及时章 天 文 探 索

人为什么研究天文？

缘由有四：

(1)为生产：识天时、明季节、辨方位、定航向。

(2)为好奇：疑则生天问、惑则求推步。

(3)为占卜：祈求好运、占星求天、从正常天象获信心、从异常天象猜警示。

(4)为天文科学的发展：天文学一旦成为了一门科学，就有了自身的发展、自身的问题，人就研究天文学，不断提出问题、解决问题，不断发现新天象、构造新理论，天文学就蓬勃发展。

及时节 天文学规律的认识

科学探索

几千年的天文学研究获得了丰硕的成果：探明了天体运动的诸多规律。

科学探索是人类认识自然规律的过程。

天体作为客观事物，它的变化、运动规律独立于人而存在。它被认识，要经过感官的感受，人脑的消化、加工、凝缩、提炼，然后采用恰当的形式把它表达出来。

我们来考察人对行星运动的认识，作为本书剖析的及时个实例，认识科学研究和探索真理的历程。

古人看天，发现天上星星排列成的图案是不变的，年复一年还是那样。可是，有几颗星不参加图案的排列，而是在固定的星空图案中穿行。这就是五颗行走的星：金星、木星、水星、火星、土星。它们每天出现在天空中不同的位置。

怎样解释行星的运动呢？

16世纪以前，人们信奉由亚里士多德构造并被托勒密完善了的天体运行体系：一切天体绕地球做圆周运动。地球往外有几个天球壳，每个球壳上分别镶嵌着太阳、月亮和五颗行星中的一颗，依次是月亮、水星、金星、太阳、火星、木星、土星。土星外面是恒星天。行星在一个比较小的圆周——称为本轮——上匀速转动，本轮的中心在一个大轮——称为均轮——上绕地球的"对点"做匀速运动。地球与"对点"的中点就是均轮的圆心(图1-1)。

这是行星视运动的数学注解，至于客观世界是不是这样，托勒密并不关心。

图1-1 对行星运动表现的数学注解(托勒密，145)

1542年，哥白尼作出另外的数学说明：不是行星绕地球做圆周运动，而是地球和行星绕太阳做圆周运动。哥白尼的这个说明在相当程度上被认为是真理。

70年后，开普勒将行星视运动研究从几何学转入了物理学。他研究了第谷留下的精密观测资料，发现行星——地球也是行星——绕太阳运行的真实轨道不是圆而是椭圆，太阳在椭圆的一个焦点上。

又过了70年，牛顿从力学原理出发，计算出在万有引力作用下，行星绕太阳运行的轨道是椭圆。

这样一来，人就清楚认识了行星的运动：太阳与行星按照物理学规律以太阳为中心构成了一个动力学体系——太阳系，它们看起来复杂的运动可以用数学结果表示出来。

但是，人们还是不明白，运行轨道椭圆本身是怎样运动的？一颗行星绕太阳运行的椭圆轨道本身也在运动，进动是这种运动中的一种。应用牛顿理论计算出来的行星椭圆轨道近日点进动的量与观测值总是对不上号，为什么会这样？

1916年，爱因斯坦建立了相对论力学。由此出发，他地计算了椭圆轨道近日点进动的量。原来，在引力作用下，必须考虑空间和时间的性质和结构。

反映正确吗

从托勒密到爱因斯坦，人对行星的运动有了一系列的认识。那么，哪个认识是对的？谁的认识更真？或者说，哪个认识更具有真理性？

在我们的例子里，行星是自然界客观存在的事物，它们的运行有自己的特性，这些特性的表象被人看见了，人就知觉到了这些特性，进一步，人把行星运动这一客观事物及其规律反映到脑中。

托勒密的反映是直观的反映，看见什么在动就描述什么。既然行星在天球上运行，那就让它绕我们转好了。用圆来表达最方便，也最"美"，至于对点、本轮、均轮，都是为了方便描述而套用的数学形式，托勒密也不知道它们是不是真实地反映了行星的运动。现在我们清楚了，托勒密的反映不是真的。

哥白尼追求正确反映，用地球的自转和公转解释行星的运动。在哥白尼的认识中，采用了圆形轨道。于是，纯粹客观的行星在人脑中就有了一个映像——圆形轨道：在圆形的均轮上有本轮，在本轮之上还有本轮。哥白尼用了34个圆形轨道来构成他的太阳系。

