把天空當時鐘：農業發展如何造就全世界最正統的天文學？——《全球科技大歷史》

中國是四大古文明之一，有著一段輝煌的天文觀測史，帶來精密的曆法、博大的哲學與玄妙的星象文化。其中，戰國至漢代為中國宇宙論發展最為迅猛的時期，部份觀念甚能先進於中、近古的西洋。當我們回首這些朝代的興衰遞嬗，不僅補苴思想史與科學史的罅漏，更能以此反思漢代以後國人精神世界何以飽和、枯竭。

中國古代主要的宇宙論有三家：「蓋天」、「宣夜」與「渾天」。以現代觀點而言，宣夜描述宇宙本質，渾天解釋繁星運行，蓋天與渾天可參照西方地心說（天動說）。

蓋天說 穹頂下的大地

「蓋天說」是中國最早的宇宙模型，認為「方屬地，圓屬天，天圓地方」^{註 1}，即「天圓地方」、穹廬狀的天覆蓋方形的地。

到了戰國時代，蓋天說開始受到質疑，如《大戴禮記》中就記載，曾子曾提到：

天之所生上首，地之所生下首，上首謂之圓，下首謂之方，如誠天圓而地方，則是四角之不揜也。^{註 2}

意思是「圓天」與「方地」的形狀無法契合。

到了戰國晚期，蓋天說被修正為「天似蓋笠，地法覆槃」^{註 3}，即天與地為平行的拱面；另種說法是天與地是平行的平面，由八根「天柱」支撐。傳說中的水神共工，就是在與顓頊爭奪王位失敗以後怒撞了天柱之一的不周山，導致「天」傾斜，也就有了「女媧補天」的故事。

然而，無論「地」是什麼形狀，星體將永遠處在人類能看見的範圍，並不符合天體東升西落的觀測結果，「漢賦四大家」之一的揚雄寫的《難蓋天八事》就否定了蓋天的說法。儘管到了西晉時期，仍有虞聳的「穹天說」來繼承蓋天理論，但在愈發廣大而精確的觀測數據面前，蓋天說已是落日餘暉。

宣夜說 由「氣」推動的無邊宇宙

「宣夜說」，則認為宇宙無邊無際，而「氣」推動宇宙的運行。這樣的想法受道家宋鈃、尹文的影響，即「氣」為萬物本源。《莊子．逍遙遊》中寫道：

天之蒼蒼其正色邪？其遠而無所至極邪？

其中便隱含宣夜的概念。

如今的我們認為宇宙雖非無限大，卻沒有邊界與固定形狀，這點與宣夜說相同，儘管這樣的理論在觀測實用上不如蓋天說與渾天說。

宣夜說對於天體生成的理論，也與今日意外巧合。《列子．天篇》就提到：

日月星宿亦積氣中之有光耀者。

而在現今的天文學概念中，恆星確實是由氣體聚集、壓縮而成。

神秘的宣夜說在戰國以後逐漸失傳，到了東漢時只剩郄萌一家。還有西晉楊泉《物理論》寫道：

發而升，精華上浮，宛轉隨流，名之曰「天河」，一曰「雲漢」，眾星出焉。

也繼承宣夜說。至於「氣」與宇宙論的建構工作，就由渾天說繼續發展。

渾天說 最接近真實宇宙面貌的一刻

「渾天說」主張宇宙是個完整的「球體」，而非蓋天說的「半球體」，而地球處於這個球體之中，這個說法較接近現代的天文學理論。同樣受道家的影響，渾天說的宇宙組成裡，「水」與「氣」是重要的概念。

這個概念最早可見於戰國楚地竹書《太一生水》與《恆先》^{註 4、註 5}，同期的魏人石申與齊人甘德也依渾天之說，設計出最早估算天象的「渾儀」。

漢武帝的年號「太初」顯然受到渾天說的影響，也正是於此前後，渾天說逐漸取代了蓋天說的地位。此後，仍有不少關於「氣」的零星論述，如西漢末年的《易緯》、東漢王充的《論衡》、《白虎通》。

