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古人是怎麼觀測天體的?過去和未來的天空會長的一樣嗎?——《關於夜空的 362 個問題》

PanSci_96
・2019/07/23 ・3119字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 511 ・六年級

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編按:本文摘自《關於夜空的 362 個問題》,蒐集了英國最長壽科普節目《仰望星空》的觀眾提問。所有你對太空宇宙會有的疑問,都將在本書中為你解答。本節討論的是「過去和未來的天空」。

 

古文明如何準確測量星星的運動?

太陽、月球和星星的移動,在古代就已經為人所知,此外黃道帶上的那些星座也是最早被發現的。圖/pxhere

巴比倫人和蘇美人是世界上最古老的天文學家,他們在三千多年前居住於現在的阿拉伯地區。

太陽、月球和星星的移動,在古代就已經為人所知,此外黃道帶上的那些星座也是最早被發現的。當時的人可能已經知道,在不同的時間會看到不同的星星排列,但他們應該還不知道這是為什麼。這些文明是最早注意到天象變化的文明。他們可能注意到有些行星好像會在星星之間移動,特別是最亮的那顆:金星。當時也已經知道在夜晚或早上都看得到金星,蘇美人還發現了它的周期性。當然,他們並沒有因此思考到其他行星,而是聯想到神祇的活動。

巴比倫人知道各種不同的周期,主宰月相改變的周期就是其一;不過更重要的是日食和月食的周期。這些周期也流傳下來,到了在天文學方面非常有條理、邏輯的古希臘人手中。最令人震撼的天文事件自然是日食與月食。

最令人震撼的天文事件自然是日食與月食。圖/pexels

事實上,許多古代文明都對這種現象感到害怕。雖然因為太陽與月球在天空中的運動方式不同,日月食發生的時間間隔似乎並不規律,但其實大約是每十八年發生一次。這段時間被稱為沙羅周期,是太陽、地球、月球三者形成的幾何系統回到相同配置的時間。再加上地球的自轉,就必須使用三個沙羅周期來計算,所以是大約五十四年發生一次。這表示,如果你觀察到一次日食或月食,那麼在一萬九千七百五十六天(或是五十四年又一個月)之後,在地球上同一個地點就能再看到一次幾乎一模一樣的日食或月食。

古代天文學留下令人著迷的遺產之一,就是安提基瑟拉儀,大約是西元前一世紀或二世紀左右建造的。銅製的安提基瑟拉儀是一九○○年在希臘的安提基瑟拉島發現的,經過深入研究後,學界發現這是由大約三十個細心配置的鑲齒排列而成的儀器,用來預測太陽、月球、行星在任何一天的方位。

安提基瑟拉儀,大約是西元前一世紀或二世紀左右建造的。圖/wikipedia

製造者想必不知道太陽系的配置,因為這個儀器的設計是以地球為中心的模型為基礎,可是它對位置預測的準確度卻讓人驚訝。過去從來沒發現過類似的儀器;本質上而言,這是目前已知最古老的科學計算機。

至於星星本身的運動,在古代來說,是無法在某人的有生之年內測量出來的。古人很精細地測量了太陽在天空中的位置,所以能確定像是冬至、夏至這樣的至點以及春分、秋分的二分點時間。二分點出現在太陽通過天球赤道的時候,而有非常多的古代天文學家都會觀測太陽在天空中的位置。

地球自轉的歲差怎麼算?

西元前二世紀的希臘天文學家希巴克斯(Hipparchus)指出,和前人觀測到的結果相比,太陽在二分點的位置出現了相對性的改變,這個發現被稱為「分點歲差」。現在我們知道這是因為地軸相對於星星的移動所造成的,而這個發現成為了精密天文學的轉捩點。歐洲太空總署(ESA)的衛星伊巴谷(Hipparcos)就是利用這位天文學家姓名的發音,但是字母的拼法不同,因為其實這是「高度精密視差測量衛星」的縮寫。

伊巴谷是最早踏出第一步,排除地球是所有運動的中心的人。他觀察到太陽在全年中移動的速度會變化,而且計算出太陽中心的運動,一定會輕微地偏離地球。大約兩千年後,科學家才真的拋棄成見,推翻地球中心論,建立出地球以橢圓形軌道環繞太陽轉動的理論。

