宇宙是什么？宇宙究竞有多大？

Lv.7顶夸克

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今天，如果你想知道宇宙究竞有多大，只要网上搜索一下就能得到一串数字，然后马上忘得一干二净。如果你真的要了解宇宙有多大，以及它实际上意味着什么，那么希望你能记住，我们对宇宙的了解，是在好几个世纪的时间里经过漫长的努力一步一步获得的。知道这一点会对你有帮助。每一步的努力，都让我们向宇宙的更深处看得更远一点。今天我们这么轻易就能得到答案，所以这听起来似乎有点不可思议，但从前的人们为了丈量宇宙却要付出生计甚至生命的代价。

在这个漫长的了解过程中，有两个阶段最大限度地揭示出了宇宙的浩瀚。这两个阶段都很重要，因为它们揭示了我们作为一个物种的秘密，以及我们在宇宙中探寻我们的位置的决心。

太阳离我们有多远，它有多大？

在古希腊神话中，太阳神赫利俄斯每天都用战车载着太阳穿越天空。赫利俄斯的小儿子法厄同有一次把战偷出来驾着去兜风。不过，你能猜到了，故事的结局并不太好。拉车的马失控了，法厄同连人带车一头从天上栽了下来，撒哈拉大沙漠成了一片焦土法厄同自己身上也着了火。为了拯救地球，天神宙斯不得不用一道闪电杀死了那个孩子。

当然，那时没有人知道我们与太阳的实际距离，也不知道太阳可能会有多大，是不是能搬上一辆战车。但是，也有一些人愿意为了知道这些付出生命的代价。

希腊天文学家和数学家欧多克索斯(Eudoxus)写道:“我宁愿像法厄同那样被烧死。如果这样就能让我触摸太阳，知道它的形状、大小，还有和我们的距离，我宁愿付出那样的代价。”14

过了两千多年，天文学家才有了找到答案的可能。1716年，我们已经知道了各大行星与太阳间的相对距离，比如，人们已经知道金星到太阳的距离大约是地球到太阳距离的四分之三，但还无法知道任一行星到太阳的实际距离。虽然太阳和行星每天庄严地穿越天空的仪式已被观测了几千年，但太阳系到底有多大，在那时候仍然是个谜。

在那一年，英国天文学家埃德蒙·哈雷(Edmond Halley)提出了一个大胆的计划，人们终于由此找到了答案。他的计划是用一种叫作 “视差”(parallax)的方法，这种方法到现在还在用。你可以通过一个简单的实验亲自体验一下什么是视差法。

请伸出手臂，大拇指朝上。用一只眼睛去看你的大拇指，另一只眼睛闭起来。现在闭上这只眼晴换另一只眼睛睁开，重复这个过程，交替睁开和闭上一只眼睛去观察。有没有发现，你的大拇指相对于背景中较远的物体发生了位移？

现在让大拇指离你的脸更近一点。再次尝试交替睁开和闭上一只眼睛观察。注意到了吗？这一次，大拇指位移的幅度更大了。原理是这样的:如果你从两个不同的位置观察同一个物体，它相对于远处背景的位置发生了位移。而所观察的物体离你越近，位移就越明显。假设你知道你双眼之间的距离，并且能够测量出你大拇指相对背景位移的距离是多少，那么就有可能知道从你的脸到拇指之间的距离是多少了。

哈雷的计划是从两个相距较远的观测地点来观测一个被称为“金星凌日”的天文现象。凌日现象是日食的一种，也就是从地球上来看，行星刚好运行到太阳的正前方。整个现象只会持续几个小时。哈雷的计划也要比你刚才所做的实验更复杂一点，因为金星和你的大拇指不一样，它在不停移动。因此，观测的时间也至关重要。这个计划还涉及记录确切的入凌和出凌时间(图1.1)。通过从地球上两个不同观测点来观察，就可以利用视差法确定地球到金星的距离，进而得出地球到太阳和到其他行星的距离。这样，最终将有可能确定整个太阳系的大小。

不过，这里有个不为人知的难题。从地球上观察金星凌日，一个世纪只有两次机会，这两次间隔八年，此后就要再等上一个世纪。'年迈的哈雷意识到，自己有生之年无法亲自观测了，因为下一组的两次金星凌日将从1761年开始。

