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天文学历史发展对基本观念的影响及其启迪

时间:2015-07-18 20:52来源: 作者:赵洋 点击:
天文学作为最早产生的自然科学,创造并引领了许多观念。因为天文学研究对象的特点,随着天文学的进步,这些观念也随之发展。天文学在科学革命中的重要地位也使其成为带头学科,影响了包括科学和宗教在内的众多文化领域
  

      天文学作为最早产生的自然科学,创造并引领了许多观念。因为天文学研究对象的特点,随着天文学的进步,这些观念也随之发展。天文学在科学革命中的重要地位也使其成为带头学科,影响了包括科学和宗教在内的众多文化领域。

      一、天文学对基本观念的影响
      因研究对象的特殊性,天文学的每次进步都会触及各种文化的核心观念,其中包括:时间、空间、宇宙结构和宇宙起源、人在宇宙中的位置等。这些观念或者因天文学发现得到修正,或者被赋予全新意义。
      1. 时间①
      时间是各种文化中最普遍且最神秘的概念之一。人人都能感到时间的流逝,却又难以对这个抽象的概念给出精确定义。圣奥古斯丁说得好:“没有人问我时,我知道时间是什么,一旦要加以解释,我就不知道了。”
      早期印度文明信奉循环时间观,认为时间无限往复,没有开端或终结。出现在过去的任何事件也都会在未来再次出现。中国传统文化也有“合久必分、分久必合”时间循环观念。哲学家专注思考时间与自然世界的关联及时间和意识的关联这类广泛的问题,来探索时间的意义。
      天文学很早就开始解决时间问题,早期天文学的主要目的就是计量事件。“观象授时”是中国古代天文学的重要内容。各主要文明都有自己根据天体运动推算的历法。对天体测量精度的更高要求催生了更加准确的计时工具,时间的计量逐渐成为独立的学问,也成为日常生活的一部分。
      天文学上的时间是天体运动与演化的量度。而天体运动与演化本质上属于物理与化学变化,是线性且单向的。天文学的时间观念不断完善,已被广为接受。现在,循环时间观和可逆时间观只具有哲学或文化方面的意义。
      2. 空间
      历史上对空间有两种认识。一是空间可以不依赖于有形物体而存在(绝对空间)。另一种是空间本身并无意义,只是事物之间关系的总和(相对空间)。
      天文学的历史也是人类认识到的空间不断扩展的历史。从最早目视天文学阶段的日、月、五行与薄薄的恒星天球(实质上就是有限的太阳系和银河系的球面投影)到望远镜发明后宇宙的一次次扩大,空间的范围也由太阳系扩展到银河系、本星系群、本超星系团、总星系以致尚未探测到的宇宙。
      宇宙学的进展甚至打破了空间尺度不变的常识。宇宙正在膨胀中,空间自然也在膨胀。但是会永远膨胀下去还是膨胀到某一阶段再开始收缩,天文学家们尚未达成共识。如此看来,空间的尺度并不是一成不变的。
      目前,时间与空间在天文尺度上得到统一,被整合为“时空连续统”,这是相对论中假定的在四维结构中联系空间和时间的单个实体。在天文学革命初期,牛顿体系中空间和时间是假定为无联系的。空间被设想为平坦的、三维的点的排列,能够用笛卡儿坐标表示;时间则被看作是独立的一维的概念。爱因斯坦证明了相对运动的完整描述需要包括时间和三维空间的方程式。他还证明了时空是弯曲的,这使得他在广义相对论中解释了引力作用。关于时间和空间本质的研究,无不借助天文学的观察资料和方法进行。可以说没有天文学的发展,人类便不可能充分认识时空本质。
      3. 宇宙结构与起源
