人类认识宇宙的两次飞跃

　　在这一节里我们将简单地回顾一下天文学的发展历史。恩格斯在《自然辩证法》中指出：“首先是天文学──单单为了定季节，游牧民族和农业民族就绝对需要它。”古代的天文学家测量太阳、 月亮、 星星在天空的位置，研究它们的位置随着时间变化的规律、从而为农，牧业生产的需要确立了时间、节气和历法。这就是说，是他们最初创建了天体测量学，认识到天体运行的规律性，把它应用到时间服务和历书编算（也就是所谓的“授时”和“编历”）上。千百年来，天体测量学通过授时和编历为生产斗争服务，而生产斗争的发展又不断地促进了天体测量学的发展。 
　　早在十六世纪以前，中国的天象观测已达到非常精确的程度。中国古代天文学家，如落下闳、张衡、祖冲之（见祖冲之父子）、一行、郭守敬等，设计制造出精巧的观测仪器，通过恒星观测，以定岁时，上百次地改进历法。在西方，古代天文学家倾注很大力量，研究行星在星空背景中的运动。他们年复一年，精益求精地测量行星的位置和分析行星运动的规律，终于导致了中世纪哥白尼日心学说的创立。这给当时的宗教势力以有力的打击，是历史上自然科学在捍卫唯物主义、反对唯心主义的斗争中取得的一次辉煌的胜利。 
　　日心学说的发展到十七世纪达到了高峰。牛顿把力学概念应用于行星运动的研究，发现和验证了万有引力定律和力学定律，并创立了天文学的一个新的分支──天体力学。天体力学的诞生，使天文学从单纯描述天体的几何关系，进入到研究天体之间相互作用的阶段。也就是说，从单纯研究天体运动的状况，进入到研究造成这些运动的原因。 
　　牛顿力学的发展给人类社会，特别是给生产斗争带来了革命性的影响；而奠定力学规律的最精确的“实验”，却是从观测太阳和行星的运动开始的。这是历史上最初把宇宙空间作为实验基地的一次巨大进展。 
　　古代的天文工作者日复一日、年复一年、孜孜不倦地探索行星运动的规律，也许他们并未意识到这种劳动会在阶级斗争和生产斗争中导致如此重大的结果。但是这个历史事实却告诉我们，无边无际的宇宙空间作为科学实验的基地，是人类认识自然、改造自然的一个极其重要的阵地。 
　　这一段历史，记载了那时的天文学家以极大的耐力(事实上，用了一、二千年的时间)不断地积累资料，补充资料，使得天文观测和分析的艺术达到了很高的水平，从而在一定程度上补救了天文学只能“被动”实验的缺陷，也就是单纯依靠观测的缺陷。而他们在当时的条件下选定了矛盾集中点的行星运动作为研究目标，收到了很大的效果。 
　　在牛顿以后的二百年中，我们还看到了天体力学的发展给应用数学以有力的推动。从微积分到现在的数学物理方法，已成为现代科学中必不可少的工具。 
　　天体之间的引力作用虽然说明了许多天文现象（地球运动、潮汐现象、太阳系天体乃至星团、星系动力学现象），却不足以阐明天体的本质。十九世纪中叶以来，物理学的重大发展把天文学推进到一个新的阶段。以测定天体亮度和分析天体光谱为起点的天体物理学成为天文学科的一个新的生长点。十九世纪末到二十世纪初，量子论、 相对论、 原子核物理学和高能物理学的创立，给了天文学以新的理论工具。研究天体的化学组成、物理性质、运动状态和演化规律，使人类对天体的认识深入到问题的本质。天体物理学带来的第一个成就，是天文学家从此可以有根有据地谈论天体的演化。 
　　天体物理学的诞生标志着现代天文学的起点。天文观测也在这时进入到一个新的阶段。回顾十七世纪以前，天文工作者在漫长的年代里只是靠肉眼来观测天象，能看到的星星不过六、七千颗。十七世纪，伽利略首创的天文望远镜，使人类的眼界忽然大大开阔。随着光学技术的发展(其中相当一部分是出于天文学家本身的努力)，望远镜的口径愈来愈大，人类的视野从我们周围的太阳系，从太阳系所在的、由数以千亿计的恒星和星云组成的银河系，扩大到银河系以外广袤无垠的空间。目前竭各种望远镜“视力”所及，有数以十亿计的河外星系呈现在我们眼前。这些种类繁多、 结构复杂、 内容丰富、而大部分是非常遥远而暗弱的天文对象，需要有很大的望远镜来进行观测，特别是分光观测。二十世纪初以来，直径2米直到5～6米的大型光学望远镜的发展,尤其重要的是近三、四十年来射电天文学和空间天文学的相继诞生,使天文观测手段不但具有空前的探测能力和精度,而且使天文观测的领域扩展到了整个电磁波段。这就是说，除了肉眼可以看见的光波以外，天体的紫外、红外、无线电、X射线、γ射线的现象也都能尽收眼底。十分明显，我们的时代正在经历着天文学的一次新的巨大飞跃。 