“所以我建议，” 他写道，“一遍一遍地向那些好奇的天文学家们建议，(在我死后)他们会得到这样的观测机会。他们会记得我的告诫，并尽他们所能完成这项观测……到那个时候，对行星的轨道做出更精确的测算，可能会帮他们获得永恒的声名和荣誉。”

哈雷极力主张要在多个不同地点进行观测，因为任何一个地点的观测者都可能 “受到云的干扰而错失良机。我不知道这个时代或下个时代的人们是不是还有机会再见到这种天文现象，但要为这个最崇高的问题找到确定的答案和充分的依据，就全靠这个机会了”15。从相距尽可能远的两个地点进行观测，再综合不同的观测数据，这样得出的结果会更加准确。

在1761年和1769年的两次金星凌日时，许多天文学家前往了全世界各个地点，但我在这里只谈其中的3支远征观测队。那些观测队去的目的地，用今天的眼光来看都可称为度假胜地。其中一支队伍去了墨西哥下加利福尼亚半岛南部的圣何塞-德尔卡沃，另一支去印度的庞迪切里，第三支去了南太平洋的塔希提岛。

这样的旅行听起来是一次辉煌壮举。然而在18世纪，航海旅行常常相当于被判了死刑。旅行中可能遭遇各种危险，比如沉船、风暴、海盗、战舰、疾病和不太友善的土著，更别提还要在船上度过好几个月的艰苦生活了。

法国天文学家让·沙佩·达奥特罗什(Jeam Chappe d'Auteroche) 被法国科学院派往圣何塞-德尔卡沃。他曾希望能去南太平洋的观测点，但没能如愿。经过长达八个月艰苦卓绝的长途旅行，他和他的观测队到达了圣何塞，但却发现这个地方爆发了一场致命的流感，也可能是斑疹伤寒。很多居民已经被这种疾病夺去了生命。于是，他面临着生死抉择:留下就会冒着被感染致命疾病的风险，否则就要再找一个合适的观测地点，那样就要冒着无法及时建好观测站的风险。

要是你，你会怎么做？

无畏的达奥特罗什决定留下来。是的，他确实病倒了，但是在金星凌日出现的那一天，他从病床上爬起来完成了观测。“我知道我剩下的时间不多了，”他在日记本上写道，“但是我已经完成了我的目标，死而无憾了。”16年仅41岁的达奥特罗什离开了人世，事实上，和他一同被传染病夺去生命的还有两名西班牙海军天文学家，以及村子里四分之三的西班牙人和美洲土著居民。

在他的观测队中仅有两名队员幸存，其中一位是画家亚历山大-让·诺埃尔(Alexandre-Jean Noel),他画下了送葬队伍肃穆的仪式画面。在那个探险的时代里，摄影术还没有发明，画家对一支远征探险队的重要性不亚于科学家，因为他们能帮助记录新大陆上稀奇古怪的动植物和地形。

第二支探险队去了印度，他们的运气比第一支略好一点。法国天文学家让-巴蒂斯特·勒让蒂尔(Jean-Baptiste Le Gentil)原本打算在教堂里开始自己的职业生涯，但在听了一次激动人心的关于天文学的演讲后，转行成了一位科学家。1760年，不满40岁的他告别了家人和未婚妻，登上了一艘开往庞迪切里的法国军舰。经过几个月的海上航行，经受了狂风暴雨的洗礼，勒让蒂尔却得知英国人已经封锁并最终占领了庞迪切里港。由于无法上岸，他被迫在摇摇晃晃的舰船甲板上观测金星凌日，然而在甲板上他无法进行任何有价值的观测。

难以置信的是，勒让蒂尔毅然决定在这个地方再等上八年，观测下一次也就是1769年的金量凌日。毕竞，在

途中，他曾勇敢地战胜了风暴和战舰，因此他决心要完成自己崇高的使命。

多年过去了，终于等到了第二次金星凌日。在凌日之前的几个月里，庞迪切里一直风和日丽。期盼已久的金星凌日的日子到了。当天凌晨两点，勒让蒂尔醒了，从床上起来。“我看到了世界上最今人震惊的事，”他写道，“ 整个天空被云层遮得严严实实……我从祖国把自己流放了，结果却只能观看这些要命的云。它们偏偏就在我要进行观测的节骨眼上，恰好遮在太阳前面，从我手里夺走了所有努力的成果。”1