在牛顿的认识中，力学原理才反映了行星运动的规律。这样一来，哥白尼认识中的不真之处暴露出来了，日心学说作了根本性的修改。

相对论天体力学，则是用相对论作为对客观的行星及行星运行规律的反映。正是由于这一反映的正确性，人们对行星运行现象了如指掌了。

正确的反映——科学真理

通过案例剖析，我们知道：

(1)规律是客观的，它独立于人而存在。在人认识它们之前，自然界本来就存在着。

(2)自然界——它运动的物质——会刺激人的感觉器官，产生感觉和知觉。

(3)感觉和知觉，虽然是自然界直接刺激所产生的，但它并不就是自然界的物质运动规律。它没有正确地表达自然界。

(4)人脑必须对感觉和知觉进行加工，积极思维，透过现象把握事物的本质。

(5)同时，用科学语言把大脑所把握的事物本质表述出来。

这样的科学语言表述就是客观事物及其规律性在大脑中的反映。如果这个反映正确，我们就得到了科学真理。

科学真理，就是客观事物及其规律性在人头脑中的正确反映。

哥白尼理论、牛顿力学理论、相对论力学理论分别以不同程度的正确性反映了行星运动这一客观事物及其规律。可是这三种理论认识的真理性是不同的。哥白尼理论是正确的，但它仅是与地心说抗衡的、更美的和谐理念，是行星运动的粗略反映，现在，它仅保留历史地位。牛顿力学理论的正确性比哥白尼理论大大提高了。正确程度更高的反映是相对论力学理论。

现在，牛顿力学理论被认为是行星的本质及其规律的科学真理。在要求更精密的场合，人们则应用相对论力学理论，因为相对论力学是更加正确的科学真理。

不正确的反映

我们日常感觉和知觉到的现象，并不等于真理，也就是说，它们并没有正确反映客观规律。常见的是，人知觉到的现象与客观规律差别很大。我们已经看到，人知觉到的是天体环绕地球转。这种知觉到的现象并没有反映天体运行的规律。

对行星的认识是这样，对恒星的认识也是这样。

人把看起来不会移动的星称为"恒"星。这是从知觉得来的映像。在测量不精密的年代，它似乎是一种正确的反映，但在测量精密的时代，"恒星是不动的星"就是不正确的反映了。

有一个时期，天文学界流行一种看法：火星上有纵横交错的"运河"。这是在观察火星时得到的知觉。这样的知觉如果是正确的反映，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准备。这太振奋人心了。可是，发现，这样的反映是不正确的，火星上没有"运河"，火星不具备高级生命生存的条件。

从不正确的反映到正确的反映：认识以太正确的反映"是一个过程，是渐进的、曲折的过程。从不正确的反映到正确的反映就是科学研究寻找科学真理的过程。

我们来考察人对"以太"的认识，作为认识科学研究和探索真理的历程的案例。

"以太"一词，起源于古希腊，最初见于一则神话传说：暗神伊利波斯与夜神尼卡丝结合，生出个精灵气旺的宙斯神来，这就是以太。在那个时候，以太表示精灵之气，弥漫于宇宙。

在希腊哲人的思辨里，以太不是物理概念，而是哲学概念。他们不需观察，不需实验，无经验事实作证据，只不过从思想方面分析物质，究其本源，推出以太。

哲学或迟或早总要影响自然科学，以太概念也是这样。

16世纪末，吉尔伯特仔细研究了磁石和磁铁，发现了地磁倾现象，断定地球是一块大磁铁。吉尔伯特除了做实验以外，还企图深入揭露磁的本质。不过，由于他对微观世界一无所知，只能思辨式地大胆想象。他认为磁铁有灵魂，灵魂包藏在磁铁里，并由磁铁发射出来。他发现"以太"一词能非常恰当地表示这种磁灵魂：磁以太包罗着邻近的铁物体，把它们拉向自身。推而广之，地球也包藏着和发射出重力以太，重力以太包罗着地上的物体，把它们拉向地球。

吉尔伯特的这种设想，显然是受到一种朴素唯物主义哲学思想的影响：一个物体不能在它所不在之处起作用。所以，在磁铁周围或地球周围一定存在物质。

开普勒也把同样的思想用到太阳系。他认为太阳系中充满了以太，太阳的能力就是通过以太来推动行星做绕日运动。

笛卡儿把物质世界和精神世界对立起来，认为物质必定不属于人，它是连续的，因而物质宇宙必然是一个致密无间的充实体。在这样一个世界中，只有物物相接才能产生运动，不存在物体可以通过的"真空"。笛卡儿认为天体之间有一种本源物质，它看不见但充满空间。这就是以太。天体可以在其中畅行无阻。以太在不停地激烈运动中，卷起一个一个的旋涡，太阳就处在一个大旋涡的中心，周围的旋涡带动着行星。地球与行星又带着它们周围的小旋涡。石头落向地球，行星吸引卫星，都是以太的旋涡效应，这正如河中浮草被卷进旋涡一样。

