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星空信使,黑魔法与原动天

作者:利维坦 来源:利维坦 公众号
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05-17

利维坦按:说到科学家写科幻小说,还真有不少,比如天文学家西蒙·纽科姆(Simon Newcomb)的《His Wisdom the Defender》(1900),物理学家罗伯特·W·伍德(Robert Williams Wood)的《The Man Who Rocked the Earth》(1915),物理学家弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)的《The Black Cloud》(1957)等。但论历史久远的,还要属被阿西莫夫称为史上第一部科幻作品的《Somnium》(梦)。


作为天文学家和数学家的开普勒,在这部《Somnium》中描述了一次神奇的月球之旅——不过,据说多年之后,该故事的某一版本引发了一场针对开普勒母亲的审巫案,起因是故事讲述者的母亲向一名恶魔学习太空旅行的方法。



文/Alan Lightman

译/乔琦

校对/斩光

原文/nautil.us/issue/58/self/when-the-heavens-stopped-being-perfect

本文基于创作共同协议(BY-NC),由乔琦在利维坦发布


《星空信使》,伽利略著。图源:Marks of Genius


我手边有一本名为《星空信使》(也译作《星际信使》,Starry Messenger,原著拉丁名Sidereus Nuncius)的小书,由意大利数学家、科学家伽利略·伽利雷(Galileo Galilei)在1610年写就。当时,这本书首印550册,其中有150册流传至今。几年前,克里斯蒂拍卖行曾对这第一版的《星空信使》估过价,每本价格在60万美元到80万美元之间。而我手头的这本是1989年印刷的平装版,售价约12美元。


尽管科学史对《星空信使》的评价并没有牛顿的《自然哲学的数学原理》(Principia),或是达尔文的《物种起源》(On the Species of Origin)那么高,我仍旧认为它是有史以来最重要的科学著作之一。在这本小书中,伽利略向我们描述了,他将刚制造出的望远镜对准天空后所看到的景象:强有力的证据表明,天体由寻常物质构成,就像鲁特岛上的冰一样。


这一结果引发了一场反思“天地分离”的革命,导致物质世界的疆域产生了一次令人难以置信的扩张,激发了一场针对绝对论(the Absolutes)的挑战。天体的物质性,与能量守恒定律一道,宣告了所有天体都注定消亡。天空中的点点繁星本是不朽和永恒的最有力象征,而伽利略的发现告诉我们,终有一日,它们也会走向死亡和凋零。

 


1610年,伽利略观测星空时使用的望远镜,如今收藏在佛罗伦萨伽利略博物馆里。图源:Fine Art Images/Heritage Images/Getty Images


伽利略生于比萨,长于佛罗伦萨。1592年起,他在帕多瓦大学教授数学。由于仅靠教职工资无法承担其经济支出——他要负责妹妹们的嫁妆并支付和情人所生的3个孩子的抚养费【编者注:伽利略是位虔诚的天主教徒,但是他与马丽娜·甘巴(Marina Gamba)在以非婚生的方式养育了3个孩子】,因此伽利略还在家里为学生开寄宿课堂并且售卖科学仪器。16世纪80年代末,他开展了著名的有关运动和坠落物体的实验。1609年,45岁的伽利略听闻荷兰人刚发明了一种放大设备,即望远镜。尽管没有亲眼见到这件杰作,他还是迅速地自行设计并建造出了望远镜,性能比那个荷兰模板强数倍。现在看来,伽利略是第一个将这东西对准夜空的人类。【在荷兰,望远镜这项新发明被称为“侦查眼镜”(spyglasses),从这个名字我们可揣测一下它的用途。】


图源:Heritage History


伽利略自己磨制并抛光了望远镜透镜。他制造的第一批望远镜放大倍数约为12倍。后来,他研制的望远镜的放大倍数达到了1000倍,其成像相当于将目标物体拉近了30多倍。如今,你可以在佛罗伦萨人迹罕至的伽利略博物馆看到这些流传至今的望远镜。伽利略的第一架望远镜长36.5英寸(约93厘米),宽1.5英寸(约4厘米),镜身由木头和皮革制成,一头装有一面凸透镜,另一头则装着一面凹透镜。