　　观测手段的飞跃使天体物理学进入空前活跃的阶段。如果说天体物理学在它诞生之初就对物理学作出某些贡献，如从太阳光谱中发现了化学元素氦，对星云谱线的分析提供了原子禁线理论的线索，对太阳和恒星内部结构的研究获得了热核聚变的概念(见恒星内部结构理论)，从恒星演化的理论引伸出元素综合的假说（见元素合成理论），那么，在最近十几年来天文学上接连发现的新现象,可以说给物理学科,包括天体物理学和其他物理学科分支以一连串的冲击。像红外源、分子源、天体微波激射源的发现对恒星形成的研究提供了重要的线索；脉冲星、X射线源（见X射线天文学）、γ射线源（见γ射线天文学）的测定,则推动了恒星各阶段演化的研究;星际分子的发现，吸引了生物学界和化学界的注意；类星体、射电星系和星系核活动等高能现象的发现，对已知的物理学规律提出了尖锐的挑战；结合各种类型星系观测资料的积累和分析，星系演化和大尺度宇宙学的观测研究也已经提到日程上来。从近处看，人们最熟悉的太阳，由表及里都有一些意外的发现，如太阳内部“核工厂”中的“中微子失踪案”,太阳表面层现象的脉动,日冕上出现的冕洞，都向太阳物理学和物理学提出了新的课题；自从人造卫星上天以来，日地空间物理学已经取得了大量的新结果;宇宙飞船远访行星,以及在月球、火星、金星上的着陆考察，使太阳系的构成和演化的研究展现出崭新的局面。 
　　这一切，标志着天文学史上一次新的巨大飞跃带来的成果，人们对于把广阔无边的宇宙空间作为科学实验基地有了更深的印象和更大的信心。人们看到，这个基地有地面实验室难以模拟的物理条件：像星际空间中每立方厘米不到一个原子的高度真空，像中子星内部每立方厘米包含着10亿吨物质的高密度，像脉冲星表面上强达一万亿高斯的磁场，像一些恒星内部和一些恒星爆发时产生的超过100亿度的高温,像一些星系和星系核抛射物质所具有的极高速度──接近于光速、有的看起来甚至大于光速好几倍的速度，……宇宙空间中诸如此类的表演，绝不仅是地面的物理学、力学、化学乃至生物实验室的简单补充。事实上，人们意识到在这里交织着宏观世界和微观世界研究的前沿，可能正酝酿着人类认识自然的一次新的突破，而这个势头目前还在增长。光学、射电和空间观测手段的发展，给予天文学、物理学以及其他学科的冲击，将反过来促进天文观测技术的迅速发展,从而再导致更多的新发现。在这样的背景下,当前的天文学领域将日益集中天文学、力学、高能物理学、等离子体物理学、数学乃至化学的重大课题，成为富有生命力的多学科交叉点。 
　　在不远的将来,口径2米以上的光学望远镜将进入空间,而大气外的X射线、γ射线等观测技术也将趋于成熟。随着电子计算机、光学技术、 自动化技术的迅速发展，地面天文观测设备，包括射电天文、光学天文和红外天文的设备，将会产生下一代的巨大口径的望远镜组合系统，其检测暗弱信息和分辨微小细节的能力将达到空前的程度。天体演化学，宇宙学以及天体物理学其他分支学科的发展步伐将会继续加速，而一些重要的物理学领域，如高能物理学、核物理学、引力论、等离子体物理学等可能在天文研究中找到重要的突破口。 
　　不难看出，尽管今天人类对天文现象的认识远远超过三百年前，但是当前天文学的发展形势却同那时的大飞跃颇有相似之处。当时天文观测手段的巨大变革──用望远镜代替肉眼，发现了一系列以往梦想不到的天文现象；今天的变革──用射电望远镜和大气外观测手段把天文学的“视野”扩展到全部电磁波段，又一次带来以往难以预计的重大发现。当时，天体力学的诞生使天文学从单纯描述天体的几何现象进入研究天体之间的相互作用;而今天,天体物理学的发展则使天文学从单纯研究天体的机械运动进入探索它们的本质和演化规律。当时的大飞跃对人类社会所产生的深刻影响是众所熟知的，而今日天文学面临的大飞跃，正在迅速推进着人类对自然的认识，从而也必然会为人类改造自然创造十分有利的条件。 
　　这些惊人的发展，也给古老的天体测量学和天体力学带来新的推动力。人造天体的发射和应用，给天体力学带来了新的使命，促进了它在理论上和计算技术上的发展。在天体测量方面，由于射电天文、空间技术和激光技术的应用，通过对一些位置已知天体的观测，已能辨别出地面上微小到几厘米的变化，从而开创了天文学、地球物理学和大地测量学的交叉点天文地球动力学。 
　　当然，这样一个现代天文学的图景，只是整个现代科学技术的一幅特写。各门科学，特别是数学、物理学、无线电电子学和空间技术的发展，为天文学的发展创造了条件，而天文学的发展，也在持续地用它的成就来丰富其他学科的内容。