路甬祥

2009年是伽利略首次使用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)天體400周年，因此被聯(lián)合國(guó)確定為國(guó)際天文年，以紀(jì)念這位人類歷史上第一個(gè)把望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)茫茫太空的人。伽利略是近代科學(xué)的開創(chuàng)者之一，是科學(xué)史上的偉人。他把理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，形成了一套基于實(shí)驗(yàn)觀察、數(shù)學(xué)分析、嚴(yán)謹(jǐn)實(shí)證的科學(xué)研究方法，從此人類有了現(xiàn)代意義上的科學(xué)。伽利略等人所開創(chuàng)的近現(xiàn)代科學(xué)，今天更加充滿生機(jī)，有力推動(dòng)著人類文明的進(jìn)步與發(fā)展。

一、伽利略的發(fā)現(xiàn)及其意義

1609年7月，伽利略根據(jù)荷蘭人發(fā)明望遠(yuǎn)鏡的消息，用風(fēng)琴管作鏡筒，兩端分別嵌入一片凸透鏡和一片凹透鏡，制成了一架放大率為3倍的望遠(yuǎn)鏡。同年底，他又把望遠(yuǎn)鏡的放大倍數(shù)提高到了32倍，用來觀察太空，從而擴(kuò)展了人類的視力，發(fā)現(xiàn)了一批以前從未發(fā)現(xiàn)的天體現(xiàn)象。

他利用望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)月球表面高低不平，有高山、深谷，也在自轉(zhuǎn)。他把月球上兩條主要山脈分別以“阿爾卑斯”和“亞平寧”來命名，繪制出世界上第一幅月面圖。他斷定月球自身并不發(fā)光，只能反射太陽(yáng)光。伽利略用簡(jiǎn)陋的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了有4顆衛(wèi)星在圍繞木星旋轉(zhuǎn)，他還先后發(fā)現(xiàn)了土星光環(huán)、太陽(yáng)黑子、太陽(yáng)的自轉(zhuǎn)、金星和水星的盈虧現(xiàn)象、月球的周日和周月天平動(dòng)以及銀河是由無(wú)數(shù)恒星組成等等，從而開辟了依靠觀測(cè)和實(shí)證了解天象、解釋天體運(yùn)動(dòng)的新時(shí)代。正如同哥倫布（C.Colombo，1451—1506）發(fā)現(xiàn)了“新大陸”一樣，伽利略發(fā)現(xiàn)了“新宇宙”。這些真實(shí)的、可重復(fù)的觀測(cè)結(jié)果，形成了對(duì)哥白尼日心說極其有力的支持。1610年3月，伽利略把觀察結(jié)果和對(duì)哥白尼學(xué)說的闡述寫成《星際信使》（SidereusNuncius）一書，在威尼斯公開發(fā)表，在當(dāng)時(shí)的歐洲社會(huì)產(chǎn)生了很大影響。

伽利略所主張的學(xué)說和提供的依據(jù)，從根本上對(duì)當(dāng)時(shí)的宗教教義提出了挑戰(zhàn)，因而遭到了教會(huì)的不公正審判，他也被判處終身監(jiān)禁。但是，真理的光輝終歸要照亮大地。由于伽利略的歷史貢獻(xiàn)，以及更多的科學(xué)依據(jù)和闡釋，日心說終于取代了延續(xù)千年的地心說。更重要的是，伽利略向人們展示了具有說服力的認(rèn)識(shí)自然的科學(xué)方法，即：依靠觀察和實(shí)驗(yàn)來了解自然的真實(shí)景象，依靠理論和數(shù)學(xué)分析來解釋所觀察到的現(xiàn)象。

伽利略是近代物理學(xué)的創(chuàng)始人。他首次把實(shí)驗(yàn)引進(jìn)力學(xué)，并利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法，先后確定了自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律、慣性定律、擺的等時(shí)性定律、合力定律、拋射體運(yùn)動(dòng)規(guī)律等一些重要的力學(xué)定律；他詳細(xì)研究了重心、速度、加速度等物理現(xiàn)象，并給出了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)表達(dá)。其中加速度概念的提出，是力學(xué)史上具有里程碑意義的事件，因?yàn)閺拇四軌蚨棵枋隽W(xué)中的動(dòng)力學(xué)部分。荷蘭科學(xué)家惠更斯（C.Huygens，1629—1695）在伽利略工作的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了單擺的周期公式和向心加速度的數(shù)學(xué)表達(dá)式，英國(guó)科學(xué)家牛頓在系統(tǒng)地總結(jié)了伽利略、開普勒、惠更斯等人的工作后，最終得出了萬(wàn)有引力定律和運(yùn)動(dòng)三定律。

