宇宙探索的四大时代

上周，发现715颗行星绕其他恒星运行的发现，不仅仅是一项了不起的天文侦探工作。它也大胆地证实了我们已经进入了一个宇宙探索的新时代。麻省理工学院的Sara Seager是寻找另一个地球的科学家之一，她在最近的一次采访中深情地表达了这一观点：“对于系外行星，我认为我们就像克里斯托弗·哥伦布那一代人。我们正在留下我们这一代人以及我们社会的遗产。”

通常，当我们身处一场革命之中时很难识别它，但这正是我认为正在发生的事情。正如Seager所说，当未来几代人回首往事时，我认为他们会将这个时代视为第四个伟大的探索时代，可以与……好吧，让我们回顾并看看前三个伟大的探索时代作为参考。

第一时代：无垠空间的发现。当伽利略·伽利莱于1609年将他的望远镜转向天空时，他看到了一个比任何人想象的都要混乱和复杂得多的宇宙。他观察到太阳上的黑子和月球上的陨石坑。他还著名地给了古老的亚里士多德关于一切都围绕地球运转的学说致命一击。伽利略看到金星有像月球一样的相位，这只有当它绕太阳而不是地球运行时才有可能。同样重要的是，他观察到四颗“恒星”围绕木星旋转（我们现在知道它们是伽利略卫星：艾奥、欧罗巴、盖尼米德和卡利斯托）。地球不仅不是宇宙的中心，甚至在拥有围绕它运行的次级天体方面，地球也不是独一无二的。

如果你熟悉天文学史，你可能知道大体的轮廓。但伽利略还有另一个更深远的遗产。当他观察到银河系朦胧的光芒时，他将其解析为无数微弱的恒星。他将地球从宇宙中心移除，使一切都动了起来。

将这两点结合起来，伽利略最终彻底摧毁了亚里士多德宇宙论的另一个方面：即宇宙是有限的、整洁的和有边界的，恒星嵌入最外层的壳层中的想法。伽利略的发现引入了无垠的、可能无限的空间的概念。它为艾萨克·牛顿的万有引力理论提供了空间，并引入了无限探索天文学的可能性。

第二时代：将天堂带到地球。每个人都知道伽利略的名字。第二个伟大的变革是由两位不太为人知的科学家带来的：罗伯特·本生和古斯塔夫·基尔霍夫。今天的学生主要从高中和大学实验室广泛使用的本生灯中认识本生的名字。这对一个为扩展人类智力范围做出如此多贡献的人来说，是一个极其谦逊的纪念。

本生和基尔霍夫在19世纪50年代共同确立了光谱学的原理。他们表明，每种化学元素在发射或吸收光的方式上都有独特的“指纹”。将遥远物体的光线通过棱镜，将其分解成彩虹，寻找特征性的吸收线图案，你就可以知道该物体是由什么组成的。1835年，著名的法国哲学家奥古斯特·孔德写道：“我们能力所及的所有物理、化学、生理学和社会学研究，在关于行星的研究中都是不可能的。”不到30年后，本生和基尔霍夫证明他是完全错误的。

光谱学是一种有些晦涩的工具，但其重要性绝非神秘。它证明了宇宙的其余部分与我们是由相同的原子组成的。它使得天文学家能够测量太空中任何明亮物体的组成，无论是在我们的太阳系内还是在可见宇宙的边缘。还有一个爆炸性的推论：如果一个物体相对于我们运动，那么这种运动会改变其光谱线的外观。这种变化使得推断恒星的自转、看不见行星的引力、星系的运动，甚至宇宙的膨胀成为可能。这就引出了

第三时代：宇宙的发现。埃德温·鲍威尔·哈勃（无亲戚关系！）并非独自一人发现了我们银河系之外的宇宙，但他确实取得了关键性的突破。直到20世纪20年代，没有人确定其他星系是否存在。天文学家知道天空中有一些有趣的螺旋状和模糊的光团，许多人猜测这些有趣的模糊就是我们这样的其他星系。但许多人认为“旋涡星云”是银河系内的气体云，而我们的银河系是孤独的——我们的银河系就是宇宙本身。

1923年底，哈勃在当时被称为仙女座星云的地方发现了一种特殊的恒星，称为造父变星。这颗恒星的变化模式使哈勃能够推算出它的距离，并证明它及其周围的“星云”远远超出了银河系的边缘。一夜之间，仙女座星云变成了仙女座星系，而我们的家园星系则成了众多星系中的一个。

仅仅6年后，哈勃测量了这些其他星系的运动，并发现它们正系统地远离我们，其速度与距离成正比。这就是宇宙膨胀的发现，它导致了“大爆炸”、星系演化、暗能量以及现代宇宙学所有其他惊人的概念。我仍然觉得令人难以置信的是，不到一个世纪前，没有人知道其他星系是否存在。当你退后一步审视时，天文学发现的速度确实令人震惊。

第四时代：无尽世界的发现。这带来了我们当前的时代，即围绕其他恒星的行星的发现。这是一种与前几种不同的突破。从某种意义上说，它更小，因为它不根本性地改变我们宇宙认知的尺度。但从另一种意义上说，它更伟大，因为它是在这四次天文学革命中最具个人色彩的一次。

如果宇宙中其他地方存在生命，它几乎肯定栖息在行星表面。那些是宇宙中的安全避风港；那些是复杂化学反应可能发生的地方，是生命可能扎根的地方，是在至少一个实例中，无机分子可能聚集在一起创造出意识、智力和激情的地方。正如伽利略为我们带来了其他恒星，哈勃为我们带来了其他星系一样，像Seager、Geoff Marcy和Bill Borucki这样的人正在为我们带来其他世界。而且，正如以前发生过很多次一样，发现的速度很难想象，除非你退后几步。直到1992年，天文学家才知道一颗系外行星——一颗都没有。所有想法，所有讨论，都活在猜测和科幻小说的领域。现在我们有包含数千颗行星的图表。正如以前发生过很多次一样，科学家们发现他们的想象力与大自然的创造力相比略显逊色。那里的世界的多样性比任何人设想的都要丰富得多。如果我们发现外星生命，它也可能出乎意料。现在，我们终于稳步走在发现的道路上了。

直到1992年，天文学家们才知道一颗系外行星——一颗都没有。所有想法，所有讨论，都活在猜测和科幻小说的领域。现在我们有包含数千颗行星的图表。正如以前发生过很多次一样，科学家们发现他们的想象力与大自然的创造力相比略显逊色。那里的世界的多样性比任何人设想的都要丰富得多。如果我们发现外星生命，它也可能出乎意料。现在，我们终于稳步走在发现的道路上了。

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