地球中心說。圖/wikipedia

巴比倫人和希臘人都是最早在天文學上跨出一大步的民族,他們會測量太陽、月球和行星的移動。兩千多年後,哥白尼、第谷,還有克卜勒才又往前邁了一大步,拋棄地球是宇宙中心的理論。我(諾斯)認為,我們現在即將跨出在天文學與宇宙學方面重大的第三步,開始了解宇宙的真實規模。

英國最適合看極光的地方是哪裡?

唯一一個算得上看得清楚的地方是蘇格蘭。一旦越過北方的邊界,極光就沒那麼少見了,不過也沒有像挪威北部或阿拉斯加那麼頻繁。重點是要到一個真的很暗的地方,而蘇格蘭有些地方還能滿足這個條件。

所以定期觀測是值得的,不過也得準備好可能要等好一段時間。如果你去到挪威北部像是特浪索這樣的地方,那麼你在一整年裡,除了永晝的日子以外,幾乎每個晚上都能看到極光。

在《仰望夜空》播出的期間裡,天空有些什麼改變?夜空中有沒有新的天體出現,或者有沒有星星或其他天體的位置、外觀發生了改變?

很顯然,就算是在比《仰望夜空》節目播出時間更長的期間裡,星星和行星都不會改變。我們的確有看到幾顆彗星,一、兩顆明亮的新星。除此之外,情況都沒什麼改變。

我在主持《仰望夜空》的期間看過最壯觀的景象,應該是海爾波普彗星,那真的很壯麗,而且有超過一年的時間都能用肉眼看到它。我想當它離開我們時,我們都很傷心。別難過,它四千年後還會回來!

當然有些行星總是在改變,尤其是木星和土星。木星的雲帶在過去幾年中一直出現強烈的變動,而土星上則發生了劇烈的風暴。相當值得持續關注。

圖/wikipedia

未來的觀星者會看到如我們現在所看到的北斗七星、獵戶座腰帶、老鷹星雲等這些星星的排列嗎?

根據我們目前的預測,未來不會有可偵測到的改變,但是當然如果是一萬年或是更久之後,這些星座一定會有改變。舉例來說,大熊座會扭曲,因為它的兩顆星(瑤光與天樞)在太空中是以與其他五顆相反的方向移動,遠離對方的。但是這些星星在太空中的移動實在太慢了,所以很難用肉眼看出來。

提醒你,一百萬年之後再回來,天空就會變得很不一樣。隨著時間過去,星座會因為星星的移動而變形,新的排列也會變得明顯。就連星雲也會隨著它們的中心出現氣體與塵埃生成的星星而改變,不過這個過程會需要幾百萬年的時間。

如果我們可以把時間快轉十億年,那時候的天空會是什麼樣子?會有多少星星不再存在?

如果快轉那麼長的時間,所有星座都會有非常大的改變,到時候我們已經認不出來那片天空了。除此之外,我們也無法辨識一些我們熟悉的星星,例如獵戶座的參宿七,到了那時候一定已經經歷了紅巨星的階段,也許在超新星的爆炸中死去。同樣的事也會發生在我們鄰近星系中的很多大質量的恆星上,不過也會有更多的恆星在天空中的其他位置出現。

如果把太陽系從銀河中拔出來,然後完整地放在太空中另外一個空曠的區域,我們會變好還是變糟?

這個嘛,我們會悲慘很多,因為我們只能看到自己太陽系的天體,對於星星會一無所知。事實上,我們的知識會被局限在很小的範圍內,有點像是去倫敦但只參觀維多利亞車站而已。一定要記得,天文學是最古老的科學之一,是古代文明不斷地重寫,增進我們對宇宙的了解的成果。

——本文摘自《關於夜空的 362 個問題:從天文觀測、太陽系的組成到宇宙的奧祕,了解天文學的入門書》,2019 年 4 月,貓頭鷹出版

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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在完成環球航行之前,人類是如何計算出地球周長的?——《數學就是這樣用:找出生活問題的最佳解》
天下文化_96
・2022/12/03 ・1906字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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十六世紀初的環球航行