伽利略留給后人的精神財(cái)富是極其寶貴的。伽利略所做的最重要的貢獻(xiàn)在于，他把邏輯方法和科學(xué)實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合在一起，奠定了近代科學(xué)的方法論基礎(chǔ)，這種新方法，使物理學(xué)告別了主觀猜測(cè)、形而上學(xué)和粗略定性，成為論據(jù)扎實(shí)、推理嚴(yán)謹(jǐn)、可實(shí)證、可檢驗(yàn)和可重復(fù)的科學(xué)，有力地推動(dòng)了近現(xiàn)代科學(xué)的誕生與發(fā)展。正是在這個(gè)意義上，伽利略被稱為科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法的創(chuàng)始人和近代科學(xué)的奠基人。愛因斯坦曾這樣評(píng)價(jià)：“伽利略的發(fā)現(xiàn)，以及他所用的科學(xué)推理方法，是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標(biāo)志著近代物理學(xué)的真正開端！”

二、人類對(duì)宇宙的探索需要各國(guó)不同領(lǐng)域科學(xué)家的緊密合作

認(rèn)知宇宙一直是人類的夢(mèng)想，人類一直試圖對(duì)浩渺的宇宙做出合理的解釋。中國(guó)古人提出過蓋天說和渾天說，中國(guó)漢代學(xué)者張衡（公元78—139）曾經(jīng)提出“宇之表無(wú)極，宙之端無(wú)窮”的無(wú)限宇宙概念。（《靈憲》，張衡著）。古希臘哲學(xué)家柏拉圖（Plato，約公元前427—前347）認(rèn)為宇宙中的物體呈現(xiàn)出最完美的圓形運(yùn)動(dòng)，宇宙由各個(gè)星層組成，存在著一個(gè)宇宙的中心。古希臘的天文學(xué)家托勒密（C.Ptolemaeus，約公元90—168）提出了地心說，認(rèn)為地球是宇宙的中心。哥白尼提出了日心說。牛頓提出了機(jī)械的宇宙觀，認(rèn)為在第一推動(dòng)力的作用下，宇宙按照機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律運(yùn)行著。法國(guó)人拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace，1749—1827）和德國(guó)人康德（I.Kant，1724—1804）提出了星云學(xué)說，認(rèn)為宇宙物質(zhì)是由星云逐漸變化而形成的。近代科學(xué)認(rèn)為，任何一種宇宙學(xué)說或者模型，都必須經(jīng)過觀測(cè)或?qū)嶒?yàn)的檢驗(yàn)，才能成為被普遍接受的科學(xué)理論。

隨著天文望遠(yuǎn)鏡等觀測(cè)和分析儀器的問世和改進(jìn)，人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)愈加清晰豐富。1781年前后，英國(guó)天文學(xué)家赫歇耳（F.W.Herschel，1738—1822）使用望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了天王星，這是人類第一次用望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的行星。天王星發(fā)現(xiàn)后，人們發(fā)現(xiàn)它總是有些偏離計(jì)算的軌道，于是有天文學(xué)家猜測(cè)，在天王星之外還存在一顆行星，它的引力干擾了天王星的運(yùn)行。1846年，英國(guó)的亞當(dāng)斯（J.C.Adams，1819—1892）和法國(guó)的勒威耶（U.Le Verrier，1811—1877）獨(dú)立對(duì)此進(jìn)行了研究，計(jì)算出這顆新行星即將出現(xiàn)的時(shí)間和地點(diǎn)，德國(guó)天文學(xué)家伽勒（J.G.Galle，1812—1910）在天文觀測(cè)中辨認(rèn)出這顆新行星，與預(yù)計(jì)的軌道只差1度。海王星的發(fā)現(xiàn)說明了天文觀測(cè)中理論指導(dǎo)的重要意義，在理論的指導(dǎo)下，不僅能夠確定新天體發(fā)現(xiàn)的區(qū)域和時(shí)機(jī)，更重要的是，能夠揭示出所觀測(cè)現(xiàn)象的科學(xué)意義。科學(xué)的最終意義不僅在于發(fā)現(xiàn)自然，更在于合理地解釋自然。

有了越來越先進(jìn)的觀測(cè)、分析等技術(shù)手段，有了越來越嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摵蛿?shù)學(xué)工具，人類對(duì)于宇宙的研究不斷深化和拓展。17世紀(jì)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些朦朧的擴(kuò)展天體，人們稱它們?yōu)椤靶窃啤?。仙女座星云是其中最亮的一個(gè)，但它是銀河系內(nèi)還是銀河系外的天體，一直有爭(zhēng)論。1924年，美國(guó)天文學(xué)家哈勃使用當(dāng)時(shí)世界上最大的2.4米口徑望遠(yuǎn)鏡，在仙女座星云里找到了造父變星，利用造父變星的光變周期和光度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定了它較準(zhǔn)確的距離，證明它確實(shí)是在銀河系之外，而且也像銀河系一樣，是由幾千億顆恒星以及星云和星際物質(zhì)組成的河外星系。迄今，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大約10億個(gè)河外星系，有人估計(jì)河外星系的總數(shù)在千億個(gè)以上。