勒让蒂尔返回法国时，离他出发已经过去了11年，但还有更坏的消息在等着他。他的家人都以为他已经在远征中丧生，所以分割了他的财产。他的未婚妻也已经嫁作人妇。两个世纪以后，加拿大剧作家莫林·亨特(Maureen Hunter)根据他的故事写了一部戏剧《金星凌日》(Transit of Venus),还有人写了一部同名歌剧。

英国天文学家查尔斯·格林(Charles Green) 关于地球和太阳距离的探险则更引人注目。1768年，他乘坐一艘名为“奋进号” 的轮船前往塔希提岛，船长是年轻的詹姆斯·库克(James Cook)。这位库克船长此前还从未做过这样的长途航行。此次远征考察的部分经费来自英国皇家海军和皇家学会，其目标非常明确，就是去南太平洋观测金星凌日。

船上同行的还有一位年轻企业家，叫约瑟夫·班克斯(Joseph Banks)。班克斯是一位富有地主的儿子，年纪轻轻就继承了父亲的财产。他没有待在家里享受锦衣玉食的生活，而是花钱雇了老师来教自己学习各种科学，特别是植物学。他自己组建了一支有8名助手的探险队参加远征，还自掏腰包一万英镑装备远征队–这笔钱大概能买下四艘 “奋进号”。当“奋进号”于1768年8月起航时班克斯在日记中写道:“我们起航离开了欧洲，只有老天知道要多久才能到达目的地，也许是永远无法到达。”18

因为曾经有过意义非凡的观测，塔希提岛上的金星观测站现在已经成了著名的景点。尽管凌日之前的那几天天气恶劣，但让格林喜出望外的是，凌日当天的天空无比晴朗，阳光灿烂，没有一丝云彩。据远征队的一名队员记述，格林和库克船长的观测“除了让人无法忍受的酷热之外，没有遇到一丝一毫的阻碍；排在大钟旁边的温度计也和我们一样在太阳下暴晒，读数一度高达48摄氏度”19。

库克船长的发现之旅使他成为有史以来最伟大的探险家之一。几个世纪后，驾驶“进取号”宇宙飞船的科幻英雄詹姆斯·科克(James Kirk)船长就是以他为原型创作的。

“奋进号”起航时，班克斯只有25岁。返航时，他甚至受到了比库克还要高的礼遇。他的名字成了植物学的代名词。现在在你花园里或窗台上的植物，如木兰花、绣球花和倒挂金钟，很可能是班克斯及其团队从多次探险中带回的标.本的后代。班克斯成了国王乔治三世的顾问，打造了举世闻名的英国皇家植物园。他还担任皇家学会会长长达41年之久。

不过，格林就没有那么幸运了。他不幸在旅途中去世，再也没有看到自己的家乡，年仅35岁。和他一同殒命的还有两位画家和近一半的船员。原因是他们的船曾在现在印度尼西亚的雅加达停靠，之后许多人都染上了痢疾和疟疾。格林的观测记录和科学笔记曾被批评杂乱无章，但是，关于金星凌日的六百篇科学论文中，只有五个观测队伍的结果，被选定为最终计算地球到太阳距离的依据，而格林的观测记录就是其中之一。其中有一份观测记录是达奥特罗什的。

这些年轻科学家拿自己的生命冒险，甚至付出了生命，这些付出对后代产生影响了吗？这是毫无疑问的，原因有很多，这里只列三个。第一，他们的发现揭示了太阳系一这个我们在宇宙中的后院-是多么宏伟浩瀚。我们已经知道，太阳不仅仅是从天上射下的炫目阳光，它本身极其庞大，足以吞下100万颗地球。太阳极其遥远，距离地球1.5亿公里，一架喷气式客机需要花上17年才能到达太阳。而且在所有恒星中，太阳不过是其中离我们最近的那一颗而已。

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第二，他们的发现成为衡量太阳系之外宇宙的尺度。让我们得以确定地球与附近恒星的距离，然后是银河系的大小，最后是可观测到的宇宙的大小。

但最重要的是，这些探险家向我们展示了“需要发现”意味着什么:这个我们身在其中的、创造了我们的宇宙，你到底是谁，你到底是什么？探险家们体现了科学发现的精神，他们向我们展示了，作为一个物种，我们愿意付出多大代价来满足一种绝非闲来无事的好奇心。这些努力是向宇宙发出的一个声明–我们是重要的，而且我们关心宇宙。这些欧洲探险家所去的地方也许并不是新大陆也并非人迹罕至，但是他们把全人类带到了一个新的思维领域。