既然史上第一次環球航行到十六世紀初才完成,埃拉托斯特尼在公元前 240 年又是用什麼方法,這麼準確估算出地球周長呢?他顯然不可能用捲尺繞地球一圈。他的替代做法是先測量地球表面上的一小段距離,再利用一些巧妙的數學運算,省去必須測量整段長度的麻煩。

埃拉托斯特尼在公元前 240 年又是用什麼方法,這麼準確估算出地球周長呢?圖/pexels

埃拉托斯特尼掌管古代最好的亞歷山卓圖書館,在幾個科學領域都有極有趣的貢獻,包括數學、天文學、地理學、音樂等等。不過,儘管他有新穎的工作成果,同時代的人卻瞧不起他的能力,還給他「第二名」(Beta)這個綽號,暗示他不是第一流的思想家。

質數表的誕生

他提出的聰明想法之一是,用有系統的方式產生一系列質數。為了找出從 1 到 100 之間的所有質數,埃拉托斯特尼提出以下的程序。從 2 這個數開始,刪掉隨後所有 2 的倍數,只要在數字表中刪除每走 2 步遇到的整數就行了。接著走到 2 以後還沒刪掉的下一個整數,顯然是 3,現在要有系統的刪除每走 3 步遇到的所有數字,就刪掉了 3 的所有倍數。這個方法在此刻開始顯出自己的本領。整數表中還沒有刪掉的下一個數是 5,重複我們在前面兩個數所用的方法,把每走 5 步遇到的數字全部淘汰掉。

這個程序的要訣是:移到下一個還保留著的數字,然後往後面刪掉這個新數字的所有倍數。如果你做得很有系統,把 7 的倍數都淘汰之後,就會產生一個小於 100 的質數表。

埃拉托斯特尼篩法是個找出在一特定整數以下的所有質數之簡單演算法。圖/wikipedia

這個程序極為聰明,省去了必須考慮很多的麻煩,非常適合電腦執行,但若要大量產生質數,它的問題是很快就會變得效率低落。它是思考的捷徑,可以讓你像機器般產生質數表,但這不是我想在本書裡頌揚的那種捷徑。我想要的是發掘質數的聰明策略。

利用太陽的位置計算地球周長

不過,我要給埃拉托斯特尼的地球周長計算工作打高分,因為太巧妙了。他聽說斯溫尼特(Swenet)城裡有一口井,太陽每年會有一天在它的天頂。太陽在夏至正午直射井底,不會在井邊投下任何影子。斯溫尼特就是今天的亞斯文(Aswan),離北回歸線不遠,北回歸線位於北緯 23.4 度,是我們發現太陽能夠從頭頂直射的最遠位置。

太陽在夏至正午直射井底,不會在井邊投下任何影子。圖/pexels

埃拉托斯特尼知道可以利用這個和太陽位置有關的資訊,在夏至這天進行實驗,讓他算出地球的周長。雖然這樣他就不必用捲尺繞地球一圈,但這項實驗還是需要走走路。他相信亞歷山卓位於斯溫尼特的正北方,於是在夏至那天,他在亞歷山卓豎起一根竿子。兩地的經度實際上差了 2 度,雖然沒有百分之百準確,不過我要為他的實驗精神鼓掌。

那天,太陽直射斯溫尼特,沒在那口井投下影子,但卻讓亞歷山卓的竿子產生一道影子。埃拉托斯特尼測量了影子長度和竿子長度,就能畫出一個具同樣比例的三角形,然後量出角度,這會告訴他亞歷山卓在地球周長上與斯溫尼特距離多遠。他量出的角度是 7.2 度,也就是一整個圓的 1/50,現在他只須知道亞歷山卓到斯溫尼特的實際距離。

他沒有親自走到斯溫尼特,而是雇了一位專門丈量距離的人員,稱為測距員(bematist),他們會在兩座城鎮之間走直線,當中只要有任何偏差都會把估算搞砸。丈量結果會用更大的計量單位來記錄:斯塔德。結果,亞歷山卓在斯溫尼特以北 5,000 斯塔德,倘若這是繞地球一整圈的 1/50,那麼地球的周長就會等於 250,000 斯塔德。