      一般来说,宇宙指世间万物的总和,囊括了所有空间内、所有时间进程中的事物。宇宙结构与起源是许多文明创世神话的题材,也是各大宗教需要解释的问题。
      所有的宗教都会建构自己的宇宙模型,对宇宙结构和起源给出解释。比如佛教讲“大千世界”如“恒河沙数”。道教的宇宙起源讲盘古开天辟地,宇宙层次是海外有仙山,上穷碧落下穷黄泉。基督教宣称上帝创造了宇宙。
      就宇宙结构来说,在中国古代,关于宇宙的结构主要有三派学说,即盖天说、浑天说和宣夜说。盖天说认为大地是平坦的,天像一把伞覆盖着大地;浑天说认为天地具有蛋状结构,地在中心,天在四种;宣夜说则认为天是无限而空虚的,星辰就悬浮在空虚之中。在古代希腊和罗马,从公元前六世纪到公元一世纪,关于宇宙的构造和本原有过许多学说。如毕达哥拉斯学派的中心火焰说(设想宇宙中心有一团大火焰);赫拉克利德的日心说;柏拉图的正多面体宇宙结构模型等等。进入中世纪后,宇宙学被纳入经院哲学体系,地心说占据正统的地位。16世纪哥白尼倡导日心说。到17世纪,牛顿开辟了以力学方法研究宇宙学的途径,建立了经典宇宙学。20世纪以来,在大量的天文观测资料和现代物理学的基础上,产生了现代宇宙学。
      从历史上看,随着时代的发展,作为宇宙学研究对象的天体系统,在深度和广度上不断扩展。古代自然哲学家所讨论的天文学的宇宙,不外乎大地和天空。哥白尼在《天体运行论》一书中说“太阳是宇宙的中心”,意味着宇宙实质上就是太阳系。18世纪天文学家引进“星系”一词,当时这个词在一定意义上说只不过是宇宙的同义语。20世纪以来,天文观测的尺度大大扩展,达到上百亿年和上百亿光年的时空区域。现代宇宙学所研究的课题,就是现今观测直接或间接所及的整个天区的大尺度特征,即大尺度时空的性质、物质运动的形态和规律。
      自17世纪牛顿创立经典宇宙学以来,只有天文学最好地解释了宇宙结构和宇宙起源问题。目前大爆炸宇宙学说已经在科学界占据主流地位。但它也引起了对宇宙是否无限的争论。在争论中,一方认为,大爆炸宇宙学所研究的宇宙是哲学上所指的无限宇宙的一部分。它涉及到人类已知的最大空间范围、最长时间尺度、最深物质层次。在这个意义上,它丰富了对宇宙无限性的认识。另一方则认为,大爆炸宇宙学证明宇宙在时间上有一个开端,与宇宙无限的哲学观点相悖。不管怎样,天文学家希望通过对宇宙起源问题的研究,得到一个更具解释力的宇宙模型。
      因为天文学提出的宇宙学说具有逻辑完备、解释性强、能够预测尚未发现的事实等优点,从此那些宣称几天创造了宇宙的宗教宇宙学说便只在信仰和文化层次上具有意义了。
      4. 新的人类中心主义——人择原理
      各种文明均有一种自觉,他们或者以中央之国自居,或者以上帝选民自诩,这都是人类中心主义表现形式。哥白尼革命以来天文学的发展逐渐排除人在宇宙中的特殊性。但随着对宇宙大爆炸模型的深入研究,特别是对宇宙早期暴涨过程的研究,人类在宇宙中是否具有独特地位的问题再次出现了。
      人择原理提出的背景是,宇宙学家和物理学家在研究宇宙起源问题时发现,若任何一个基本物理常数是跟现在的有差异,那么我们所知的生命便不能存在,更不会有智慧生物去思考宇宙。有论文指出弱人择原理能解释精细结构常数、宇宙的维数和宇宙常数等物理常数。
      因此天文物理学家布兰登·卡特在1973年的纪念哥白尼诞辰500周年的“宇宙理论观测数据”会议上给出了人择原理的最初表达:自然定律惊人地适合生命的存在。②
      这个观点一经提出,就在科学界乃至宗教界引发了许多附和与批评。现在,已经发展出三种人择原理,分别是弱、强、终极版本。
