《也说第五维》谢谢JFF的意见。


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送交者: DST 于 2010-04-02, 19:34:59:

活跃在早期中文网上的图雅写过一篇有趣的杂文《第五维》,提出描述一个人除了需要三维空间和一维时间,还要用第五维:思维。他强调第五维的一个特性是超越时空:“一位纽约的强盗,走在黑暗的巷道中,想:嗯,今儿晚上没月亮,打闷棍合适。他的这个想法,正好跟好几百年以前的一位中国同行叫做李鬼的想法相一致。”图雅的观点引起我的共鸣,但他的“打闷棍”例子涉及的心理学、社会学、经济学和政治学我只能敬而远之,唯有月亮我还能说上几句。“今月曾经照古人”,我就讲一点人们对太阳系的观测和了解的历史,以此说明持有现在观点的我们是怎样和古人在第五维相遇的。

小学生都知道“地球绕着太阳转,月亮绕着地球转”。更确切地说,太阳系作为一个整体绕银河系中心转;在一个随太阳系一起绕河心转的观测者甲看来,月亮跟着地球绕太阳转,而随地球一起绕太阳转的观测者乙看到的才是月亮绕着地球转。即使不考虑地球的自转,乙要推断出用甲乙两个不同观测者才能简单描述的情形,这也是一个极大的突破。

古人也有不把自己当万物来绕的中心的。早在公元前约450年,毕达哥拉斯学派的Philolaus就开始传播地球和其它天体一起绕着宇宙中心的“火”转的学说,但这个“火”不是太阳。根据阿基米德的记述,生活在公元前310到前230年的Aristarchus就明确提出地球在绕着太阳转。这个最早的“日心说”明显没有被普遍接受,在它被提出一千七八百年以后,现在众所周知的宣扬日心说的哥白尼(1473-1543年)和为这个学说做出观测总结的开普勒(1571-1630年)才出生。

Aristarchus的日心说在很长时间内没被接受,这并不只是由于宗教或迷信的缘故。更主要的原因有二,并且都与观测有关:他没有根据他的学说对太阳系其它行星的运动做出定量的预言让天文观测来验证,而根据他的学说得出的一个预言在当时无法被观测到。

古希腊思想家们很容易想到了检验日心说的一个方法:如果地球绕着太阳转,那么从地球轨道的不同位置上会看到同一颗恒星的方向有所改变;因为相差半年的两个位置隔得最远(距离为地球轨道的直径),从这两个位置上看到的恒星方向变化最大,这个变化在天文学上叫做恒星的“视差”。但当时的观测没有发现这种视差,所以要么地球是不动的,要么所有观测到的恒星的距离大大超过地球轨道的半径(也就是地球到太阳的距离)。宗教或迷信在这时起了作用:绝大多数古希腊思想家们不能接受宇宙比太阳系大出太多。因此,他们的结论是地球不在动。

现在我们知道日心说是对的,恒星也的确存在视差,但因为恒星距离我们太远,它们的视差极其微小。第一个恒星的视差在1838年才被观测到,那颗恒星的距离是地球到太阳距离的65万倍,要得到它的视差除了需要高分辨率的望远镜,还要考虑一个重大因素:地球在动!

我们有这样的生活经验:没风时在停着的车里看到雨滴是竖直往下的,车开起来后,雨下的方向相对运动的车变了,所以雨看起来是斜着掉到车窗上的。同样道理,地球运动时来自同一颗恒星的光的方向也会改变,这在天文学上称为“光行差”。恒星的光行差要比上面提到的视差大得多,但要测出光行差也必须用高分辨率的望远镜,因此直到1728年才实现。从光行差可以算出地球的速度约为每秒30公里,地球轨道的周长就是以这个速度走一年的路程,由此得到地球离太阳的距离约为1.5亿公里。值得一提的是开普勒总结的行星轨道数据只是轨道的相对大小,人们要等到光行差的发现才知道比较精确的轨道的实际大小。

既然恒星的光行差比视差大得多,那视差怎么可能被测出呢?粗略地说起来,只要知道地球的速度就可以算出恒星的光行差,把它去除就得到视差。恒星的光行差和视差为日心说提供了最直接的观测证据。




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