今天我們並不確定,埃拉托斯特尼所雇的測量員到底是用多少步來計量他的斯塔德,但就如我在前面解釋過的,這個丈量結果好極了。用一點幾何學,他就省去了雇人走地球一圈的需求。

用一點幾何學,他就省去了雇人走地球一圈的需求。圖/pexels

幾何學的英文字 geometry 正源自這個實驗,因為拆解之後,它是意指「丈量地球」的希臘文:geo=地球,metry=丈量。

——本文摘自《數學就是這樣用:找出生活問題的最佳解》,2022 年 11 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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宇宙如何影響我們的文明?星空信仰下的人們——《人類大宇宙》
遠流出版_96
・2022/10/17 ・3016字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 作者 / 喬.馬錢特博士(Dr. Jo Marchant)
  • 譯者 / 徐立妍

宇宙最初的光芒

將近一百四十億年前,一切自虛無中霹靂而生,我們的宇宙從一個熾熱、壓縮又微小到無法想像的小點中迸發誕生,接著幾乎是在一瞬間便往外膨脹,形成太空的這個空間以超過光速的程度急速擴張,一直到所有存在的物體大約成為一顆葡萄柚的大小。

然後,宇宙持續擴張、冷卻,接著形成了最初的物質,就在那第一秒內,中子、質子、電子、光子、中微子等各種粒子組成的高密度團相互推擠,形成一股驚人而熾灼的熱,散發出有如霧般的光。宇宙生成大約三十八萬年後,這顆泡泡已經擴張到幾千萬光年以外的地方,並且冷卻到了幾千度左右,這樣的溫度足以讓原子組合在一起,宇宙第一次透出了光。

一開始只是一閃即逝的光,然後黑暗再度籠罩,還要再過幾千萬年,重力才能夠吸引住稍有密度的各種物質,粗暴地將一團團氣體碰撞在一起,形成最早的星星及星系,就這樣,天空的燈光一個個亮了起來。

大霹靂(Big Bang)。圖/envato.elements

大多數的宇宙學入門大概都會以自己的方式描述這一連串事件,但謎團仍未解開:大霹靂(Big Bang)真的是一切的開端嗎?或者我們的宇宙只是在另一個更大的多重宇宙中一顆不斷膨脹的泡泡?宇宙會永遠擴張下去嗎?或者到最後會在一次大擠壓中再次崩塌?不過,眾人都能同意宇宙的普遍性質及宇宙是怎麼回事,目前已經揭露的事實是,這是一台龐大且精細的機器,由物理粒子組成,並且其中的作用力也依循著數學方程式及法則。

仰望星辰的人類歷史

這本書要說的是不同的故事。宇宙的科學解釋是我們現代文明的巔峰,如此擲地有聲的見解足以消弭其他所有不同看法。研究宇宙的宇宙學曾一度被形容為在哲學及精神層面上的廣泛追尋,要找出人類存在的意義,要問我們是誰、我們在哪裡、我們為何在此地,如今卻是數學天文學的一個分支。那麼,那些大哉問怎麼了呢?我們對於宇宙已經沒有其他什麼需要知道的嗎?

這本書並不是要詳細描述最新的天文學進展,是要介紹長久以來,人們從星辰收集到的知識歷史,是關於人們的宇宙觀如何讓他們認識了現實的本質及生命的意義;關於我們已經捨棄的那些神祇與靈魂、神話與神獸、宮殿與天體;關於科學觀點如何成為主流,而這段路程又是如何形塑今日的我們。這是一段關於人的故事,講述了祭司、女神、探險家、革命家和君王,故事並非由大霹靂開始,甚至也不是由科學的誕生開始,而是由最早抬頭望向星星的人類開始,以及他們在天空中找到的答案。