而東漢科學家、「漢賦四大家」的張衡集渾天說之大成。他設計了以水為動力、並加入地平圈和子午線的「渾天儀」，其著作《渾天儀》與《靈憲》分別繼承了「水」與「氣」的學說。可惜《渾天儀》如今已失傳，只能從晉人的《渾天儀注》中略窺一二。

此外，《晉書．天文志》中寫到：

宣夜絕無師承，周髀多所違失，惟渾天得近其情。

而唐代的方炯也寫了《渾天論》來駁斥蓋天和宣夜的理論。由於哲學理論與文人的支持，渾天說力壓其他兩者，逐漸成為中國宇宙觀的主流。

雖然未有數學化的觀念，但中國宇宙論卻如此接近事實。然而，為何在漢代以後就再也沒有巨大斬獲、進而造就西方那般的天文革命呢？

農民曆的出現與天文觀測的式微

明代的顧炎武在《日知錄》中提到：

三代以上，人人皆知天文。「七月流火」，農夫之辭也；「三星在戶」，婦人之語也；「月離於畢」，戍卒之作也；「龍尾伏辰」，兒童之謠也。

此處的「三代」指的應該就是堯、舜、禹，其中不難見到：由於農耕需求，上古時代的天文學經驗迅速積累，如被認為可能是堯都平陽的山西陶寺遺址，就有著中國最古老的觀象臺（約建於西元前 2100 年）。

《尚書．堯典》也說道：

（堯）乃命羲和，欽若昊天，歷象日月星辰，敬授人時。

日中，星鳥，以殷仲春。

日永，星火，以正仲夏。

宵中，星虛，以殷仲秋。

日短，星昴，以正仲冬。

這些都可以看出，上古的四季是由「星宿」來定義；大火星（心宿二）也十分重要，用以判斷入秋的時間，《史記》就記載了堯曾封商人始祖契於商丘，任「火正」，負責觀測、祭祀大火星。

由此可知，古代人由於生產勞動的需要，人們「時間」和「季節」的掌控非常重要，因此必須研究天文和曆法。然而，自從夏后氏制定《夏小正》開始，農民曆的出現，大大減少了觀星的必要。

此外，受到文化變遷的影響，漢代以後的天文學更開始攙入「讖緯之學^{註 6}」，「宜」、「忌」觀念深植人心，造成西周的人文精神與東周的理性精神逐漸喪失。雖然漢代天文學仍有極高成就，但究其根本，仍是奠基於戰國天文哲學的實際觀測結果，宇宙論體系的成長已相對趨緩。

然而，這是中國宇宙學或天文觀測沒落的主因嗎？

知識份子的胸懷

事實上，王充的《論衡．譏日篇》批判了當時的迷信氛圍，就是理性精神未被「讖緯」的飛沙走石淹沒的中流砥柱。一種學說，或者一種學術風氣的興衰下，最重要的還是知識分子的胸懷，縱使國家學術風氣有了些許問題，只要那些文人持續發聲，那麼企圖尋求真知的風尚就能成為銅山鐵壁，所有挑戰相形之下悉如熒光單薄，被穆穆的清風飄颻殆盡。

不幸的是，隨著朝代的遞嬗，「儒學」逐漸成為讀書人的唯一；唐代科舉猶有「明算」科，元、明以後的四書五經則已佔據了一切，清代更把僅存的儒學凍結為僵化的「樸學」。於是，讀書人的視野預漸狹隘，那片遙遠的星河漸行漸遠，把滋養科學革命的后土，拱手讓給了西洋。