I967年，英國(guó)天文學(xué)家休伊什（A.Hewish，1924—）和伯內(nèi)爾（J.B.Burnell，1943—）偶然地發(fā)現(xiàn)了脈沖星。脈沖星發(fā)射的射電脈沖周期非常穩(wěn)定。人們對(duì)此曾感到很困惑，甚至一度猜測(cè)這可能是宇宙中智慧生命發(fā)出的信號(hào)。而在此之前，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)中子后不久，1932年朗道（1908—1968）就提出可能有由中子組成的致密星。1934年巴德（W.H.W.Baade，1893—1960）和茲威基（F.Zwicky，1898—1974）提出了中子星的概念。1939年奧本海默（J.R.Oppenheimer，1904-1967）等通過計(jì)算建立了中子星模型。由于事先已經(jīng)有了關(guān)于中子星的理論，科學(xué)界很快就確認(rèn)了脈沖星是有極強(qiáng)磁場(chǎng)的快速自轉(zhuǎn)的中子星。這又是一個(gè)理論指導(dǎo)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的典型案例。

宇宙大爆炸模型更是理論指導(dǎo)發(fā)現(xiàn)的經(jīng)典案例。1915年，愛因斯坦提出了廣義相對(duì)論，奠定了現(xiàn)代宇宙學(xué)的理論基礎(chǔ)。根據(jù)廣義相對(duì)論的推測(cè)，宇宙不是穩(wěn)定態(tài)的，不是膨脹就是收縮。1922年，蘇聯(lián)物理學(xué)家弗里德曼根據(jù)愛因斯坦的相對(duì)論，提出了非靜態(tài)的宇宙模型，經(jīng)過哈勃、愛丁頓（A.S.Eddington，1882-1944）的研究，宇宙膨脹說得到越來越多的支持，1932年比利時(shí)天文學(xué)家勒梅特進(jìn)而提出“宇宙大爆炸”理論，這一理論逐漸成為宇宙起源與演化的主流理論。根據(jù)宇宙大爆炸模型，在宇宙的最早期，即距今大約137億年前或更早，今天所觀測(cè)到的全部物質(zhì)世界統(tǒng)統(tǒng)集中在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，溫度極高，密度極大。從大爆炸開始，宇宙歷經(jīng)了普朗克時(shí)期，強(qiáng)子時(shí)期，輕子時(shí)期（5秒），在100秒左右發(fā)生了核合成，產(chǎn)生氚和氦，宇宙以輻射物質(zhì)為主。大爆炸發(fā)生后約38萬(wàn)年，溫度下降到4000K，中性氫開始形成，宇宙進(jìn)入退耦時(shí)期，光子和物質(zhì)分離，光子成為宇宙背景輻射，宇宙進(jìn)入以物質(zhì)為主的黑暗時(shí)期。一直到大約2億年，第一批恒星和星系開始形成，宇宙逐漸被照亮，隨后的幾億年間，第一批超新星和黑洞形成。大約10億年，比星系更大尺度的星系團(tuán)形成，星系之間發(fā)生合并等劇烈演化活動(dòng)，恒星系統(tǒng)形成。經(jīng)過了漫長(zhǎng)的演化，形成了今天我們所看到的形形色色的宇宙。

宇宙大爆炸理論陸續(xù)得到一些觀測(cè)的證實(shí)。1929年，哈勃發(fā)觀星系距離我們?cè)竭h(yuǎn)，遠(yuǎn)離我們的速度越快，被稱為哈勃定律，從而證實(shí)了當(dāng)前的宇宙處于膨脹狀態(tài)；哈勃定律與宇宙大爆炸模型的預(yù)言一致，已被28000個(gè)星系的紅移（或退行速度）與距離的關(guān)系的觀測(cè)數(shù)據(jù)所證實(shí)。

20世紀(jì)60年代，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的彭齊亞斯和威爾遜探測(cè)到了3.5K的宇宙微波背景輻射，這與1948年俄裔美籍科學(xué)家伽莫夫和比利時(shí)人勒梅特等改進(jìn)的宇宙大爆炸模型非常符合。即我們今天觀測(cè)到的近乎各向同性的宇宙微波背景輻射，是宇宙膨脹冷卻到光子不再和宇宙物質(zhì)發(fā)生相互作用時(shí)留下的退耦“遺跡”，當(dāng)時(shí)的宇宙溫度約為4000K，按照宇宙的膨脹速率，到今天恰好為3K左右。