為何要在乎過去對天上的信仰?考古學家和歷史學家通常不會如此。我們知道,科學是立基於試圖理解天堂的念頭,不過學者要更全面追溯人類歷史進展時就鮮少以此為焦點,我認為此舉對於我們要理解自己從何而來造成了巨大的盲點。事實上,人們在天空中所看到的模式一直都主宰著人們在地上生活的方式,形塑了對於時間與空間、權力與事實、生與死等概念。
我們在古老的過往中便看見這一點:執著於日食的巴比倫人;建造金字塔以引導靈魂前往星星所在之處的埃及法老;在太陽旗幟下奮戰的羅馬皇帝。對宇宙的概念也形塑了現代世界,即使我們忘記這些影響力的根源,卻也已經深植在社會當中,存在我們的國會、教堂、藝廊、時鐘與地圖裡。從基督教的誕生,乃至歐洲的探險及主宰星球,其中核心的影響力正是對太陽、月亮、星星的信仰,他們指引著不羈的立法人員創建了民主與人權原則、引導經濟學家建立資本主義所仰賴的框架,甚至指示畫家畫出了第一幅抽象畫。

捷克布拉格舊市政廳天文鐘。圖/envato.elements

今日光害籠罩著我們的星球,星星幾乎消失了,過去在黑暗的夜空中能看見上千顆星星,但今日在城市裡的我們只能看見幾十顆。天文學家擔心,就連這些很快也會遠遠不敵人造衛星的數量,在美國和歐洲的大多數人根本再也看不見銀河。看著自然遺產這樣逐漸消蝕實在是災難一場,我們與銀河系及浩瀚宇宙之間的連結也會就此消逝。沒有人為此群起大聲疾呼,大多數人只是聳聳肩,依舊盯著自己的手機,絲毫不擔心即將失去這片在歷史上其他每一種人類文化都視為必要的景象。

宇宙的本質與生命的追尋

但是,我們仍然努力想弄清楚我們在宇宙中的位置,科學在這方面的進展十分成功:今天一個五歲小孩比起幾千年前的古早文化更清楚物理宇宙的歷史、組成及本質,但是科學也將這些文化在生命中發現的意義拆解了大半,將個人經驗屏除在我們對現實的理解之外,取而代之的是時空概念抽象而數學化的網格。

地球從存在的中心被踢到了邊緣,生命被重塑成隨機意外的結果,而且也完全不管神明了,現在一切都能以物理法則來解釋。我們在宇宙秩序中完全不是什麼有意義的角色,而是如物理學家史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)所言,我們只是「化學渣滓」,存在於一個中等大小的星球表面,繞著一個沒什麼重要性的星球運行。

幾百年來不斷有人批評反對這樣冰冷機械式地解釋人性,過程中經常全盤否決科學的見解,一直到不久之前仍屬於禁忌話題,但現在即使是受人敬重的科學家也對此表達擔憂,他們認為或許物理物質並非宇宙全貌、並非我們的全貌;或許,科學只看見了全貌的一半。我們可以解釋星體與星系,但心智呢?意識本身呢?這些論戰逐漸形成一場世紀之戰,可能會改變整個西方的世界觀。

畫下戰線之後,我想我們必須換個角度思考,提出概述,因此這是一本關於宇宙的書,不是科學指南,是從人性出發。我不長篇大論地講述,而是選擇了十二個時刻,你或許也可以稱之為墊腳石,讓我們理解歷史上的人們是如何看待天空,尤其是這十二篇故事依循著西方物質宇宙觀點的崛起,爬梳這套宇宙模型如何主導我們的生活。這些故事從人類最早透過洞穴壁畫及巨石陣來表達人性開始追溯,途中講述了基督教、民主及科學等重要傳統的誕生,最後進行到追尋外星生命以及近來飛入真正的且虛擬的太空之旅。

這趟旅程能夠解釋今日的我們是誰,或許還能指引出未來的航道。所謂當局者迷,我們很難看見其極限,因此我希望拉遠距離去檢視人類宇宙信仰的深度歷史,或許有助於我們探索世界觀的界線,還可能看得更遠。我們是如何成為無意義的宇宙中被動的機械?這些信念如何影響我們生活的方式?而我們由此又能前往何方?

———本書摘自《人類大宇宙》,2022年 9 月,遠流出版。

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