《大爆炸简史》:宇宙观的范式革命
前言
《大爆炸简史》由科普名家西蒙·辛格撰写,书中通过科学家的探索与争论,展现了大爆炸理论如何从异想天开的假说逐渐成为现代宇宙学的核心。大爆炸理论揭示了宇宙的起源,是集体智慧的历史结晶,凝聚了哥白尼、第谷、开普勒、伽利略、牛顿、爱因斯坦、赫歇尔(恒星亮度正比于距离)、莱维特(造父变星亮度周期变化)、哈金斯(恒星光谱-多普勒频移)、弗里德曼及勒迈特(膨胀宇宙)、哈勃(室女星座独立、星系退行验证宇宙膨胀)、伽莫夫(大爆炸理论、氢氦丰度,学生阿尔弗及赫尔曼,及预言宇宙微波背景辐射-CMB)、霍伊尔(氢核聚变为碳)、彭齐亚斯及威尔逊(验证CMB)、COBE(宇宙背景探测,CMB涨落-星系成因)、古斯(暴胀理论)、霍金及彭罗斯(量子引力理论)等许多科学家的贡献。
科学思想的萌芽
人类对宇宙起源的追问始于远古神话,但真正以理性探索自然规律则始于古希腊。古希腊哲学家如色诺芬与阿那克西曼德摒弃神创论,提出自然现象可通过观察与逻辑解释。亚历山大图书馆馆长埃拉托色尼通过日影、月全食、半月相、日全食等手段依次测量出地球半径、月球半径、地月距离、日地距离、太阳半径。他的想象推理和测量过程如下:
- 测量地球周长:假设地球为完美圆形,在夏至日正午时分,在相距5000希腊里的两个地点测量立杆影子的角度:埃及南部城市阿斯旺(直射:0度)与北方城市亚历山大城(
7.2
度),可知地球周长的1/50=7.2/360
为近似5000
希腊里,地球半径可得。 - 测量月球半径:观察月全食时,月球在地球影子(为圆柱形)中隐没与完整穿行的时长比,可得出地球直径大约是月球直径四倍的比例,于是月球半径可得。
- 测量地月距离:伸出拇指指尖使其刚刚能遮住满月的月亮,这样眼睛、拇指指尖与月亮构成相似三角形,于是地月距离可得。
- 测量日地距离:半弦月(月相半圆)时,太阳、月球和地球形成一个直角三角形,通过测量地月连线与日地连线夹角(约87度),于是日地距离可得。
- 测量太阳半径:日全食时,月球刚好遮住太阳,这样眼睛、月球与太阳构成相似三角形,太阳的半径与月球半径的比例,等于日地距离与地月距离的比例。于是太阳半径可得。
在这些测量过程中埃拉托色尼只用到了简单的几何运算,这充分证明了强大好奇心结合科学方法的巨大威力。
古希腊天文学家阿里斯塔克斯首次提出日心说,却因当时缺乏实证沉寂千年。古罗马天文学家托勒密的地心模型凭借复杂(均论+本轮)但实用的预测能力,成为中世纪天文学圭臬。16世纪,哥白尼在《天球运行论》中复兴日心说(小缺陷:认为行星轨道为完美圆形),但因预测精度不足(还没有认识到引力)未被重视。第谷·布拉赫的精密观测数据经开普勒分析,揭示行星轨道实为椭圆,修正了日心说的核心假设。伽利略则通过望远镜发现木星卫星与金星相位,为日心说提供了直观证据。尽管教会压制,科学革命的浪潮已不可阻挡。