我用过一件这架望远镜的复制品。首先,我对其视野之小感到十分惊讶,在长长的镜身另一头看到的光圈大小就好像是在一臂距离上观察到的一枚壹角硬币,而且十分昏暗。不过,在眯着眼睛观察了一会儿之后,我确实能在那个昏暗的壹角硬币光圈内分辨出暗淡的物体图像。另外,当我尝试将这架原始的望远镜对准100码(约91米)外的建筑物时,我看到了砖块上的一些裸眼不可见的细节。


图源:Esoteric Archives


我们现在很难想象,当伽利略第一次将他的这件新设备对准夜空,凝视“天国中的星体”时,他所感受到的震惊与惊喜——数个世纪以来,人们一直认为这些天体位于几大围绕地球转动的天层之中,比如月球层、太阳层及行星层。在此之外,便是容纳所有恒星的、同样围绕地球转动的恒星层。而在所有这些天层之外便是最外部天层,由上帝的手指推动的原动天(Primum Mobile)。人们猜想,所有这些天层都由亚里士多德所说的第五元素“以太”(aether)构成。


以太假说:地球行经承载光的介质以太。图源:wikipedia


想象中的以太无论在物质性还是形式上都完美无瑕,弥尔顿(Milton)在《失乐园》(Paradise Lost)中将其描述为“天堂中轻盈无比的元素精华”。如此种种,都由上帝创造,一致符合上帝那神圣完美的审美观。然而,实际上,伽利略在他的这根小小的管子中见到的,却是月球上的撞击坑和太阳表面的暗斑。


正是这种物质性,这种所谓天体的简陋之处,彻底击碎了星星们永垂不朽的绝对。


在伽利略用望远镜观测星空的前几个世纪,圣多玛斯·阿奎那(Saint Thomas Aquinas)成功地完成了亚里士多德宇宙学和基督教教义的联姻,这其中包括天体的超凡性质以及地球居于宇宙中心且静止不动的概念(但有一条亚里士多德的理论,阿奎那没有采纳:亚里士多德认为宇宙的年龄是无限的,而基督教教义认为是有限的)。所以,伽利略发现天体并不完美,这一点是对教会的严正挑战。


在观察月球时,伽利略看到分隔开月球上从日到夜的界线(月球表面上的明暗界线),当越过较暗的区域时表面显得十分光滑,但横渡明亮的区域时界线显得十分不规则。由此他推断,较暗的是平坦的区域、 低洼地区,比较明亮的是山脉。月球由此不再是之前如亚里士多德所认为的半透明的、完美的球体,也不是但丁所描述的第一个“行星”,一个“永恒的珍珠,壮丽地直升入天堂般的苍穹”了。图源:Wikipedia


而望远镜本身也是一个挑战。伽利略这架3英尺长的望远镜是第一批能够放大人类感官功能的工具之一,它展现了一个人类无法亲眼见证、亲耳听闻的世界。在此之前,人类社会中从未出现过这样的设备。很多人都持怀疑态度,质疑这架装置的合法性以及其发现的有效性。有人把这根奇怪的管子看作不属于这个世界的魔法,那感觉就好像是今天的移动手机之于生活在1800年的人一样。而伽利略自己虽然是个科学家,但也无法完全理解这个物件的工作原理。


我们应该能回想起,在16世纪及17世纪的欧洲,人们普遍相信魔法、黑魔法以及巫术充斥社会的每个角落。就在那短短200年中,大约40000名巫师嫌疑人——大多数是女性——或是在火刑柱上被烧死,或是在绞刑架上被吊死,亦或是被按在砧板上斩首。1597年,苏格兰国王詹姆斯六世(1603年成为英格兰国王詹姆斯一世)抱怨“此时此地,到处充斥着对这些可恨恶魔走狗、巫婆、附魔师的恐惧”。人们相信,巫师可以通过目标受害者的一撮毛发或者一片指甲施放法术。这位意大利数学家的这件装备是不是也有点巫术的感觉?