牛顿提出另一种以太设想。他假设行星际间有以太存在。对于一个天体，离开这个天体越远，以太的压力越大。因此，以太压力就把物体压向天体——这就是万有引力的原因。

可是，不管旋涡说还是压力说，都经不起数学推演和实践验证。不久，便没有人再提了。

以太被从希腊哲人那里借来，充当了解释磁力的磁媒和解释引力的引力媒。不过，17世纪的人还不是那么渴望了解磁本性和引力本性。对于他们，以太是可有可无的。

在光学领域就不是这样了。由于牛顿的微粒假说与胡克-惠更斯的波动假说的争论，急切要去探求光的本性。

微粒说的难题是解释光的衍射，牛顿的以太压力假设还勉强可用。但为什么不同颜色的各种光微粒子有相同速度呢？

波动说的困难是解释光的直进。菲涅耳用数学证明了，因为光的波长比障碍物尺寸小得多，所以它会直进，从而解决了这一难题，光的波动说大获成功。那么，光波是怎样传播的？为了把光看成在类似刚体的介质中传播的机械运动，就需要有一种介质——以太。因为那时人们只知道机械波，所以胡克只好在1669年把光波看成一种机械波。但是，既然传光的以太有刚性，它类似有弹性的固体，渗透在一切物体的内部，那么，怎样才能把光媒所必需的这种性质与行星运动没有遇到阻力的事实相协调呢？许多聪明的物理学家为此绞尽脑汁，为以太设想了许多奇妙的性质(如容变弹性模量为零，切变弹性模量无穷大等)。

正当人们为了阐述机械光媒而大费脑筋时，法拉第发现了空间具有电和磁的性质。和笛卡儿一样，法拉第绝不承认通电导线对小磁针的超距作用，但他也不相信吉尔伯特关于磁石发射灵魂的说法。他假想在磁极或电荷周围的空间里有一些力线或一些质点链。这些链在离开源后，可以在空间自由行进，作用于远方的导线或磁体。

1865年，精于数学的麦克斯韦将法拉第的思想写成电磁场方程。它表明，变化的电磁场以波动的形式在空间传播，电磁波的速度只与介质的电和磁性质有关。

就这样，麦克斯韦用笔尖证明了，无所不在的以太已经在某种意义上和空间本身合为一体。

由于电磁波的传播速度与光速相同，麦克斯韦断定，光是一种电磁现象。有一种以太就可以传播光和电磁波，无需臆造好几种不同的以太。

于是，力学性质的以太概念被电磁性质的以太概念所代替，人们不必再在以太的奇妙的机械性质上大伤脑筋了。

但是，另一个问题使研究者更伤脑筋，这就是物体相对于以太的运动：运动的物体是不是带动以太？

这个问题与光速的测量密切联系。麦克斯韦虽然从他的方程式算出了电磁波的速度，但是，它是电磁波相对于以太的速度还是相对于观察者的速度？在方程中一点儿也看不出来。

不过，那时候人们所说到的光速不言而喻是指光相对于以太的速度。这是很自然的，因为他们把光类比于声。声速是以空气为参照系测出的，运动物体并不带动空气，人相对于空气静止或运动时，测得的声速不相同。

经典力学需要一个参照系，长久以来，人们就在寻找它的物理实在。弥漫宇宙、无所不在、物体在其中穿行不受阻碍的光以太正是理想的物质。人们就取静止的光以太作为参照系。

运动的地球不带动以太，这是1728年布拉德雷发现的光行差的理论推论。1893年，洛治的重物旋转实验也说明，运动物体不带动以太。

既然运动物体不带动以太，那么，当人相对于以太静止或运动时，测得的光速应该不同。1881年，迈克耳孙用干涉仪做了一个观察地球相对于以太运动的实验，1887年，迈克耳孙和莫雷又大大改进了实验技术。实验结果指出：地球与以太没有相对运动。1902年，屈劳顿和诺勒尔应用电容器探测地球相对于以太的运动，结果也没有发现以太漂移：运动的地球带着以太一起运动。

两组实验的结果相反，一时间，"真理没有标准"了。出于对迈克耳孙-莫雷实验的信赖，"

……