註解

1. 出自《周髀算經》卷上之五。
2. 出自《大戴禮記》《曾子天圓》之一
3. 出自《晉書》《志第一 天文上》之八。
4. 張佑任（2021），郭店楚簡〈太一生水〉之宇宙論。《哲學論集》，53（p33 – 53）。
5. 丁四新（2018），楚竹书《恒先》的三重宇宙生成论与气论思想。《中国哲学》，2018 年 01 期。
6. 讖緯之學：一種政治預言。「讖」是假藉上天的預言來達到政治目的，通常會加上圖作配合，稱為「圖讖」。 「緯」則是假藉孔子的言論所偽造出來的典籍，是真正記載孔子言論的「經」相對，所以也稱為「緯書」。 「讖緯」是一種用來凸顯帝王政權合理化的工具，盛行於西漢末年。

• 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。

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？

• 文／蕭予揚 清大天文所碩士生，將於約翰・霍普金斯大學攻讀天文博士、
  　　林彥興 清大天文所碩士生，EASY 天文地科團隊總編

若問當前軌道上最強的可見光太空望遠鏡是誰，那當然非哈伯太空望遠鏡莫屬。身處太空的它有著直徑 2.4 公尺的主鏡，可以在不受大氣層干擾的情況下，清晰地拍攝遙遠且黯淡的天體。然而，哈伯望遠鏡並非全能，雖然它在解析度（angular resolution）和靈敏度（sensitivity）上都無人能及，但也有不擅長的領域 ── 它的視野相當小。

即使是哈伯裝備的所有相機中視野最大的「先進巡天相機（ACS）」，其視野也只有 202 角秒 x 202 角秒而已，相當於滿月的 1.5%，或是一個十元硬幣在約 25 公尺外的大小。可以想見，想要用這麼小的視野拍攝廣大的區域，是相當緩慢而沒有效率的事。

直到最近幾年，天文學家發明了稱作「Drift And SHift (DASH)」的新型觀測模式，可以在不改變哈伯硬體設備的前提下，大大增加哈伯在近紅外線波段的拍攝效率。利用這項技術，來自多倫多大學的團隊展開名為 3D-DASH 的大型紅外線巡天計畫，其拍攝的天空範圍，是前一個紀錄保持人「CANDELS」的七倍之多。

不斷選擇「引導星」的傳統觀測模式

想了解為什麼 DASH 技術可以大大提升哈伯的觀測效率，就要先從哈伯原本是怎麼觀測的開始談起。

不知道大家有沒有在黑夜中拍照的經驗呢？在低亮度的環境中，相機總需要比較長的時間進行曝光，才能拍出清楚的照片。而如果你在曝光的過程中不小心移動了相機，那拍出來的照片就會糊成一團。同理，由於天文學家想要拍攝的目標，大多是極其遙遠且黯淡的天體，所以天文觀測時單張照片的曝光時間，往往動輒數百秒以上。因此，專業天文望遠鏡常會配備「導星（Guiding）」系統，以確保望遠鏡能在數百秒的時間內，都精準的指向同一個位置。

導星的原理很簡單，就是在望遠鏡和相機觀測的同時，同時用另一套相機監測視野中星星的位置。一旦發現畫面中恆星的位置有任何小小的移動，導星系統就會命令望遠鏡調整指向（pointing），即時把誤差修正回來。在哈伯望遠鏡上，這個負責導星的相機叫作「精細導星感測器（FGS）」。而這個用來幫望遠鏡「導航」的星星，就被稱為「引導星（guide star）」。

一般來說，在哈伯望遠鏡每指向一個新的目標，都需要先花費一段約十分鐘的時間選擇引導星，然後才能進行科學拍攝。然而，由於哈伯的軌道週期僅有 97 分鐘左右，因此在一次軌道中，哈伯基本上只能拍攝一或兩個固定的天區，不然就會有大量的觀測時間被浪費在尋找引導星的過程中。如此一來，天文學家若想透過哈伯來拍攝 800 個不同指向，就需要花費 800 次的軌道繞行時間才能結束這項任務。

花費很多時間有什麼問題呢？哈伯望遠鏡的觀測，是由美國「太空望遠鏡科學研究所（STScI）」向全世界天文學家公開徵求觀測企劃之後，再從中挑選出最具科學效益的企劃後實施。一個耗時 800 個軌道週期的觀測，很難在競爭激烈的觀測計劃書中脫穎而出。