1989年美國(guó)發(fā)射的COBE衛(wèi)星對(duì)微波背景輻射的精密測(cè)量進(jìn)一步表明，在10-4精度內(nèi)，宇宙是各向均勻、同性的，這樣就進(jìn)一步證實(shí)了宇宙大爆炸模型。宇宙大爆炸模型預(yù)言宇宙今天的年齡約為137億年，宇宙中的天體，如恒星、星系等，都是在宇宙形成以后逐漸形成的，所以它們的年齡必須小于宇宙年齡，這也符合目前的觀測(cè)；宇宙大爆炸模型預(yù)言了宇宙中輕元素的豐度，如氦的豐度約為25%，氫的豐度約為75%。多年來人們對(duì)天體輕元素豐度的觀測(cè)結(jié)果，正好與宇宙大爆炸模型的預(yù)言相一致，從而成為宇宙大爆炸模型的證據(jù)。宇宙大爆炸模型的提出和證實(shí)再一次表明，宇宙學(xué)的研究，需要各國(guó)不同領(lǐng)域科學(xué)家的緊密合作；宇宙學(xué)的研究，不僅需要理論上的創(chuàng)新，而且也需要觀測(cè)和分析手段的創(chuàng)新。

三、人類探索太空的動(dòng)力源自認(rèn)知和駕馭客觀世界的科學(xué)精神

探索太空是人類自古以來的夢(mèng)想，中國(guó)在春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期就有嫦娥奔月的傳說。明代有一個(gè)叫“萬(wàn)戶”的飛天實(shí)踐家，被譽(yù)為第一個(gè)利用火箭動(dòng)力實(shí)現(xiàn)航天之夢(mèng)的先驅(qū)。但是他失敗了，原因是既無(wú)科學(xué)理論指導(dǎo)，也無(wú)技術(shù)條件保障。100多年前，俄國(guó)科學(xué)家齊奧爾科夫斯基（1857-1935）發(fā)表了《用火箭推進(jìn)飛行器探索宇宙》的科學(xué)論文，第一次系統(tǒng)地闡述了宇宙航行的基本理論和方法。他曾經(jīng)說過：“地球是人類的搖籃，但人不能永遠(yuǎn)生活在搖籃里。他們不斷地向外探尋著生存的空間：起初是小心翼翼地穿出大氣層，然后就是征服整個(gè)太陽(yáng)系?！彪m然他的夢(mèng)想在當(dāng)時(shí)的科技條件下無(wú)法成真，但卻為火箭技術(shù)和星際航行奠定了基本理論。他的名言一直激勵(lì)著人類為掙脫大地的束縛進(jìn)入和探索太空而進(jìn)行著不懈的努力。

隨著人類技術(shù)水平的不斷提高，1957年，蘇聯(lián)發(fā)射了人類第一顆人造衛(wèi)星Sputnik 1號(hào)，拉開了現(xiàn)代航天事業(yè)的序幕。到了20世紀(jì)末，已有20多個(gè)國(guó)家和組織進(jìn)入了“太空俱樂部”，合計(jì)進(jìn)行了數(shù)千次的太空發(fā)射，把5千個(gè)各類衛(wèi)星、太空探測(cè)器、宇宙飛船、航天飛機(jī)送上太空。至今在我們頭頂上仍有1千多顆人造衛(wèi)星。氣象衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、電視衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等等，都在為人們提供著各類服務(wù)。

1961年4月，蘇聯(lián)宇航員加加林（1934-1968）乘坐“東方1號(hào)”飛船升空，在最大高度為301千米的軌道上繞地球飛行一周，完成了世界上首次載人宇宙飛行。1969年7月，美國(guó)“阿波羅11號(hào)”飛船承載著全人類的夢(mèng)想飛抵月球，宇航員阿姆斯特朗（N.Armstrong，1930-）成為登陸月球第一人。這些都是人類航天事業(yè)中的里程碑式事件。