      弱人择原理认为:作为观察者的我们之所以存在于这个时空位置,是因为这个位置提供了我们存在的可能性。物理学和宇宙学参数的观测值不是任意的,这些参数保证了在宇宙特定区域产生合适天体,而这些天体又有合适环境进化出碳基生命,这些生命最终进化出智慧探寻宇宙的奥秘。弱人择原理并不强调人类出现的必然性。本质上,弱人择原理说是一个条件概率问题。不过,这个条件概率的计算并不容易,因为我们对智慧生物的存在条件并不十分清楚。
      强人择原理:宇宙必须具备允许智慧生命在其某个历史阶段得以在其中发展的那些性质。换句话说,宇宙的目的之一就是产生智慧生命。
      最终人择原理:包含智慧的资讯处理过程一定会在宇宙中出现,而且,一旦它出现了就不会灭亡。
      因为强人择原理和最终人择原理被视为给古典设计理论披上了现代的宇宙学外衣,所以遭到史蒂芬·霍金、卡尔·萨根、R·道金斯、A·阿西莫夫、马丁·加德纳等科学家和科普作家的批评。
      在1983年,布兰登修正了他1974年的论文,认为人择原理在最初的形式上只是要引起天体物理学家和宇宙学家的警惕,如果他们没有考虑观察者的生物本性所导致的呈上升趋势的限制,天文学和宇宙学的探寻自然规律的工作将会出现失误。反过来,卡特还警告发展生物学家,当他们探寻自然规律时也要考虑天文学和宇宙学的因素。即自然定律应该符合人类的基本逻辑思维方法。
      人择原理中对观察者的强调不由得令人想起量子力学的测不准原理。测不准原理讲的是观察者不能同时测出粒子的动量和位置,当不对粒子进行观测时,即使在理论上也不可能推断它的运动和位置。有鉴于此,有科学家把量子力学仅仅看作对微观世界的一种方便且有线的描述方式,并不一定是真实情况,就像本轮均轮体系是对太阳系运动的描述方式一样。那么我们同样可以把大爆炸宇宙学看作是对宇宙起源于结构的一种描述方式,这样人择原理便不成立了。这是认识哲学上相对主义的观点。
      按照霍金的说法:如果我们不准备借助于人择原理,就需要某种统一理论来解释宇宙的初始条件和各种物理参数值。然而,要一蹴而就地杜撰出一种包罗万象的完整理论是太困难了。电磁相互作用和弱相互作用已经通过“重正化”步骤统一在一起了。现在还要把强相互作用于引力纳入其中。要在自然规律中排除人类的因素,宇宙学家和物理学家还有很长的路要走。
      二、天文学的启迪作用
      天文学研究的对象有极大的尺度,极长的时间,极端的物理特性,是地面实验室很难模拟的。通过对这些天体现象进行研究,天文学家发现自然界的客观规律是高度统一的,不因时空变化而改变,这不但对其他自然科学产生重要影响,并使人们重新思考宗教宣称的宇宙观。天文学的一些研究成果还深刻地影响了社会生活,成为社会思潮或运动的触媒。
      (一)客观规律的统一
      1. 天地统一
      构成宇宙其它部分的物质与地球上的是一样的。光谱分析用于天文观测后,证明了天体上元素与地球上的元素相同。进而还在天体上发现了当时地球上尚未发现的元素(比如氦)。星际有机分子的发现和降落在太阳系其它行星的探测器证实,构成生命的物质并不仅仅存在于地球上,生命很可能不是地球独有的。
      自伽利略使用望远镜把指向天空,发现太阳黑子和月球崎岖不平的环形山以来,宗教宣称的人类独特地位便一次次受到打击。更早一些时,哥白尼的日心说将地球从宇宙中心的位置请了下来。从此,随着天文发现的增多,地球越来越偏居一隅,成为宇宙中微不足道的行星。地球不是太阳系的中心,太阳不是银河系的中心,银河系不是本星系群的中心……膨胀中宇宙根本就没有一个中心。
