我們在宇宙中的地位

我們在宇宙中的地位

【知識通訊評論月刊七十六期】2009.02.01
（本文原為二○○九年一月一日《自然》雜誌專文。作者金瑞契（Owen Gingerich）為哈佛大學科學史暨天文學榮譽教授。）


四百年前，有則令人震撼的消息席捲歐洲，一根管子搭配兩塊鏡片，便能神奇地將遙遠事物看來接近，這項道具的確切起源，逸失在爭議迷霧之中，但可知的是一六 ○八年十月，荷蘭人李柏赫（Hans Lipperhey）申請專利的遭到駁回，因為這項尚未命名的新玩意，早已成為一般常識。

十七個月後，義大利數學教授出版一本小手冊，其中利用這項新道具有了大發現，就手冊標題頁看來，或許會認為「望遠鏡」(perspicillum)一詞為伽利略（Galileo Galilei）所發明，縱然有些誇張也無可厚非，畢竟是伽利略將節慶玩具轉變成為了科學儀器。他在一六○九年十二月運用望遠鏡辨別出月球上的隕石坑、山峰與平原，這項發現如今屆滿四百周年，讓聯合國將今年訂為「國際天文年」。

一六一○年元月，伽利略進一步發現木星也有四顆皎潔月亮（後來才由同輩科學家克卜勒（Johannes Kepler）定名為「衛星」），同年年底伽利略也發現金星盈虧，證明金星繞著太陽公轉。

這些發現極具意義，雖然哥白尼（Nicolaus Copernicus）早在一五四三年出版《天體運行論》(De revolutionibus orbium coelestium)時，便已提出太陽中心論，但近七十年後的人們認為，那只是一種計算星球位置的方法，並不認為是宇宙的確切描述，在每二十四小時自轉一次的地球上生活，聽起來多麼荒謬啊！若地球每年繞太陽一圈，又怎麼能讓月球繞著地球轉呢？

一直到了伽利略的發現後，人們才開始有理由相信太陽中心論是一件事實，伽利略亦認為月球與地球相似，並非一顆水晶球體，而是如地球般分上下兩層，下為貪腐與墮落的大地，永恆的上天則正在崩壞，木星旁有月球在運行，木星也繞著太陽運行，既然如此，為何地球無法讓月球繞著看不見的軸心運轉？伽利略的論點在一六三二年出版的《兩大世界體系的對話》達到高峰，這本作品雖無法為地球運行下定論，卻足以讓他惹上麻煩，被送往宗教法庭。


天庭的視界

約在二千年前，亞里斯多德便曾描述一個包括大地、空氣與水火的世界，而永恆純淨的天堂則完全分隔於外，此種以地球為中心的宗教論，與亞里斯多德的天體論緊密結合，火山所吐出的黑煙與火焰即為地獄之火，上帝所在的世界則高掛星空中，就連支持哥白尼學說的英國天文學家迪吉斯（Thomas Digges），亦在一五七六年的著作中，也在繁星中畫出「上帝選民的居所」。

宗教人士自然很拒絕此種新天文學，羅馬天主教當局更為此對伽利略震怒，認為這位業餘神學家竟膽敢指導他們如何詮釋聖經，顯然跨越了紅線。伽利略後來被送至羅馬宗教法庭，卻在信仰邪教罪名上獲判無罪，但卻因教授哥白尼天文學遭判處終身軟禁。

詩人鄧恩（John Donnes）即感嘆：「新哲學質疑世事，萬物崩解，規律不再。」

不過伽利略的努力獲得克卜勒支持，他在一六○九年發表重量級天文理論著作《新天文學》，研究造成星球轉動的物理原因，這項觀點迥異於過往，從前天文學家均透過幾何模型解釋天堂的構造，就連克卜勒的導師馬斯特林（Michael Maestlin）都規勸他忘卻物理學、回歸天文學本質（即幾何學），但克卜勒甚至在伽利略提倡太陽中心論之前，便相信真實存在的宇宙。


伽利略的望遠鏡

然而自哥白尼一脈相承而來的太陽中心論確有瑕疵，哥白尼研究經度與緯度所使用的幾何模型完全不同，但在實際情況裡，經緯度理應適用同一套模型，哥白尼認為所有行星都依圓形軌道運行，就算在最靠近太陽之處，地球轉速亦不改變。後來是克卜勒尋找合理物理解釋之後，才讓他假設行星公轉軌道為橢圓形，克服其中的障礙。