还有一些人对伽利略的望远镜发现持怀疑态度,倒不是因为它们散发着黑魔法的气息,也不是因为它们与基督教理论教义有抵触,而是因为它们挑战了个人的世界观及哲学观。帕多瓦大学亚里士多德哲学教授、伽利略的同事,切萨雷·克雷莫尼尼(Cesare Cremonini)公开谴责伽利略声称发现了月球撞击坑以及太阳暗斑的行为,但他拒绝到望远镜前一探究竟。


托勒密的宇宙体系图。图源:wikipedia


后来,人们经常引用克雷莫尼尼的这么一句话:“不想面对那些我不了解、我没有亲眼见到的事物的发现声明……而且,一想到要通过那些镜片观察星空,我就很头痛。够了!我不想再听到有关这件事儿的任何消息了。”另一个和伽利略同时代的人,比萨大学亚里士多德哲学教授,朱利奥·莱伯里(Giulio Libri)同样拒绝使用伽利略的望远镜瞥一眼星空。伽利略在一封写给科学家同行约翰内斯·开普勒(Johannes Kepler)的信中对这些抵制意见给出了回应:


亲爱的开普勒,我想我们可以好好嘲笑一番这些愚不可耐的屁民了。你对这个哲学学派的主要成员还能说些什么呢?他们倔得跟驴一样,行星也不想看,月亮也不想看,望远镜也不想碰,哪怕我无数次免费、特地为他们创造这样的机会。真的就像驴一样听不进人劝,这群哲学家把自己的眼睛闭了起来,拒绝接受真相的光芒。


伽利略将这本书献给了第四任托斯卡纳大公,美第奇家族的科西莫二世(Cosimo II De’ Medici)。标题页上写着:“《星空信使》揭示了壮美瑰丽的星空图景,并将其展现在了每个人面前,尤其值得哲学家和天文学家一看。本书内容由佛罗伦萨贵族、帕多瓦大学公众数学家伽利雷·伽利略,在其最近自制的侦查镜的帮助下观测星空所得。”在这本书中,伽利略用钢笔和墨水亲手绘制了他在望远镜中观察到的月球图景,表现了其表面的明与暗,山谷、山丘、撞击坑、山脊以及山脉。他甚至通过月球环形山的影子长度估测了其海拔。


开普勒在《宇宙的神秘》中关于太阳系的柏拉图式实体模型(1596年)。图源:wikipedia


当伽利略看到月球表面明亮地区与黑暗地区的交接线,也就是所谓的明暗界线的时候,他发现这条界线不是平滑的曲线,而是参差不齐、毫无规则的。这和我们预想中的理论上应该发生在完美球体上的情况很不一样。“稍微想想你就知道了,”伽利略写道,“因为,毫无疑问,月球表面绝不会光滑平坦,一定崎岖不平,并且就如同地球一样,月球上也一定遍布高耸的山脉、深不可测的沟壑以及悬崖峭壁。”伽利略还在书中提到,看到了木星的4颗卫星,这就更加证明了地球与其他行星相似这个观点。换句话说,地球已不再特殊了。如此种种,全部都支持哥白尼(Copernicus)67年前提出的与“日心说”。这么一本小小的书中却蕴含了相当多的新想法,且无一支持亚里士多德学说及教会。


伽利略记录木星卫星的手稿。图源:wikipedia


《星空信使》出版几个月后,伽利略的名字享誉全欧洲——部分是因为望远镜除了科学价值之外,还体现出了巨大的商业和军事价值。(站在“威尼斯最高的钟楼上,”伽利略在一封写给朋友的信中这么写道,“你远远的便能看到各色小船和帆船正满帆回港,如果你没有用我的望远镜的话,那起码要再过2小时,它们才会进入你的视线。”)这一时期的欧洲,人们的信件和言谈中到处流传着有关这个发明的消息。


伽利略还宣称自己看到了太阳表面的暗斑,这更是对神圣完美的星空的莫大挑衅。现在,我们知道,这些暗斑——“太阳黑子”——是太阳外层大气中磁能短时间内积聚引起的现象。由于这种机制是短暂的,太阳黑子时有时无,有一个活动周期。1611年,施瓦本(位于德国西南部)知名耶稣会数学家,克里斯托弗·沙奈尔(Christoph Scheiner)设法搞到了一个望远镜,并证实了伽利略看到的在太阳表面移动的暗斑。然而,不容置疑的亚里士多德却告诉我们:太阳是完美无瑕的。沙奈尔从这条前提出发,提出了许多站不住脚的说法,比如,为什么这个现象不能是其他行星或是围绕太阳运动的卫星引起的?一定就是太阳自身导致的吗?