隨著航天科技的發(fā)展，人類已由在太空中的短暫停留，發(fā)展到可以在太空中長(zhǎng)期生活，現(xiàn)在已有人在太空站生活了一年。迄今，全世界已發(fā)射了9個(gè)空間站。蘇聯(lián)是首先發(fā)射載人空間站的國(guó)家，其禮炮1號(hào)空間站在1971年4月發(fā)射成功，美國(guó)在1973年5月14日成功發(fā)射太空實(shí)驗(yàn)室的空間站。蘇聯(lián)于1986年2月發(fā)射了大型的和平號(hào)空間站，這個(gè)空間站全長(zhǎng)13.13米，最大直徑4.2米，重21噸。國(guó)際空間站于1993年完成設(shè)計(jì)，開始實(shí)施。該空間站以美國(guó)、俄羅斯為首，共16個(gè)國(guó)家參與研制。其設(shè)計(jì)壽命為10～15年，建成后總質(zhì)量將達(dá)438噸，長(zhǎng)108米。太空站的出現(xiàn)，為人類持續(xù)研究太空環(huán)境、利用微重力環(huán)境研究物理、生物、化學(xué)等問題，深化對(duì)物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，研究人類在太空生存時(shí)的生理和心理變化，創(chuàng)造了條件。

中國(guó)于1970年4月發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星“東方紅一號(hào)”。2003年10月，楊利偉乘坐“神舟五號(hào)”飛船成功實(shí)現(xiàn)了中國(guó)第一次載人太空飛行；2008年9月，中國(guó)“神舟七號(hào)”宇航員翟志剛成功地進(jìn)行了第一次太空行走；2007年10月24日，我國(guó)“嫦娥一號(hào)”探月衛(wèi)星成功發(fā)射升空，并在隨后的數(shù)天里圓滿地完成了月球探測(cè)任務(wù)。中國(guó)作為一個(gè)太空科技的后發(fā)國(guó)家，走的是一條低投入、高效益、自主發(fā)展的道路。我們堅(jiān)信，在不久的將來，中國(guó)航天科技一定會(huì)有更大的飛躍，將為國(guó)家富強(qiáng)、民族振興做出更大的貢獻(xiàn)。

人類在探索太空的歷程中，也經(jīng)歷了艱辛，甚至犧牲生命。以美國(guó)為例，到目前為止，美國(guó)共犧牲17名宇航員。1967年1月27日阿波羅1號(hào)失事，犧牲3名宇航員，1986年1月28日挑戰(zhàn)者號(hào)失事，犧牲7名宇航員，2003年2月1日哥倫比亞號(hào)失事，犧牲7名宇航員。盡管歷經(jīng)失敗，但人類在走向太空的征程中已經(jīng)取得了輝煌的成就，而且還會(huì)取得新的輝煌。人類探索太空的原動(dòng)力，就來自人類渴望認(rèn)知和駕馭客觀世界的科學(xué)精神，伽利略所秉承和堅(jiān)持的也正是這種精神。這種科學(xué)精神值得我們有志獻(xiàn)身科學(xué)的每一個(gè)人用畢生的精力去堅(jiān)持，并一代又一代地發(fā)揚(yáng)光大。

四、儀器的改進(jìn)與科學(xué)的進(jìn)步

技術(shù)手段的改進(jìn)，往往能夠促進(jìn)新知識(shí)的產(chǎn)生，進(jìn)而促進(jìn)科學(xué)的進(jìn)步。天文學(xué)與物理學(xué)、化學(xué)等其他絕大多數(shù)自然科學(xué)一樣，是建立在觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的科學(xué)。天文學(xué)研究的進(jìn)步既需要理論的創(chuàng)新與發(fā)展，也需要觀測(cè)分析儀器的創(chuàng)新。每一次天文觀測(cè)方法和設(shè)備的革新，都推動(dòng)了天文學(xué)研究的發(fā)展。望遠(yuǎn)鏡的集光能力，空間、時(shí)間分辨率等性能的提高，往往引發(fā)天文學(xué)前沿研究的新突破。從可見光學(xué)波段到射電波段，再發(fā)展到紫外、紅外、X-射線及γ-射線，全電磁波段天文觀測(cè)向我們開啟了全新的宇宙觀測(cè)窗口和視角。僅以20世紀(jì)60年代為例，利用第二次世界大戰(zhàn)中雷達(dá)技術(shù)的進(jìn)展，射電天文學(xué)脫穎而出，直接導(dǎo)致了類星體、脈沖星、星際分子和宇宙微波背景輻射四大里程碑式的天文發(fā)現(xiàn)，有五項(xiàng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了相應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者。

隨著空間技術(shù)的飛速發(fā)展，科學(xué)家利用新一代空間望遠(yuǎn)鏡、天文衛(wèi)星等探測(cè)手段，獲得了大量新的觀測(cè)數(shù)據(jù)，豐富了我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。最突出的例子就是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（Hubble Space Telescope，HST），該望遠(yuǎn)鏡于1990年升空，主鏡直徑2.4米。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡工作19年來，對(duì)深空中的2.6萬(wàn)個(gè)天體拍攝了50萬(wàn)張以上的照片，根據(jù)對(duì)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果的研究，產(chǎn)生了超過7000多篇科學(xué)論文，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡已成為產(chǎn)出成果最高的天文學(xué)設(shè)備之一（美國(guó)《大眾機(jī)械》雜志：世界功能最強(qiáng)5大天文望遠(yuǎn)鏡）。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡幫助科學(xué)家測(cè)定了宇宙年齡，證實(shí)了多數(shù)星系中央都存在黑洞，發(fā)現(xiàn)了年輕恒星周圍孕育行星的塵埃盤，確認(rèn)宇宙正加速膨脹，還提供了宇宙中存在暗能量的證據(jù)。

