哥白尼原则之争

2019-02-12 - 哥白尼

哥白尼原则是由数学家兼天文学家邦迪(Hermann Bondi,1919-2005)在20世纪中期提出来的一种哲学陈述:在宇宙间,地球并不处于中心的优越地位,人类也不具有一个特殊观测者的身份。这个概念后来被进一步扩展为在宇宙间没有一个观测者占有特别的位置。

哥白尼原则

哥白尼原则这个名词虽然在六十多年前才开始使用,但其思想早在哥白尼于1543年发表日心说(地球围绕太阳运行,而不是太阳围绕地球运行)的时候就已经诞生了,而且自那时起就一直是天文学和宇宙学的一条重要指导原则。

哥白尼原则

哥白尼的日心说把地球的地位从宇宙的中心降为太阳系中的一颗普通行星,伽利略的望远镜又进一步发现太阳也不过是银河系里数不胜数的恒星中的普通一员。

挑战哥白尼原则

对哥白尼原则的质疑和挑战也从来没有停止过。且不说来自宗教方面的强力抵制,单在科学方面它也遭遇过一次又一次的冲击。在20世纪初,著名荷兰天文学家卡普坦( Jacobus Kapteyn,18 51-19 22)根据当时所掌握的天文观测结果,推论出太阳系位于银河系的中心,而银河系则是孤悬于宇宙中的一个“宇宙岛”。

哥白尼原则

这就赋予了太阳系一个特殊地位,以致很多人都以为哥白尼原则从此被打破了。然而,仅仅十几年之后,大量新的观测结果就显示出太阳系不但不在银河系的中心,而且像银河系这样的星系在宇宙中比比皆是。

哥白尼原则

另一次对哥白尼原则的严峻挑战也发生在1900年左右。当时流行的一种关于行星形成的理论认为,只有在另一颗恒星曾经非常接近太阳的情况下,围绕太阳运行的行星才有可能生成。尽管宇宙中类似于太阳的恒星多如牛毛,但由于两颗恒星非常接近的概率极低,因此伴有行星的恒星可能只太阳系一家,也就是说太阳系具有其独特的地位。

要想推翻这一理论,就必须找到太阳系外的行星。这可比否定前面提到的卡普坦理论难得多了。虽然科学界多年来一直普遍相信应该存在有太阳系外行星,但相信与证实之间是有一条巨大鸿沟的。

这主要是因为天文望远镜的分辨率有它的极限。分辨率就像尺子上的刻度,我们无法拿尺子去量一个比其刻度小很多的东西。如果用d表示某个行星与它所围绕运行的恒星之间的距离,用R表示该恒星到地球的距离,要想在天文望远镜里将这个行星与对应的恒星区分开来,望远镜必须大体上能分辨到d/R(以弧度角为单位)的精度。

以地球到太阳的距离作为d的估计值,即使是离地球最近的恒星(太阳除外)其d/R的数值也只有大约0.

000004。再加上恒星很亮而行星要暗得多,这就使直接“看”到太阳系以外的行星极为困难。证实在太阳系之外存在行星,是最近十几年的事(首例是在1 992年)。它们中的绝大部分是靠观测恒星的运动或亮度变化而推断出来的。真正能“看”到的太阳系外行星只有屈指可数的几颗。

到目前为止,已经观测到了五百五十多颗太阳系外行星。毋庸置疑,今后被观测到的太阳系外行星的数量还会以更快的速度增加(据估计,光是我们所在的银河系里就有大约500亿颗行星)。人们现在最感兴趣的已经不是找到多少行星,而是寻找具备生物生存条件的行星。

最近,法国科学家利用极复杂的计算机模拟方法,论证了距地球20光年的Gliese 581d(围绕恒星Gliese 581运行的一颗行星)具有潜在的可居住性。它的轨道离Gliese 581不远不近,拥有大气层,表面温度可允许液态水存在。

这些都是能够产生和维持生命的有利条件。当然,这仅仅是推断。以现有的技术,要想直接知道太阳系外行星上的确切状况,是完全不可能的。主要原因之一是行星围绕运行的恒星所发的光太亮。

所以有些科学家建议用火箭及一种尚属保密的技术,将一块足球场大小的“遮阳板”放到太空里去。利用这块“遮阳板”挡住来自恒星的光,就有可能直接观察到行星表面上的情况(比如是否有山川、河流)以及分析大气层的成分和构成该行星的物质。不过这项计划是否真能付诸实施尚在未定之天,主要是经费问题,少说也得十几亿美元。

寻找地球外的生命

虽然已经证实了太阳系外行星的大量存在,但围绕哥白尼原则的争论并没有因此而止息。随着越来越多太阳系外行星的被发现,争论的主战场已经从寻找行星转移到了是否存在地球外生命等方面。应运而生的天体生物学就是对地球外生命进行综合研究的一个新学科。

以现有的技术水平,不要说去太阳系之外的行星,就是想登上太阳系的其它行星去寻找生物也不是件容易的事。不过有一点是不难想象的,就是这些行星上的自然环境可能会比地球表面要恶劣很多倍。根据美国国家航空航天局火星探测器发回的资料,基本上可以肯定生物不能在火星表面生存。

但这并不意味着在火星表面之下的岩层深处生物也不可能生存。尤其是有迹象显示火星上曾经有过水及现在在表面之下还存有大量的冰,这就更增加了在岩层里发现火星生物的可能性。尽管现在还无法到火星上去挖掘,但先看看地层深处的岩石中是否有生物生存却是可能的、也是很有意义的。

2007年被《时代周刊》列为世界上最具影响力的100人之一的普林斯顿大学教授斯托特(Tullis Onstott)是这方面的先驱。但在90年代中期,当他首次提出到南非金矿中距地面之下数公里深处去寻找可能存在的生物时,整个科学界都认为这是异想天开。

他甚至连资助这项研究的基金都申请不到,因而不得不自掏腰包,拿出六干美元,来开始他的导致划时代发现的“地下之旅”。幸运的是,他很快就发现了能在地下五公里深处生存的微生物。

这些微生物生活在我们通常认为生物根本无法生存的环境之中,它们不但能“动”,而且还能分裂。虽然这种分裂可能一个世纪才发生一次,但毕竟说明它们可以复制自己,这是生物体的关键特征之一。几年之后,斯托特和他的同事们又在地下深处的岩层里找到了一种奇特的细菌,它们在暗无天日的环境中可能已经生存了三百万至四千万年,仅靠利用周围岩石放射性衰变释放的辐射能量、极少量的矿物质和从岩缝中渗漏下来的一点点水分来滋养。

它们不仅有DNA、能够“传宗接代”,而且明显还活着!斯托特的研究团队给这种了不起的细菌起了一个具有特别含义的名字:Desulforudisaudaxvlator(拉丁文,意思是嗜热且大胆的旅行者。出自凡尔纳的著名科幻小说《地心游记》中李登布罗克教授得到的一张羊皮纸上所写的一句话,这张羊皮纸是引导他进行地心探险的指南)。

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