      既然人类或地球的独特性不存在了,一些宗教宣扬的“选民说”也就不再令人信服。在解除精神枷锁,使人获得理性自由方面,天文学功不可没。
      地球上适用的自然规律同样适用于宇宙其它部分。使月球围绕地球旋转的力同样使苹果落地。太阳发光发热的机制在热核武器试验中得到证实。阿波罗登月宇航员发现在月球上做物理实验与地球上别无二致,飞向太阳系外围的“先驱者”、“旅行者”号探测器完全按照事先计算的轨道运行,轨道天文台发现的宇宙高能粒子与加速器中产生的粒子遵循同样的物理规律。这与天文有关的一切,都证明自然规律在天上地下并无分别。
      2. 古今统一
      天文学研究告诉我们,过去适用的自然规律在今天仍然适用。
      在中世纪的欧洲,人们曾认为上帝每天都要参与宇宙的运转。在天文学、物理学知识广泛传播并获得承认的今天,有些一神教的学者也宣扬上帝创造了自然规律,然后可以撒手不管,以调和科学新发现与教义的矛盾。
      我们现在看到的星光都是过去形成的,从地球上看去,天体的位置也不反映它们现时的位置。但天文学家可以凭星光推断恒星的生老病死、靠当下天体位置预测未来的天体位置,这有力地说明了自然规律不随时间改变。
      大爆炸宇宙学还把已知的各种基本物理规律统一在一个历史过程中,使永恒的自然规律愈来愈变成历史的规律。该学说认为,宇宙有一段从热到冷、从密到稀的演化史,并且随着原始物质→基本粒子→原子核→原子→气状物质→各种天体→生命的演化途径发展到今天的样子。大爆炸宇宙学涉及到地球上无法实现的物理条件,有助于人们发现新的自然规律。
      (二)方法论的启迪
      观察与实验是科学的主要研究方法。天文学是最早运用观察的学科,观测也是天文学研究的主要实验方法。尽管这是一种“被动”的实验,但天文学家也有选择观测对象的主动权。
      天文学的理论常常由于观测信息的有限,天文学家经常会提出许多假说来解释一些天文现象。即观测——归纳、演绎——理论。然后再根据新的观测结果,对原来的理论进行修改或者用新的理论来代替。天文学总是表现为针对每一时期中学科本身的主要矛盾,沿着观测——理论——观测的路径前进。由于天文学最先发展了这种方法,且取得实效,它也被引入其他自然科学领域,如物理学和化学研究中。
      (三)社会影响
      天文学每一次重大发现都给自然科学乃至人类文化带来震撼。哥白尼的日心说曾经使自然科学从神学中解放出来;康德和拉普拉斯关于太阳系起源的星云说,在18世纪形而上学的自然观上打开了第一个缺口。
      从哥白尼的日心说到伽利略引起争议的发现;从牛顿统一天上地下的《原理》到彗星如哈雷预测般回归;从爱丁顿验证广义相对论的日全食观测到发现宇宙大爆炸的证据微波背景辐射;从汤博发现第九大行星到76年后冥王星降级……这些都不仅是科学史上的重大事件,也都是文明史上的重要事件,都曾在当时引起社会上的轰动。
      除了上述观念与启迪,天文学的一些发现还影响了其他一些至关重要的观念。
      比如毁灭,由于天文学家、地质学家、古生物学家的共同努力,现在科学界已公认是6500万年前的小天体撞击地球导致那时的生命大灭绝,那次环境巨变也为哺乳动物的兴起创造了条件。小天体撞击决非偶然现象,过去在地质史上曾多次发生,以后也会继续发生。当天地碰撞再次发生时,人类面对来自太空的威胁能否摒弃分歧,共同抵御? 人类文明会浴火重生吗? 这是天文学带给我们的宏大命题。