再比如2000年開始的斯隆數(shù)字巡天觀測(cè)（Sloan Digital Sky Survey，SDSS），觀測(cè)25%的天空，獲取超過一百萬(wàn)個(gè)天體的多色測(cè)光資料和光譜數(shù)據(jù)；我國(guó)自主研制的LAMOST望遠(yuǎn)鏡，采用實(shí)時(shí)主動(dòng)變形反射施密特改正板和4000根光纖同時(shí)精確定位技術(shù)，以前所未有的4米通光口徑同時(shí)具備5度觀測(cè)視場(chǎng)，計(jì)劃將人類對(duì)天體的光譜巡天數(shù)據(jù)再增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到千萬(wàn)級(jí)；[在世界上已有的天文觀測(cè)設(shè)備中，LAMOST成為了集中并大規(guī)模應(yīng)用今年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的兩項(xiàng)應(yīng)用成果——光纖通訊和電荷耦合探測(cè)器件（CCD）的最為典型的天文望遠(yuǎn)鏡：4000根光纖+32個(gè)4000×4000CCD探測(cè)器，這進(jìn)一步說明了天文學(xué)和技術(shù)應(yīng)用之間的辯證關(guān)系：天文學(xué)既依賴又推動(dòng)技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展]；2003年開始公布數(shù)據(jù)的威爾金森微波各向異性探測(cè)器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，WMAP），力圖找出宇宙微波背景輻射的溫度之間的微小差異，以幫助驗(yàn)證有關(guān)宇宙產(chǎn)生與演化的各種理論。這些技術(shù)手段的發(fā)明和改進(jìn)，以前所未有的精度把人們帶入到“精確宇宙學(xué)”時(shí)代，有助于不斷深化人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。

天文學(xué)的發(fā)展離不開其他學(xué)科，同樣，天文學(xué)的發(fā)展也促進(jìn)了其他學(xué)科的進(jìn)步。太陽(yáng)系的行星運(yùn)動(dòng)是理想的牛頓力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，而中子星、黑洞乃至整個(gè)宇宙則是檢驗(yàn)愛因斯坦引力理論的實(shí)驗(yàn)室。天文學(xué)提供了檢驗(yàn)各種極端物理?xiàng)l件，如微重力、極高（低）溫、極高（低）壓、極大（弱）引力、極高（低）密度、極強(qiáng)（低）磁場(chǎng)等的物理理論的“宇宙實(shí)驗(yàn)室”。宇宙在演化中形成了地球上幾乎所有的化學(xué)元素，并由這些元素產(chǎn)生出各種無(wú)機(jī)分子和有機(jī)分子。因此生命物質(zhì)的起源很可能并不是地球獨(dú)有的，在宇宙其他天體中也可能存在著氨基酸等生命物質(zhì)，從這個(gè)意義上說，宇宙也應(yīng)是生命起源與演化的實(shí)驗(yàn)室?，F(xiàn)代天體物理學(xué)中提出的暗物質(zhì)、暗能量、反物質(zhì)等問題的深入研究，將對(duì)物理學(xué)的基礎(chǔ)產(chǎn)生重大的影響。在化學(xué)元素周期表上位居第二位的元素氦，是首先在對(duì)太陽(yáng)的觀察中發(fā)現(xiàn)的。最早測(cè)定光速的方法之一，正是利用了木星衛(wèi)星的掩食現(xiàn)象。人類曾經(jīng)長(zhǎng)期探索太陽(yáng)巨大能量的來源問題，19世紀(jì)末，發(fā)現(xiàn)了元素的放射性，英國(guó)科學(xué)家盧瑟福提出，能量足夠大的氫核碰撞后可能發(fā)生聚變反應(yīng)，這可能是太陽(yáng)能的來源。依靠核聚變理論和實(shí)驗(yàn)，人類發(fā)明了氫彈，50多年來，許多國(guó)家又在研究以可控核聚變作為新型能源。廣義相對(duì)論發(fā)表后的一段時(shí)間里，一直得不到實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。1919年，英國(guó)天文學(xué)家愛丁頓在日全食期間觀測(cè)到了太陽(yáng)附近恒星位置的偏移，測(cè)得的偏移量與廣義相對(duì)論的計(jì)算結(jié)果符合得很好，廣義相對(duì)論第一次得到了觀測(cè)證據(jù)的支持。加上后來的金星雷達(dá)回波延遲，行星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)，太陽(yáng)光譜和白矮星光譜引力紅移等現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，廣義相對(duì)論進(jìn)一步得到了驗(yàn)證。