人们再也不能将星星看作完美无缺之物,它们并非由永恒不灭、牢不可破、地球上难以寻见的物质构成。


就如同本书的标题页上写的那样,伽利略是一位数学家。人们普遍认为,数学存在于一个抽象而符合逻辑的世界之中。数学帮助学者计算并预测“真实世界”,但它与那个世界并不相同。特别地,天体系统的反神学模型也仅仅被视为计算工具,可以描述与“实在”相对的“表面”现象。


葡萄牙宇宙学家和制图师巴尔托洛梅乌·维利乌(Bartolomeu Velho)于1568年绘制的地心说宇宙模型,收藏于法国国家图书馆。


因此,亚里士多德和托勒密(Ptolemy)的地心系统和哥白尼的日心系统就作为计算方法而言,完全可以放在同等位置,毕竟它们同样给出了对行星位置的相当精确的解释。但是,前者与当时的神学、哲学观念都更加贴合,于是被认为是反映实在的模型。


伽利略的发现公诸于世后,宗教人士都对此持怀疑态度。1611年3月19日,罗马学院院长,红衣主教罗伯特·贝拉明(Robert Bellarmine)在一封写给耶稣会数学家同行的信中说:


我想您应该听说了那位著名数学家作出的天文学新发现……我想知道他的说法是否正确,因为我听到了许多不同意见。而尊敬的您,精通数学,可以轻而易举地告诉我这些发现是否言之有据,又或者只是表面文章,并不真实。


克里斯蒂诺·巴蒂1857年所绘的《伽利略受审》。图源:wikipedia


尽管教会数学家对伽利略发现的细节还有争议,但他们一致认为伽利略看到的图景是真实的。然而,伽利略的望眼镜发现以及他对哥白尼日心说的支持仍被认为是对神学信仰的不可饶恕的攻击。因此,伽利略,这位一度考虑从事神职工作的虔诚罗马天主教徒,最终惨遭批捕,接受审问,被迫放弃大多数天文学发现声明并且余生一直生活在软禁之中。


现在,我不想再把注意力放在地球不再是宇宙中心这事儿上了,让我们来看看这一时期刚出现的有关星空物质性的想法。正是这种物质性,这种所谓天体的简陋性,彻底击碎了星星们永垂不朽的绝对性。这种降级肇始于伽利略发现的月球撞击坑及月面上坑坑洼洼的地带。


开普勒与他的科幻小说《梦》。图源:BBVA Openmind


1610年后,许多思想家和作家将月球以及行星看成是拥有土壤、空气和水的地方,更有甚者,将其描述为适合人类居住之地。1630年,开普勒——就是那个伽利略写信告诉他有关“愚不可耐的屁民”事儿的天文同僚——完成了一部名为《梦》(Somnium)的幻想小说。这本小说很受欢迎,说的是一个男孩和他妈妈,到月球一个名叫利瓦尼亚(Levania)的地方旅行的故事。与地球相比,利瓦尼亚的环境要更极端一些:利瓦尼亚的山海拔更高,山谷也更深。利瓦尼亚的炎热地带栖息着生物,他们体型大得像怪物并且只能活一天。这些会飞、会爬、会游泳的生物由于寿命太短,无法建立起城镇或政府,但他们依旧能够找到生活的寄托。因为开普勒是一位杰出的科学家,他的这件作品受到了知识圈内的严肃对待,成了17世纪、18世纪甚至19世纪的畅销读物。


像这样的幻想小说还有许多。在诗人塞缪尔·巴特勒(译者注,Samuel Butler,与我们熟知的《众生之路》作者同名同姓)的作品《月球上的大象》(The Elephant Moon,1670)中,一位自视甚高的绅士科学家在用望远镜观察月球时,看到了一场激战正酣的战斗:一头月球大象突然从一列士兵中跃起,只花了几秒便落到了另一列士兵队伍中(可能是因为月球重力太小,解放了大象的手脚)1689年,荷兰数学家、科学家克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens)写了一本书,名为《天体世界探秘:有关行星世界中居民、植物、生产状况的推测》(The Celestial Worlds Discovered, or Conjectures Concerning the Inhabitants, Plants, and Productions of the Worlds in the Planets)。这些书籍和诗篇都是写给普罗大众看的,它们从某种程度上反映了,17世纪的人们开始渐渐将行星看作是由寻常物质构成的。大象可不能在轻盈的以太构成的天体上横冲直撞。


