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本文摘自丨喬治·伽莫夫《從一到無窮大》

果麥文化2019年9月出品

古人眼里的世界

在人類文明的早期階段，我們稱之為“宇宙”的范圍其實小得令人咋舌。那時候人們相信，大地是一個扁平的大盤子，飄浮在浩渺的世界之海上。大盤子底下是深得超乎想象的海水，上方是無邊無際的天穹，而神祇高居于天穹之上。

這個盤子大得足以承載當(dāng)時人們所知的所有土地，即地中海沿岸所有毗鄰的土地，包括歐洲、非洲和亞洲的一小部分。大地之盤的最北端是高聳的山巒，每當(dāng)夜幕降臨，太陽就會躲到群山后方，棲息在世界之海的海面上。

不過，到了公元前3 世紀(jì)，有人開始反對這種深入人心的簡單世界圖景，他就是著名的希臘哲學(xué)家（當(dāng)時的“哲學(xué)家”其實就是科學(xué)家）亞里士多德。

亞里士多德在他的著作《論天》中提出了一個理論，他認(rèn)為大地實際上是一個球，球面上一部分是陸地，一部分是海水，球體外包裹著一層空氣。亞里士多德舉了很多論據(jù)來支持自己的觀點，這些論據(jù)今天的我們早就習(xí)以為常，不以為意。

比如說，亞里士多德指出，船舶消失在視線盡頭的時候，我們總是先看到船身消失，水面上只剩下桅桿，這證明海面其實是彎曲的，而不是平的。他還提出，月食的成因一定是地球的影子遮住了月面，由于影子的邊緣是圓的，所以地球本身也一定是圓的。

但當(dāng)時沒幾個人相信他的說法。人們就是無法理解，如果亞里士多德說的是真的，那么生活在這個球體下方的人難道能夠頭下腳上地行走，而且不會掉下去？同樣地，地球背面的水為什么不會流向天空？

古人為什么反對地球是圓的

直到斐迪南. 德. 麥哲倫（Fernando de Magalh.es）完成了著名的環(huán)球之旅以后，對圓形地球理論的質(zhì)疑才算徹底消失。

第一次意識到腳下的大地可能是一個大球以后，人們自然會問，這個球到底有多大？我們已知的世界占據(jù)了球面上的多少面積？可是，古希臘哲學(xué)家自然沒有能力環(huán)游地球，在這種情況下，他們該如何測量地球的尺寸？

呃，還真有個辦法，當(dāng)時一位名叫埃拉托斯特尼的著名科學(xué)家第一個想到了這個法子，他生活在公元前3 世紀(jì)的亞歷山大港，這座城市是希臘在埃及的殖民地。埃拉托斯特尼聽說尼羅河上游有座名叫昔蘭尼1 的城市，它位于亞歷山大港以南，二者相距5000 視距；春分的正午，太陽懸掛在那座城市的正上方，垂直于地面的物體完全沒有影子。

從另一方面來說，埃拉托斯特尼知道，亞歷山大港任何時候都不會出現(xiàn)這樣的景象，同樣是春分的正午，在他生活的這座城市里，太陽偏離了天頂（頭頂正上方的那個點）7度，或者說一個圓的1/50。

埃拉托斯特尼假設(shè)地球是圓的，所以他對這種現(xiàn)象做出了一個簡單的解釋，通過下圖你很容易就能看懂。事實上，由于兩座城市之間的地面是彎曲的，垂直于昔蘭尼的陽光照到更北邊的亞歷山大港時必然與地面形成一定夾角。

通過這幅圖你還能看到，如果從地球的圓心出發(fā)，分別作兩條通往亞歷山大港和昔蘭尼的直線，那么這兩條線之間的夾角必然等于亞歷山大港的陽光（當(dāng)它垂直于昔蘭尼時）與垂線之間的夾角。

由于這個角等于圓的1/50，所以地球的周長應(yīng)該等于兩座城市之間的距離乘以50，即250000 視距。1 希臘視距約等于1/10 英里，所以埃拉托斯特尼算出來的結(jié)果相當(dāng)于25000 英里，或者說40000千米，非常接近我們現(xiàn)在測得的數(shù)值。

