銀河系大定位

導讀一 自我校正的學術─科學
導讀二 天問

作者序 走出科學史的迷宮

第一部 空間

第一章 星空下的沉思
第二章 宇宙到底有多大？
第三章 地球大發現
第四章 太陽底下有新鮮事
第五章 伽利略的「罪」與罰
第六章 蘋果樹下的靈感
第七章 恆星離我們有多遠？
第八章 衝出太陽系
第九章 如小鳥般的宇宙
第十章 愛因斯坦的天空
第十一章 擴張中的宇宙

第二部 時間

第十二章 化石會說話
第十三章 地球到底有多老？
第十四章 原子與恆星的生老病死

第三部 宇宙創生

第十五章 量子春秋
第十六章 對稱之美與不美
第十七章 創世紀
第十八章 宇宙從哪裡來？
第十九章 尋找外星生命
第二十章 我思，故宇宙在

附錄一 發現宇宙大事紀
附錄二 名詞解釋

導讀

天問

　　之前曾拜讀過費瑞斯其他的書，預料這本書亦然精彩可期，但閱讀本書還是驚豔連連，不忍釋手。真理的美固然讓人心神讚嘆，而循著歷史脈絡體會追尋真理峰迴路轉的過程，更為引人入勝。

　　當走出戶外，眼簾入映天地各半，然而從小到大我們學習歷史、地理、地質、環境，對於「地」以及地上的生物、人類、社會有了基本認識，但是對另外一半「天」呢──天有多高？從何處來？目前狀態為何？將來會是何等模樣？我們在這天地之中又扮演了甚麼樣的角色──我們的瞭解有多少？

　　研究「天」(即宇宙)的歷史、地理，以及天體生老病死的來龍去脈，屬於「天文學」範疇。中文對「宇宙」有很好的詮釋，就是「上下四方、古往今來」，換言之，東西佔了空間，這些東西彼此之間，以及與能量之間產生交互作用，因此有了「因果關係」，而因果關係就是時間的順序。目前我們知道宇宙大約誕生於一百三十幾億年前，直到現在仍處於膨脹狀態。乍聽之下這不過就是個龐大的數字，比較起來，地球在約四十六億年前形成，顯然年輕得多，差不多只有宇宙年齡的三分之一。但仔細思量一番就不免疑點重重，倒還不是數字多寡，而是原該萬古如斯的天地，怎麼居然有年齡與大小呢？我們直覺會問，要是宇宙有個起點，大小有限，那麼宇宙開始之前是什麼？宇宙外面又是什麼呢？

　　會有這些疑問並不稀奇，畢竟人類天生具有好奇心，類似這樣的問題不知問過多少次了。真正了不起的事情，是人類文明發展至今，這些「大哉問」居然逐漸開始有了答案！本書反映的正是這一段人類從蒙昧到理解的漫長探索。我們看到隨著天文觀測以及宇宙學的躍進，結果之一是不斷摘除人類的宇宙后冠，使得人類在宇宙中的地位越來越普通。我們現在知道地球不是宇宙的中心，而是繞著太陽運行；太陽也不是宇宙中心，而只是銀河系中幾千億顆恆星之一。而宇宙包含了至少億萬個星系，銀河系不過是其中一個罷了。從化學的角度來說，生命體的主要成分是結構簡單、宇宙中到處都有的氫、氧、碳、氮等普通元素。換句話說，我們最珍惜的生命，居然不是用最珍貴的元素製造的。宇宙其他角落要產生生命，起碼在材料方面不虞匱乏，關鍵在於環境是否能讓生命產生後繼續演化，進而發展出文明。人類現在前往太陽系其他天體尋找生命跡象，像是火星或者木星的衛星歐羅巴等，都是因為基於我們對生命（自己）的瞭解，認為它們的環境可能適合生命發展。如果在不同環境之中生命容易產生，那麼我們找到生命的機會就大，又若生命多能演化成高等文明，我們就非常有可能和他們接觸；反之要是生命出現的機率低，那麼以宇宙有限的年齡，或許就無法處處生機，而在茫茫宇宙中，我們可能就不容易接觸彼此。至於有多少機會找到地球以外的生命，仍是科學家努力回答的問題。想想科學家尋找宇宙生命所基於的信念，居然不是因為我們特殊，反是因為我們普通，這真是有趣。