惠更斯《天体世界探秘:有关行星世界中居民、植物、生产状况的推测》。图源:Galileo's World/University of Oklahoma


不过,伽利略的发现影响最为深远的方面,可能还是有关恒星性质的。意大利哲学家、作家乔尔丹诺·布鲁诺(Giordano Bruno)早已提出了星星有可能是恒星的想法。在他1584年出版的著作《论无限宇宙和世界》(On the Infinite Universe and Worlds)中,布鲁诺写道,“宇宙中可能有无限多个环境条件类似地球的世界,无限多个与太阳具有相似性质的恒星或火球……(因为这些天文学观点以及他对其他天主教教义的否定,1600年,布鲁诺在火刑柱上被烧死。)到了17世纪初,已有许多思想家接受了星星可能是恒星这个观点。


因此,当伽利略报告说在太阳表面看到瑕疵的时候,这个发现很可能表明所有恒星都是这个情况。所以,人们再也不能将星星看作完美无缺之物,它们并非由永恒不灭、牢不可破、地球上难以寻见的物质构成。构成太阳和月亮的原料看上去就和地球上的没什么两样。到了19世纪,天文学家开始用棱镜将恒星星光分解成不同波长的光,以此来研究它们的化学组成。这是因为,不同化学元素燃烧发出的光颜色各不相同。最终发现,恒星的组分包括氢、氦、氧、硅和其他一些地球上常见的元素。恒星真的是物质性的,而且简单得不能再简单——它们都是由原子直接构成的。


伽利略等人将星星的物质性公之于众后,星星们永生不灭的太平盛世立刻就进入了倒计时——因为所有的物质都必须遵守能量守恒定律。无论是从其广阔的应用性上来说,还是从其内在的定量计算及逻辑推理范式来说,能量守恒定律是一切自然定律的基础。本质上说,这条定律的内容是,能量既不会凭空产生,也不会凭空消失。能量可以从一种形式转变成另一种形式,就像一根火柴的化学能可以转变成火焰的光和热一样。但在一个封闭、完备的系统中,总能量总是保持不变。


一颗恒星就像一根巨大的火柴,内部存储的能量是有限的——当然,恒星存储的能量是核能而不是火柴中的化学能。当恒星内部的原子聚变成更重的原子时,核能就被释放出来。但是,单颗恒星内部所能提供的核能是有限的,就像一根火柴内部蕴含的化学能是有限的一样。当恒星“燃烧”其内部核燃料时,核能就主要以光的形式释放到了星际空间中。我们可以想象将这颗恒星放在一个巨大的盒子里,盒子内部的总能量总是保持不变,能量只是逐渐从恒星内部转变成了盒子里的光以及别的一些东西,比如因吸收了这些光而增加了的热能和化学能。


当然,恒星并不在盒子里,但原理是一样的:布鲁诺、伽利略以及后续的科学家们证明了恒星的物质性,那么它的能量总有一天会用完。恒星一刻不停地把能量播撒到星际空间中,这就一定会消耗其内部有限的核能。最终,这些珍贵的恒星“日用品”一定会被耗尽。此时,整颗恒星都已燃尽,光芒熄灭,走向死亡。就我们的太阳来说,这个死亡的时间大约是50亿年以后。大约1万亿年以后,天空中所有的恒星都会在冰冷中走向死亡。


在大麦哲伦云的一个恒星形成区。图源:wikipedia


到了那个时候,整个夜空都会归于彻底的黑暗。所谓的白天也将暗无天日。天空中的无数恒星最终都只能成为游荡在星际空间中的冰冷余烬——哪怕它们一度被视为已故君主的最后栖息之地、永恒与不朽的绝好体现以及其他任何绝对论衍生物的绝好背书。(译者注,然而,在年迈恒星走向死亡的同时,也会有新恒星诞生。另外,人类真的可以撑到1万亿年以后看到那时的夜空吗?至少地球不行。)


本文作者阿兰·莱特曼(Alan Lightman),科学家、小说家,麻省理工学院人文科学教授。他的著作包括全球畅销书《爱因斯坦的梦》(Einstein’s Dreams);被BrainPickings选为2014年最佳科普书的《宇宙何其巧》(The Accidental Universe);被《华盛顿邮报》(Washington Post)选为2015最佳图书之一的《电影放映室》(Screening Room)。





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