伽利略所看到的太阳黑子在太阳表面不断移动的景象。但是,沙纳尔对亚里士多德等人的地心说深信不疑,认为太阳是完美无瑕的,并以此为基础,提出各种顺应地心说的论据,试图解释太阳黑子现象是由环绕地球的其它行星或卫星造成的,而不是太阳本身的现象。

正如他书中扉页所印,伽利略是一位数学家。数学通常被视为一个抽象的逻辑学科。数学帮助学者计算和预测“现实世界”,但数学所描述的世界与现实世界不同。特别是,天体系统的那些反神学模式仅被视为计算方法,它们描述的是与现实相反的现象。因此,从计算方法的角度来看,亚里士多德和托勒密的地心说以及哥白尼的日心说处于同等地位,因为这两种理论都能够相当精确地说明行星的位置。但地心说符合当时的神学和哲学信仰,因此被视为对现实的反映。

当伽利略的观察结果开始得到公认,教会信徒们仍对此持怀疑态度。1611年3月19日,罗马学院(Collegio Romano)负责人、主教罗伯特·贝拉明(Robert Bellarmine)在写给他身兼数学家的耶稣会信徒们的信中写道,“我知道你们已经听说一位知名数学家新近观察到的天文现象。对此我也听到了不同的观点。你们是熟练掌握数学科学的人,你们能否简单地告诉我这些发现是否依据确凿?是真还是假?”

这些数学家们对伽利略的观测细节展开了争论,并一致认为这些发现是真实的。然而,伽利略的发现以及他对哥白尼日心说的支持被视为对神学信仰的不可饶恕的攻击。他是一名虔诚的罗马天主教徒,曾认真考虑过从事神职工作。但由于上述“罪行”,他最终受到宗教法庭的审判,被迫公开宣布放弃他的大部分发现,并在软禁中度过了自己的晚年。

如今,地心说的错误早已是不争的事实。自伽利略之后天文学家们对宇宙的认识不断深入,宇宙的物质性冲击着了恒星的绝对本质,降低了神学中天体的崇高地位。这种落差始于人们观测到月球上的陨石坑和沟壑。 1610年后,一些思想家和作家开始把月球和行星视为拥有土壤、空气和水的地方,适合类似人类的生物居住。1630年,约翰尼斯·开普勒(Johannes Kepler)完成了一部名为《梦境(Somnium)》的畅销幻想作品,书中讲述了一个男孩和他的母亲穿越太空来到利瓦尼亚(Levania)卫星上的故事。利瓦尼亚的一切都比地球更极端。在那里,山脉远高于地球,山谷则要深得多。这颗卫星的热带地区中居住着一些生物,它们极其庞大并且只能活一天。它们会游泳、飞行或爬行,但由于寿命过短,不足以建立城镇或政府,但能够找到食物度过短暂的一生。由于开普勒是一位杰出的科学家,在17世纪、18世纪甚至19世纪,受过良好教育的民众乐于阅读这本小说。

其他作家也创作了许多类似的幻想小说。诗人塞缪尔·巴特勒(Samuel Butler)的《大象月亮》中,一群沾沾自喜的科学家们使用望远镜观察月球时,看到了一场正在进行的战役,期间一只大象在几秒内从一排士兵中跳到了另一排士兵中(可能由于月球引力比地球要小得多)。1698年,荷兰数学家和科学家克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens)撰写了一本名为《已发现的天体世界(Celestial Worlds Discovered)》的书,书中可以读到对不同行星上的居民、植物和生产情况的猜测。这些书籍和诗作为大众而写。它们从某种程度上体现了17世纪人们对行星物质性的看法。

但从恒星的本质来看,伽利略研究结果的影响可能是最深远的。意大利哲学家兼作家焦尔达诺·布鲁诺在1584年出版的《论无限宇宙与世界(Infinite Universe and Worlds)》中提出了星星可能是恒星的观点。布鲁诺写道:“可能存在无数与地球条件相似的其它世界,也可能存在无数的太阳或性质相似的炽热星球……”由于这些观念以及他对其它天主教信仰的否定,1600年他被烧死在火刑柱上。到17世纪初,各种思想家都接纳了恒星可能是太阳的观念。因此,当伽利略指出太阳是有瑕疵的,他的发现为人们对恒星的认识带来了显著的影响。在人们看来,恒星不再完美,不再是由不同于地球上任何东西的某种永恒和坚不可摧的物质组成。太阳和月亮就像地球一样具有物质性。在19世纪,天文学家开始通过棱镜来分析恒星的化学成分。棱镜能够把星光分成不同的波长。不同的颜色可能与不同化学元素相关。结果,天文学家发现恒星含有氢、氦、氧、硅等许多地球上常见的元素。这证明了恒星的物质性,它们由原子构成。

所有物质都受到能量守恒定律的制约。无论是广泛的适用性,还是定量和逻辑表述,这一定律是所有自然定律的范例。本质而言,这条定律指出,能量不能被创造或毁灭。但能量可以从一种形式转变为另一种形式,例如,火柴的化学能可转变为燃烧时的热能和光能。但是在封闭的自足系统中,总能量保持不变。

恒星就像一根巨大的火柴。它内部存储的能量有限,并且存储的是核能而不是化学能。当原子融合在一起形成更重的原子时,核能被释放。但一颗恒星供应核能的能力是有限的,就像火柴燃尽后化学能的供应也随着结束。当恒星“燃烧”核燃料时,能量释放到太空中,其中大部分能量以光的形式被释放。打个比方,就好比把恒星放入一个巨大的盒子里,盒子里的总能量保持不变,但能量逐渐从恒星转移到盒子中的光线,而吸收光线的所有物质的热量和化学能逐渐增加。

当然,恒星无法被放置入巨大的盒中,但它们遵循着守恒定律。根据乔尔丹诺·布鲁诺(Giordano Bruno)、伽利略等科学家,恒星是物质,拥有有限的能量。恒星向太空辐射能量,逐渐耗尽自身有限的核能。最终,这些珍贵的恒星将燃尽、变暗。在大约50亿年后,我们太阳也会如此。大概在1万亿年后,宇宙中所有的恒星都将变得冰冷、消逝而去。

到那个时候,夜空将彻底黑暗。阳光照耀的白天也不复存在了。天空中无数的恒星,曾被视为法老死后的最后安息之地,也曾被认为是永恒和不朽的象征,最终将成为太空中漂浮的寒冷灰烬。

出品|网易科学人栏目组 惜辰

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