　　非常喜歡本書前半部有關科學家的軼聞趣事、與文明思想演進的過程。原來伽利略是個沽名好譽的傢伙、牛頓才氣縱橫但性情孤僻、之前就納悶為何 Copernicus 中文翻譯成「哥白尼」，看了書才知道原來他改名，取了這個拉丁名字。第五章注釋提到巴杜亞大學實驗人員違反規定，偷偷解剖屍體，於是當上級來訪查，師生便拿出合乎規定的書本上課。不禁讓我聯想到小時候督學來時，全校藏參考書的景象。這些讀起來都趣味盎然。

　　一本書的序言通常都是全文完成之後才寫就的，因此讀完某書，應該把序言再看一次，有時更能體會全書旨趣。例如費瑞斯在序言擺明這本書壓縮歷史，因此對於某個學說無法上窮碧落。的確如此，我們看到某個學說或概念經歷柳暗花明之後，往往容易產生錯覺，以為事情的發展理當如此，而直覺感嘆「真理必須簡單」，或許因為簡單的東西才容易看出美麗。這當然是因為對某樣事情瞭解透徹後，方能在描述時游刃有餘，得以簡潔的方式展現真理的美感。

　　亞理士多德利用多重透明天球來描述天體運行，現在看來不但缺乏道理，而且複雜得毫無美感。克卜勒歸納出行星運動定律，雖然他不知道原理，但規則簡單多了。牛頓發現蘋果落地與月球和地球互繞是一樣的萬有引力，「一以貫之」讓事情更簡單。一般人微積分學得焦頭爛額，卻只是牛頓為了自己研究需要，而發明出來的一套數學工具。對於這樣的天才我們能說什麼呢？他們不僅從簡單中看到美麗，而是有能力把複雜的東西簡單化。

　　牛頓用「力」的觀念來解釋「物體互相吸引」的現象。愛因斯坦則從完全不同的角度來解釋，提出「物質使空間彎曲」的概念，就如同平整的床單被大石頭下壓後變形，這時候旁邊跑過的小石頭會順著彎曲的床單「順勢」滑向大石頭。這原是牛頓說的「萬有引力」，但是愛因斯坦用不同的說法解釋同樣的現象，給我們的啟發是大自然循著一定的因果關係存在，而非根據某些特定學說運行。

　　大約三、四十年前，天文學家觀察星系旋轉，發現有些物質不發光，但是我們知道它們存在，因為它們的萬有引力影響了會發光天體（像是恆星、雲氣等）繞行星系旋轉的運動狀態，科學家截至目前為止仍不清楚這些物質的性質，而稱之為「暗物質」。二十世紀初人類尚不知銀河系究竟就是整個宇宙，還是有別的星系存在，有如汪洋大海中的島嶼一般。但是到了一九二○、三○年代，天文學家不但已經對天體有了認識，還推論出宇宙正在膨脹。到了世紀末，也就是這本書出版以後，甚至進一步觀測到目前宇宙膨脹的速度居然比以前快，也就是「宇宙在加速膨脹」！這可是不得了的發現，因為天體相互之間的引力應該只會把彼此拉慢，怎麼會越膨脹越快呢？科學家假想一股充斥在空間中的排斥能量，稱為「暗能量」，有個「暗」字表示完全不知道是什麼東西。天文學家目前所知宇宙的「東西」當中，近四分之一是「暗物質」，其他約四分之三是「暗能量」，而「一般物質」，像是桌椅、汽車、太陽、月亮、星系等，則佔了不到百分之一，也就是說宇宙根本不是我們所看到的樣子，太空中絕大部分的東西，迄今為止，我們目前完全不知道是什麼東西！天文學發展了千百年這一下好似又回到了「黑暗時代」。

　　本書越到後面章節所描述的，皆越發如此，不再「簡單而美麗」。這是因為精確的觀測資料越來越多，回答了部分問題，也引出更多問題。新的研究結果以目不暇給的速度出爐，諸如「量子真空」、「超弦理論」等有如科幻的名詞，聽起來就令人敬畏，不但一般人不懂，連天文學家都不能假裝懂。我們身在此山中，活在尚未壓縮的歷史當中，當然見樹不見林。有了這樣的體會，格外讓人引頸期待下一批把這些複雜觀念簡單化的人物。

　　像這樣的書極為難寫，不僅歷史考證必須嚴謹，而且還得鋪陳得生動有趣。人類文明的科學發展與時增進，對於宇宙天體的認識尤其日新月異。過去幾百年我們的宇宙視野從地球、太陽系、銀河系，現在直達知識的極限，而極限之外──宇宙之前、之外又是什麼？我們的存在有目的嗎？──卻仍是哲學或神學的範疇。面對大自然我們當然謙卑，因為知識讓我們讚嘆宇宙「非常」大，可人類有史以來就有這樣的讚嘆了，我們到底比古人高明了多少？另方面人類已經有能力離開地球娘胎，走向太空，能夠活到百歲，在舒服的燈光下翻讀好書，這就是文明。無論我們如何添加，知識的瓶壺永遠半滿，因為瓶壺越來越大。

