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问题16：我们人类是微不足道的吗？
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让我们一起来探索这些问题吧！在接下来的4章里，我们将回答其中11个问题。你会发现剩下的5个问题令人极其纠结。但是，首先让我们回到那个幼儿园小朋友的问题上，这将是本书第一部分的中心主题：空间是无边无际的吗？
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被低估的空间
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我父亲曾给过我一个建议：“如果你遇到一个无法回答的难题，那么在所有你不能回答的问题里，先选择一个简单一些的问题来处理。”怀着同样的精神，让我们先问一个更简单的问题：在不与我们的观测结果相违背的前提下，空间最小能有多小？图1-1描绘了人们对这个问题的回答随着时间发展而变化的情况。从图中可以看出，几个世纪以来，这个问题的答案发生了翻天覆地的改变：今天我们已知的宇宙比狩猎的祖先们所知道的最远距离——他们一生所行走的距离，大了10亿兆（1021）倍。并且，这种视野的扩张不是一锤定音，而是屡次上演。每次，当我们有能力把窥探宇宙的镜头拉得更远一些时，就会发现，之前所发现的一切只是一个更庞大物体的一小部分。而从图1-2中可以看到，一个国家也只是一颗行星上的一小片土地，而这颗行星只是太阳系的一小部分，而太阳系只是银河系的小小一隅，银河系只是一个星系团的一个小角落，这个星系团也仅仅只是可观测宇宙的一小部分，甚至连可观测宇宙，在我看来都只是一层或几层平行宇宙中小小的一个。
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图1-1 从这张图中可以看到，我们认为的宇宙下限，随着时间的推移在逐渐扩大。而在纵坐标上，相邻刻度之间的差距竟有10倍之多！
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图1-2 每次，当我们有能力把窥探宇宙的镜头拉得更远一些，就会发现，之前所发现的一切只是一个更庞大物体的一小部分：一个国家也只是一颗行星上的一小片土地（左图1），这颗行星只是太阳系的一小部分，太阳系只是银河系的小小一隅（左图2），银河系只是一个星系团的小角落（右图2），这个星系团也仅仅只是可观测宇宙的一小部分（右图1），甚至连可观测宇宙，在我看来都只是一层或几层平行宇宙中小小的一个。
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就像把头埋在沙子里的鸵鸟一样，人类总是一次又一次地假定，我们能看见的范围就是宇宙的全部了，并总是错误地认为我们人类位于宇宙的中心。在探索宇宙的漫长道路上，宇宙的大小总是一次又一次地被低估，这几乎成了一个永恒的主题。然而，图1-2却反映出第二个主题，也是我认为非常有启发性的一个主题：我们不但一次又一次地低估了宇宙的尺度，还一次又一次地低估了人类智慧理解宇宙的能力。山顶洞人的大脑与我们现代人的大脑差不多大小，当夜幕来临，既然他们不会坐在家里看电视，那么一定会仰望星空，并提出诸如“天上那些玩意儿是什么”“它们从哪里来”这样的问题。他们传颂着优美的神话故事，却没有意识到自己具有解答这些问题的潜能。秘诀不在于飞向群星深处去亲自勘察这些天体，而在于放飞你的想象。
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如果你确信一件事不可能成功，于是就不去尝试，那这件事注定会失败。从事后诸葛亮的角度来看，物理学上所有重大的突破，本来都应该发生得更早一些，因为促使它发生的工具早就存在了。如果一个冰球运动员错误地认为自己的球棍坏掉了，那即使他面对一个无人防守的空门，也无法进球。在接下来的几章里，我将和你分享一些故事，你将看到，牛顿、亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann，宇宙学家、数学家）、乔治·伽莫夫（George Gamow，物理学家、天文学家）和休·埃弗雷特（Hugh Everett，物理学家）是如何克服这种“确信的失败”的。诺贝尔物理学奖得主史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）正是怀着这样的心情对我说：“在物理学的世界里，这是常发生的事情——我们并不是错在太把自己的理论当回事，而是错在太不把自己的理论当回事了。”