除伽利略的天文觀測外，克卜勒改善行星理論也逐漸讓大眾接受哥白尼的天文學，克卜勒在《新天文學》序論中寫道：「有些人或許信念太過薄弱，無法同時相信哥白尼與上帝，就讓他們待在家自掃門前雪。讓他們確認服侍上帝之心未減，而正是上帝賦予了天文學家才能，才使他們有心靈之眼，將事物看得更加清楚透徹。」


新觀點: 迪吉斯的太陽中心宇宙

自此之後，天文儀器成為人類在宇宙自我定位的關鍵，但這項工作所費不貲，科學家布拉赫（Tycho Brahe）則表示，他的觀測工作讓丹麥國王花費超過一噸黃金，這在十六世紀已是一筆鉅款，況且布拉赫並未使用望遠鏡，而是運用象限儀等工具的肉眼觀測所得；今日望遠鏡造價可能達數十億美元。有些人認為，這些裝置最終和詩歌同樣有用（或無用）於人類前進。但這些計畫之所以獲得贊助，正如偉大詩篇或哥德式大教堂，因為宇宙論是人類精神之旅，也關乎個人或國家榮耀。若能瞭解自身在複雜時空下的位置，這個價格還值得一擲。


最遠的探索

經過伽利略與克卜勒的努力，望遠鏡的構造由一凸面物鏡加一凹面目鏡改造為二凸面鏡，讓視野更加寬廣，近二百年後，天文觀測才再度出現重大發展。赫歇爾（William Herschel）原為音樂家，後成為業餘天文學家，他在十八世紀末企圖探究宇宙的三度空間結構，並在過程中發現天王星，也使他由業餘者變成專業天文學家。赫歇爾身為當時最具發明能力的天文學家，打造大反射望遠鏡增進聚光能力，最後記錄到數千顆星，並發現數百個星團與星雲，讓人類不再單靠肉眼探索浩瀚宇宙。

百年後，拜工程科技進步之賜，人類發明玻璃鍍銀為鏡的技術，也利用攝影捕捉星球與星雲影像，讓天文學家跨入另一個領域。一八五九年在德國海德堡一座化學實驗室中，化學家本生（Robert Bunsen）與物理學家克希霍夫（Gustav Kirchhoff）藉由個別物質的化學光譜，覓得打開宇宙化學秘密之鑰。與此同時，慈善家亦投入鉅資研發各項設備，新式大望遠鏡帶來更多天文發現，也提升社會的科學意識，例如認識廣大銀河規模原來遠超乎赫歇爾想像，才明白銀河是由橫跨數百萬、數十億光年的眾多星雲組合而成，彼此朝著不同方向前進，猶如數十億年前曾有宇宙的大爆炸。

隨著所知宇宙的規模與年代不斷擴大，取代過往以人類中心論為主的宇宙觀，也引起人們懷疑，在近似廣闊無垠的太空之中，理性從事觀測的肉身人類究竟有何意義？這項存在主義的叩問延續數十年，亦讓我們願意投入更多經費，進行各項太空探索。

今日在電子革命之下，數位攝影已提升近五十倍的效能，更可收集並處理上兆位元的資料，高速光學亦可因應各項大氣變化，讓天文學家充份運用地球上大孔徑的望遠境，對宇宙星球與星雲的瞭解亦達前所未見的規模，包括近年來更擴及的太陽系外行星。

美國航太總署的克卜勒計畫預計於二○○九年三月啟動，亦是人類首次明確企圖尋找類地球的太陽系外行星。請勿期待會有智慧生物自遙遠星球傳來電波與我們溝通，但很可能會發現其他令人興奮的信號。今日光譜學可用來探測遠方星球上的大氣，並尋覓可能代表生命跡象的化學反應，縱然是最簡單的生命，也能在大氣中留下氧的訊息，相關研究或許可幫助我們回答一個更根本的問題：我們是宇宙唯一的生物嗎？

國際天文年也許將帶動另一次知識革命，重新建構我們自身在宇宙中的位置，但這能否像伽利略與克卜勒的太陽中心論一樣，對人類產生巨大影響呢？則有待時間來證明。

（本文原為二○○九年一月一日《自然》雜誌專文。作者金瑞契（Owen Gingerich）為哈佛大學科學史暨天文學榮譽教授。）