　　最後，我要推崇本書的中文翻譯，對於眾多的科學名詞、概念、人物，無論乃已約定俗成的譯名，或是必須自行斟酌新譯，這本書的編譯都堪稱佳作。

陳文屏(中央大學天文所、物理系教授)

誌謝

　　本書撰寫時間從一九七六年至一九八八年，前後歷經十二個寒暑，地點遍及紐約、洛杉磯和舊金山。不用說，在這段漫長的時間當中，我不知欠下多少難以償還的人情債。許多人給予我的協助和指教，我都銘記在心，並在此向他們致上我最深的謝意。

　　我也要特別感謝家母珍蓓兒（Jean Baird Ferris），她經常與我交換意見，不斷鼓勵我，並為我搜集各種資料；從我小時候開始，她就教導我愛書、愛讀書。

　　最後，我要向我太太和家人致最誠摯的謝意，在不眠不休撰寫本書的這幾年裡，他們一直以愛心和耐心包容我。

作者序

走出科學史的迷宮

　　當歷史迷惑人相信歷史在說謊，
　　吾人常忍不住嘆息！

　　──愛爾蘭詩人，莫爾(Thomas Moore, 1779-1852)

　　本書主要是講述，人類如何以科學方法估算出目前所知的宇宙空間和時間尺度。這個題目很大，不消說，本書仍有許多不足之處，而我在此僅就書寫簡潔所造成的疏漏做一些辯解。我一向服膺古希臘詩人卡利馬科斯（Callimachus, 305-240 B.C.）的名言：「大書即大惡。」下筆儘量簡短，然簡短必須付出某些代價。

　　簡短除了造成諸多罪孽之外，也在無意之中壓縮了歷史觀，使得歷史的發展軌跡看起來比實際狀況更連貫、更有方向感。其實，科學的歷史像一座迷宮，大多數路徑都走進了死胡同，而且途中滿佈著犯錯和誤解的瓦礫。但本書在這方面著墨甚少，而將重心放在那些後經證明為最突出的觀念和觀測結果。因為一本書若只大談科學所犯的錯誤，將乏味得叫人難以下嚥；這種書讀起來就像在一大堆偵探小說中只有一兩個案子有令人滿意的解答，其餘的不是探長在抓到罪犯之前就換了個身分，就是某個不相干的管家莫名其妙地被車壓死。

　　同樣的，在細述科學觀念的長期發展時，人們也常誇大某些人物的角色，例如將馬克士威（James Clerk Maxwell, 1831-1879）說成統一場論之父，將夫朗荷發（Joseph von Fraunhofer, 1787-1826）說成天文物理學的鼻祖，或者將愛因斯坦說成宇宙擴張論的先驅，然而這些都只是無稽之談。雖說歷史不斷往前推進，但唯有經過事後的回顧，我們才能理解事件的前因後果；當然，我們總是以自己的眼光來評斷先人。

　　簡短也意味著簡化。本書係為一般讀者撰寫，因此儘量避免使用數學和難懂的科學術語，所以有時難免會扭曲原意。若有扭曲原意或詞不達意之處，責任自然在我；不過，有一大部分是彼此觀點不同所致：例如對於相對論、量子力學和宇宙學等，業餘觀測者和實地從事相關研究的科學家之間就有不同的解讀；就如同乘郵輪橫渡大西洋時，甲板上的乘客跟鍋爐室裡的伙夫感受一定不同。

　　如果前人的智慧遺產與詮釋有曖昧不明或可爭議之處，我也秉持相同的態度。科學史本來就充滿許多爭議；例如，伽利略為何受到羅馬天主教會的迫害，或者愛因斯坦在撰寫狹義相對論時是否已經獲悉邁克生（Albert Michelson, 1852-1931）及莫立（Edward Morley, 1838-1923）的實驗結果等等。當我懷著戒慎恐懼的態度走過一道又一道的爭議地雷之後，不得不佩服那些信口開河的學者們。除非能找出令人信服的觀點，否則他們講得再怎麼言之鑿鑿，終究還是歪理。我的辯解就到此為止，總而言之，簡短原則不容人違逆。