無論如何，人類第一次測量地球的重點不在于最后的結(jié)果有多準(zhǔn)確，而在于人們終于意識到，地球竟然這么大。

既然如此，地表總面積一定比已知的所有土地大幾百倍！如果真是這樣的話，已知的邊界之外會是什么樣呢？

說到天文尺度的距離，我們必須先了解視差位移（簡稱“視差”）的概念。這個陌生的詞兒聽起來可能有些嚇人，但事實上，視差的概念非常簡單，而且十分有用。

要了解視差，我們或許可以從穿針開始。如果閉上一只眼拿線穿針，很快你就會發(fā)現(xiàn)這樣做很難；線頭要么離針鼻太遠(yuǎn)，要么太近。如果只用一只眼，你很難判斷針鼻與線頭之間的距離；但要是兩只眼睛都睜開，你很容易將線頭穿過針鼻，或者至少很容易學(xué)會。

用兩只眼睛觀察物體的時候，你會不自覺地讓兩只眼睛同時聚焦在一件物體上。物體離你越近，你的眼球就向?qū)?cè)轉(zhuǎn)得越多，肌肉感覺到的張力會清晰地告訴你物體的距離。

現(xiàn)在，你可以試試先閉上一只眼，然后換一只眼，你會發(fā)現(xiàn)，物體（在這個例子里就是針）相對于遠(yuǎn)處背景的位置（比如說房間對面的窗戶）發(fā)生了變化。這種效應(yīng)就是視差位移，大家想必都很熟悉；如果你從沒聽說過這個詞兒，只要看看圖里左眼和右眼分別看到的針和窗戶就很容易明白。

越遠(yuǎn)的物體視差位移越小，所以我們可以利用這一點來判斷距離。我們可以用弧度精確測量視差位移，比起靠眼球肌肉的感覺簡單地判斷距離，這種方法要準(zhǔn)確得多。但我們雙眼之間的距離大約只有3 英寸，所以一旦物體離我們超過幾英尺，雙眼就很難準(zhǔn)確估計它的距離了；觀察遙遠(yuǎn)物體的時候，雙眼的視線幾乎完全平行，所以視差位移小得可以忽略不計。要測量更遠(yuǎn)的距離，我們需要拉開兩只眼睛之間的距離，這樣才能增加視差位移的角度。但你也不用專門去做手術(shù)，我們可以利用鏡子變個戲法。

上圖畫的是海軍在戰(zhàn)斗中測量敵艦距離的裝置（在雷達發(fā)明之前）。它實際上是一根長管子，觀察者的雙眼正前方分別裝著一面鏡子（A、A′），還有兩面鏡子（B、B′）分別裝在管子兩頭。透過這樣的測距儀向外觀察，實際上你的左眼看到的景象來自鏡子B，右眼看到的則來自鏡子B′。這套裝置有效地拉長了雙眼之間的距離（即所謂的“光學(xué)基線”），讓你能夠測量更遠(yuǎn)的距離。

當(dāng)然，海軍依靠的不僅僅是眼球肌肉的感覺，測距儀上裝有特殊的配件和刻度盤，可以幫助他們準(zhǔn)確測量視差位移。哪怕敵人的船只還沒完全駛出海平線，海軍的測距儀也能完美測量敵艦的距離，但要是你想用它來測量天體的距離，卻會遭遇徹底的失敗，就算是月亮這么近的天體也不行。

事實上，要觀察到月球相對于遙遠(yuǎn)恒星背景的視差，光學(xué)基線也就是雙眼之間的距離至少應(yīng)該達到幾百英里的長度。當(dāng)然，我們不必真的制造一臺能將你的雙眼拉開這么遠(yuǎn)的裝置（比如說左眼在華盛頓，右眼在紐約），只需要同時從這兩座城市拍攝星空背景上的月亮就行。

把這兩張照片放到立體鏡里，你就能看到月亮懸掛在星空中。通過測量同一時刻在地球上不同地點拍攝的月球與星空的照片，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，如果從地球表面的兩個對跖點觀察，月球的視差距離是1°24′5″。

由此計算可得，地球到月亮的距離相當(dāng)于地球直徑的30.14 倍，也就是384403千米，或者說238857 英里。根據(jù)地月距離和觀察到的角直徑，我們發(fā)現(xiàn)月球的直徑差不多相當(dāng)于地球直徑的1/4，那么它的表面積只有地球表面積的1/16，差不多相當(dāng)于一個非洲大陸。