天文儀器的創(chuàng)新，有時(shí)候也能同時(shí)促進(jìn)其他學(xué)科的發(fā)展。望遠(yuǎn)鏡是觀測(cè)宇宙的工具，其每一個(gè)歷史發(fā)展階段，都是最先進(jìn)的精密光學(xué)機(jī)械與電子技術(shù)的集成。望遠(yuǎn)鏡的研發(fā)改進(jìn)，不斷向高新技術(shù)及制造技術(shù)提出挑戰(zhàn)，從而帶動(dòng)了高新技術(shù)的創(chuàng)新。很多基于望遠(yuǎn)鏡的科技創(chuàng)新成果，可以廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)。例如，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)、激光導(dǎo)星、大規(guī)模波前探測(cè)器和校正器等技術(shù)，可應(yīng)用于高分辨率望遠(yuǎn)鏡、深空自由空間光通訊、激光光束和光學(xué)成像整形與控制等；天文學(xué)紅外探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展，將有利于夜視導(dǎo)航與預(yù)警，衛(wèi)星氣象預(yù)報(bào)，資源、災(zāi)害遙感，醫(yī)學(xué)成像診斷等技術(shù)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。

五、宇宙探索——永無(wú)止境的科學(xué)前沿

伽利略憑借簡(jiǎn)單的望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)了原先未知的太陽(yáng)系中的一些現(xiàn)象；人類依靠不斷改進(jìn)的觀測(cè)設(shè)備，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)了太陽(yáng)系、銀河系以外的宇宙；今天，人類的研究觸角已伸向宇宙誕生之初，伸向宇宙的邊緣。然而，宇宙探索是永無(wú)止境的科學(xué)前沿，我們已知的宇宙現(xiàn)象，比起我們未知的宇宙奧秘，如同滄海一粟，人類對(duì)宇宙的認(rèn)知，就像剛剛學(xué)會(huì)爬行的嬰兒一樣，還有遙遠(yuǎn)的路程。

盡管宇宙暴脹大爆炸模型取得了很大的成功，但是我們對(duì)于暴脹的機(jī)制和大爆炸的具體過程尚不清楚，還沒有解決宇宙的視界、奇性、宇宙學(xué)常數(shù)等重要問題，還完全不理解主導(dǎo)宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成和演化的暗物質(zhì)和暗能量，還沒有完全認(rèn)識(shí)宇宙中正反物質(zhì)的不對(duì)稱性的根源，也沒有全面揭示宇宙中黑洞的形成和增長(zhǎng)以及星系的形成和演化的規(guī)律。特別是暗物質(zhì)、暗能量和黑洞問題，被認(rèn)為是宇宙研究中最具挑戰(zhàn)性的課題，有待于進(jìn)一步的深入探索研究。

暗物質(zhì)是宇宙中無(wú)法直接觀測(cè)到的物質(zhì)，但它卻能干擾星體發(fā)出的光波或引力，所以科學(xué)家可以認(rèn)識(shí)到暗物質(zhì)的存在。暗物質(zhì)是宇宙的重要組成部分。暗物質(zhì)的總質(zhì)量是普通物質(zhì)的6.3倍，而我們可以看到的物質(zhì)還不到宇宙總物質(zhì)的10%，暗物質(zhì)可能主導(dǎo)了宇宙結(jié)構(gòu)的形成。科學(xué)家曾對(duì)暗物質(zhì)的特性提出了多種假設(shè)，但暗物質(zhì)的本質(zhì)現(xiàn)在還是個(gè)謎。

暗能量是一種不可見的、能推動(dòng)宇宙運(yùn)動(dòng)的能量，暗能量的存在直到1998年才被天文學(xué)家初步證實(shí)。暗能量是近年宇宙學(xué)研究的另一個(gè)具有里程碑式的重大成果。有科學(xué)家推測(cè)，宇宙中所有的恒星和行星的運(yùn)動(dòng)基本都是由暗能量來推動(dòng)的。支持暗能量的主要證據(jù)有兩個(gè)：一是對(duì)遙遠(yuǎn)的超新星所進(jìn)行的大量觀測(cè)表明，宇宙在加速膨脹。按照愛因斯坦引力場(chǎng)方程，能夠從加速膨脹的現(xiàn)象推論出宇宙中存在著壓強(qiáng)為負(fù)的“暗能量”；另一個(gè)證據(jù)來自于近年對(duì)微波背景輻射的研究精確地測(cè)量出的宇宙中物質(zhì)總密度。值得注意的是，觀測(cè)得出的物質(zhì)能量總量，超過了普通物質(zhì)和暗物質(zhì)的質(zhì)量之和，所以必須有某種成分，例如，暗能量，來補(bǔ)差。