      除了外在的威胁,来自文明自身的毁灭力量同样可怕。天文学家通过研究金星和火星的大气建立了地球大气在尘埃蔽日时的理论模型。这个模型显示,如果爆发全面核战争,地球将陷入“核冬天”,届时尘埃经年不散,光合作用停止,人类文明也将毁灭。核战争是“终结一切战争的战争”、“核战争没有胜利者”的说法不胫而走,促使国际社会更加理性考虑削减战略武器和遏制核战争的方法。可以说,天文学的成就影响了当代战争与和平、战争胜利与失败的观念。
      三、天文学变革与社会意识形态的科学化
      天文观测经历了三次伟大的变革。第一次变革是从肉眼观测发展到光学望远镜观测。第二次变革是天文观测从可见光扩展到全电磁波段。第三次变革是从地面观测到空间天文观测以及空间探测器近距考察。
      四百年前用望远镜代替肉眼观察天空的天文观测手段变革,促成了天文学乃至物理学的革命,当下正在发生的变革——使用射电望远镜、引力波、太空望远镜和探测器——将极大扩展天文学视野,必将带来更多的重大发现,这些发现不但将增进人类对自然的认识,也为改造自然创造有利条件。
    科学影响有四个方面:
      1. 关于宇宙的一般概念;
      2. 技术的应用;
      3. 知识的专业化;
      4. 生物学说对于行为动机的影响。其中天文学的成就影响了l,2,3三个方面。
      因为研究对象的遥远与极端,天文学的研究成果主要影响那些抽象的观念和理论(天文学仪器的进步影响也到望远镜和计时工具的发展)。但因天文学在科学革命中的先导地位,它对自然科学其他学科具有启发与带动功能,数学、物理、化学等学科则能更深入介入社会生活,是普通人理解科学在思维方式和解决问题上的先进性。自科学革命以来,天文学从意识形态方面解放思想,其他学科则借助技术改变生产生活方式。科学的世界观、思维方式、方法日益也逐渐居于意识形态的主导地位。
 
      注释:
      ① 时间(剑桥年度主题讲座),华夏出版社
      ② 他当时的陈述是:“虽然我们(人类)所处的位置不一定是中心,但不可避免的,在某种程度上处于特殊的地位。”
参考文献
      ① G·伏古勒尔,天文学简史,广西师范大学出版社,2003年
      ②  史蒂芬·霍金,时间简史,湖南科学技术出版社,2003年
      ③ 米歇尔·霍斯金,剑桥插图天文学史,山东画报出版社,2003年
      ④ 中国大百科全书天文卷编委会,中国大百科全书天文卷,中国大百科全书出版社,1986年
      ⑤  F·霍伊尔J·纳里卡,物理天文学前沿,湖南科学技术出版社,2005年
      ⑥  怀特海,科学与近代世界,商务印书馆,1959年
      ⑦  李申主编,高科技与宗教,天津科学技术出版社,2000年
      ⑧  李约瑟,中国科学技术史第四卷天学第二分册,科学出版社,1975年
      ⑨  彼得斯、江丕盛、本纳德编,桥:科学与宗教,中国社会科学出版社,2002年
      ⑩  约翰·H·布鲁克,科学与宗教——剑桥科学史丛书,复旦大学出版社,2000年
      {11} 伊安·巴伯,当科学遇到宗教,生活·读书·新知三联书店,2004年
 
      作者简介:赵洋,中国科技馆博士
      本文责编:申振钰
      (《科学与无神论》2010年第1期)
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尹湘 查看详细资料 发送留言 加为好友 用户等级:注册会员 注册时间:2015-06-06 13:06 最后登录:2015-11-05 22:11
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