利用類似的辦法，我們也能測量地球和太陽之間的距離；但太陽比月亮遠(yuǎn)得多，所以測量起來也困難得多。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，地日距離是149450000 千米（92870000 英里），或者說，地月距離的385 倍。正是因為太陽距離我們這么遙遠(yuǎn)，所以它看起來才會和月亮差不多大；事實上，太陽比月亮大得多，它的直徑是地球直徑的109 倍。

如果說太陽是個大南瓜，那么地球就是一粒豌豆，而月亮只是一顆罌粟籽，紐約的帝國大廈差不多相當(dāng)于我們通過顯微鏡能觀察到的最小的細(xì)菌。請務(wù)必記住，古希臘一位名叫阿那克薩哥拉（Anaxagoras）的進步哲學(xué)家曾經(jīng)被放逐，甚至遭到死亡的威脅，僅僅因為他告訴學(xué)生，太陽可能是一個和希臘差不多大的火球！

利用類似的方法，天文學(xué)家還能測量我們這個星系中的行星與地球之間的距離。新近發(fā)現(xiàn)的最遙遠(yuǎn)的行星叫作冥王星，它和太陽之間的距離大約相當(dāng)于地日距離的40 倍，確切地說，冥王星距離太陽足足3 668 000 000 英里。

我們在太空中的下一段旅程將從行星跳往恒星，視差測量法還可以繼續(xù)發(fā)揮作用。但我們發(fā)現(xiàn)，哪怕最近的恒星離我們都太遠(yuǎn)太遠(yuǎn)，即使采用地球上相距最遠(yuǎn)的兩個觀察點（對跖點），我們也看不出這些星星相對于星空背景的視差位移。

不過，要測量這么遠(yuǎn)的距離，我們還有別的辦法。既然我們可以利用地球本身的尺寸測量地球公轉(zhuǎn)軌道的大小，那又為什么不能利用公轉(zhuǎn)軌道的尺寸來測量恒星的距離呢？換句話說，從地球軌道的兩端觀察，我們或許有可能看到至少部分恒星的相對位移。當(dāng)然，這意味著我們需要等待半年才能完成兩次觀察，但這又有何不可呢？

抱著這樣的想法，1838年，德國天文學(xué)家貝塞爾（Bessel）挑選了兩個相隔半年的夜晚，試圖比較夜空中恒星的相對位置。起初他的運氣不太好，他挑選的星星離我們太遠(yuǎn)，哪怕從地球軌道的兩端觀察也看不出明顯的視差位移。不過別著急，有一顆星星的位置和半年前似乎不太一樣，它在天文學(xué)手冊上的名字叫“天鵝座61”（天鵝座的第61顆暗星）。

半年后，這顆恒星回到了它原來的位置。所以貝塞爾觀察到的位移的確來自視差，他也因此成為第一個用尺子度量太陽系外星空的人。

事實上，貝塞爾觀察到的天鵝座61 的視差位移非常非常小，它在一年內(nèi)的最大值只有0.6角秒，這相當(dāng)于你看到500 英里外有一個人的時候雙眼視線所成的角度如果你真能看那么遠(yuǎn)的話！但天文設(shè)備的精度很高，就連這么小的角度也能準(zhǔn)確測量。

根據(jù)觀察到的視差和已知的地球軌道半徑，貝塞爾算出這顆恒星距離地103000000000000千米，這相當(dāng)于地日距離的690000 倍！你可能很難領(lǐng)會這個數(shù)到底有多大，我們不妨采用先前的比方，如果太陽是個南瓜，地球就是200 英尺外繞著它旋轉(zhuǎn)的一粒豌豆，而這顆恒星遠(yuǎn)在30000 英里之外！

雖然我們看到的天鵝座61只是夜空中一個黯淡的小光點，但通過測量它和我們之間的距離，貝塞爾算出了一個驚人的結(jié)果：這顆恒星實際上是一個明亮的巨大天體，亮度僅次于輝煌的太陽，體積也只比太陽小30%。

哥白尼提出的革命性理論第一次得到了直接的印證，他認(rèn)為無垠的宇宙中散布著無數(shù)相距遙遠(yuǎn)的恒星，我們的太陽只不過是其中的一顆。

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