從哲學(xué)的角度來講，暗物質(zhì)和暗能量相繼被證實(shí)存在對(duì)人們的觀念是一次極大的沖擊和突破。當(dāng)年哥白尼僅僅將宇宙的中心從地球搬到太陽(yáng)，就引起了全世界的軒然大波，人們不得不重新審視自身在宇宙中所扮演的角色。天文學(xué)上的發(fā)現(xiàn)不斷地突破人們剛剛確定的關(guān)于宇宙中心的知識(shí)體系，直到愛因斯坦提出廣義相對(duì)論后，人們才發(fā)現(xiàn)宇宙根本沒有所謂的中心。暗物質(zhì)和暗能量的存在同樣是以前人類無(wú)法想象的事情，但它們就存在于整個(gè)宇宙中，并在宇宙的構(gòu)成和作用等方面居于主導(dǎo)地位。

反物質(zhì)是由反原子構(gòu)成的物質(zhì)。反質(zhì)子、反中子和反電子如果像質(zhì)子、中子、電子那樣結(jié)合起來就形成了反原子。反物質(zhì)正是一般物質(zhì)的對(duì)立面，而一般物質(zhì)是構(gòu)成宇宙的主要部分。物質(zhì)與反物質(zhì)的結(jié)合，會(huì)如同粒子與反粒子結(jié)合一般，導(dǎo)致兩者湮滅，且因而釋放出高能光子或γ射線。根據(jù)愛因斯坦著名的質(zhì)能關(guān)系式E=mc2，如果質(zhì)量湮滅，就會(huì)產(chǎn)生能量。正反物質(zhì)湮滅時(shí)質(zhì)量幾乎損失殆盡，產(chǎn)生的能量比重核裂變和輕核聚變產(chǎn)生的能量大得多，會(huì)將100%質(zhì)量轉(zhuǎn)化成能量，而利用聚變反應(yīng)的氫彈則大約只有7%的質(zhì)能轉(zhuǎn)換。

人類走向太空的征程同樣也只是剛剛起步。自從1961年2月12日蘇聯(lián)發(fā)射“金星”號(hào)探測(cè)器奔赴金星以來，各種宇宙探測(cè)器已先后對(duì)月球、水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星、哈雷彗星以及許多小行星和衛(wèi)星進(jìn)行了近距離或?qū)嵉乜疾?，獲得了豐碩的成果，而且不斷有新的發(fā)現(xiàn)。借助太空探測(cè)器，人們看到金星終日蒙上的一層密霧濃云及溫暖世界，破解了火星上的所謂人工運(yùn)河和生命存在之謎，觀察到土星的奇異光環(huán)和衛(wèi)星家族以及木星及其極光景觀等，使人類對(duì)于太陽(yáng)系的認(rèn)識(shí)更加清晰?，F(xiàn)在，美國(guó)于1977年8月發(fā)射的“旅行者2號(hào)”太空探測(cè)器已經(jīng)飛離太陽(yáng)系，正在走向其他星系。人類雖然已經(jīng)在近地軌道、遠(yuǎn)地軌道乃至月球留下了足跡，但尚未到達(dá)其他行星，還有漫長(zhǎng)的太空征程等待人類去探索。

宇宙的魅力，宇宙探索的挑戰(zhàn)性，宇宙蘊(yùn)含的豐富科學(xué)問題，無(wú)疑為青年人展示自己的潛力，為人類提升創(chuàng)造力，提供了無(wú)與倫比的舞臺(tái)。有志者應(yīng)像伽利略那樣，不畏艱險(xiǎn)，執(zhí)著追求，不斷探索，不斷開拓新的科學(xué)領(lǐng)域，深化人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。我們紀(jì)念伽利略，不僅是為了紀(jì)念他對(duì)科學(xué)的巨大貢獻(xiàn)，更要學(xué)習(xí)、繼承和發(fā)揚(yáng)伽利略的勇于創(chuàng)新、善于創(chuàng)新和為科學(xué)真理而獻(xiàn)身的精神，為提高我國(guó)的自主創(chuàng)新能力，建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家，不斷做出創(chuàng)新貢獻(xiàn)。

（摘自中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社《創(chuàng)新的啟示：關(guān)于百年科技創(chuàng)新的若干思考》）