但如果，天文學家真的很需要用哈伯進行大面積的巡天，該怎麼辦呢？

提升效率的新方法

如前述，一般來說哈伯每指向一個新目標，都需要花費十分鐘來進行捕捉引導星。但換個角度想，如果把導星功能關掉，不就可以省下這些時間了嗎？

還真是沒錯，哈伯的設計的確是可以關掉導星系統，利用其中的陀螺儀來進行控制。但陀螺儀的能提供的穩定性終究不如導星系統，一旦曝光時間過長，望遠鏡的微小移動還是會造成最後曝光出來的星星像塗抹花生醬一樣糊成一片，這樣的影像是很難用於科學分析的。

開導星耗時間，不開導星又沒辦法長曝，該怎麼辦呢？

這時就輪到「Drift And SHift（DASH）」技術出場了！DASH 的核心概念很簡單：

• 為了省時，我們就關掉導星。
• 關導星不能長曝，那我們就拍很多短曝光時間的照片，降低每張照片的模糊程度，再把它們對齊之後疊起來。

以 3D-DASH 計劃來說，關掉導星會讓哈伯的指向以每秒 0.001 至 0.002 角秒的速度緩緩飄移。因此天文學家將每張照片的曝光時間壓縮到 25 秒以下，讓星點在畫面中的移動不超過一個像素（WFC-3 的像素大小為 0.129 角秒）。利用這樣的技術，天文學家就能在哈伯的一次軌道週期中，拍攝八個不同的指向，把觀測效率提升了八倍！

拍這些照片有什麼用？3D-DASH 的科學意義

3D-DASH 計畫的觀測資料最近已於網路上公開，不過這龐大的資料量，觀測團隊以及其他科學家們還需要更多時間進行分析。不過，在公布這個計劃的論文中，團隊已經提出了一些值得分析的科學問題。

舉例來說，天文學家認為如今多數的橢圓星系（elliptical galaxy）們，都是由較小的星系合併而來。因此尋找合併中的星系，並測量它們的各項物理性質，是研究星系演化歷史的重要方法。但很多時候，地面望遠鏡可以大略看到一個光點可能是兩或多個相鄰的天體組成，卻沒有足夠的解析度可以研究它們的細節。但有了 3D-DASH 的資料，天文學家就可以清楚的看到星系們合併的細節，並研究其中細微的結構以及測量更多複雜的物理量。

不過這種大範圍的巡天計畫也不是完美的。為了拍攝廣大的天區，每個天區分配到的平均觀測時間就會比較少，因此比起 CANDELS 等前輩們，3D-DASH 只能看到相對亮的星系們。雖然如此，3D-DASH 這種相對廣而淺的觀測，不僅可以提供更大量的星系樣本，幫助天文學家使用強大的統計方法進行分析；也可以讓天文學家先大概了解這片天區裡有些什麼，如果發現了有趣的目標，就可以使用哈伯或韋伯等其它強大的望遠鏡們進行更深入的觀測！

參考資料

• 3D-DASH — Lamiya Mowla
• [2206.01156] 3D-DASH: The Widest Near-Infrared Hubble Space Telescope Survey
• Hubble Space Telescope captures largest near-infrared image to find universe’s rarest galaxies — ScienceDaily

延伸閱讀

• 未來的高解析度近紅外線巡天計畫
  • 丈量宇宙幾何：歐幾里德太空望遠鏡- 科學月刊Science Monthly
  • 百倍於哈伯觀測能力，大小尺度通通包辦！——NASA 的下一個旗艦級「羅曼太空望遠鏡」 – PanSci 泛科學
• 哈伯太空望遠鏡
  • 讓人們窺見宇宙天體的真面目 ——哈伯太空望遠鏡- PanSci 泛科學
  • 出事了哈伯！細數哈伯太空望遠鏡31 年來的維修升級史