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首先，让我们来看看如何测量地球的大小，以及地球和月球、太阳、其他恒星和其他星系之间的距离。我个人认为这是有史以来最饶有趣味的侦探故事之一，说不定正是它促成了现代科学的诞生，所以我非常急切地想要和你分享，把它作为开胃菜，放在正餐前——别忘了，正餐是宇宙学领域最新的突破性进展。正如你所看到的那样，前4个例子并不复杂，只需要测量一些角度就可以了。但它们也无不证明：对熟视无睹的日常事物提出疑问是一件多么重要的事情，因为最关键的线索可能就隐藏在其中。
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哥伦布的好运气
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在人类最初驶向大海时，就注意到了一个事实：当船只驶向地平线时，船体总是比船帆消失得更早。这让他们开始产生一个观点：大海的表面是弯曲的，所以地球是球形的，就像太阳和月亮看起来的那样。古希腊人更是找到了直接的证据。他们发现，月食时，地球投影在月亮上的阴影是圆形的（见图1-3）。从航海中估算地球的尺度，其实很容易。[3]
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图1-3 在月食的过程中，月亮会穿越地球造成的阴影地带（如图中所示）。2 000多年前，古希腊天文学家、萨莫斯的阿里斯塔克斯（Aristarchus of Samos）将月食时地球投影在月亮上的阴影大小与月亮本身进行了比较，精确地推导出了月亮的大小约是地球的1/4。（延时摄影由安东尼·艾因梅米缇斯[Anthony Ayiomamitis]拍摄）
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但2 200年前，古希腊天文学家埃拉托斯特尼（Eratosthenes）只巧妙地利用了一下角度，就计算出了一个更加精确的结果。他知道，夏至那天，在古埃及城市赛伊尼（Syene），正午的太阳会恰好出现在头顶；但在794公里以北的亚历山大港，此时的太阳会略偏南7.2°。这样，他计算出，走794公里的路程，相当于在地球周长的360°里绕了7.2°，那么地球的周长应该大致等于39 700公里（794×360°÷7.2°），这与现代测量的40 000公里相当接近。
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令人惊讶的是，意大利航海家哥伦布却完全弄错了。他在计算里程时，错误地把阿拉伯的英里和意大利的英里搞混了，以为自己只用航行3 700公里就能到达东方。实际上，这个数字应该是19 600公里。如果他当时计算正确，可能就没人肯为他的航行埋单了。而假如美洲不存在，那他估计也早已葬身大海了。所以，有时候运气反而比正确更重要。
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误打误撞地解开日地距离的谜题
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月食和日食，在历史上曾激发了人类无数的恐惧、敬畏和神秘的传说。实际上，当哥伦布搁浅在牙买加时，他还设法预测1504年2月29日的月食，从而恐吓当地原住民。但是，月食也曾提供了优美的线索，让人类能对宇宙的大小猜测一二。2 000多年以前，古希腊天文学家阿里斯塔克斯注意到了图1-3中的现象：当地球运行到太阳和月亮之间时，就会出现月食，此时地球投影在月亮上的影子拥有一道圆滑的曲线边缘——而地球的这个圆形影子比月亮大上了好几倍。阿里斯塔克斯还意识到，这个阴影应该比地球本身要小一点点，因为地球比太阳小。他把这个复杂性考虑进去以后，计算出地球应该比月球大3.7倍。由于埃拉托斯特尼已经计算出了地球的周长，于是阿里斯塔克斯就这样简单地用其除以3.7，就得到了月球的周长！我认为，正是这一刻，人类开始放飞自己的想象力，并开启了征服宇宙的征程。在阿里斯塔克斯之前，无数人仰望夜空，疑惑月亮到底有多大，但他是第一个真正算出结果的人。而他只用脑力就完成了这件事，并没有用火箭。
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一个科学突破常常伴随着更多的发现。这一次，当人们知道了月球的大小，便明白了它与地球之间的距离。请抬起你的手，伸直手臂，看看周围有什么东西能被你的小拇指挡住。你的小拇指在视野中所覆盖的角度约为1°，大概是月亮覆盖范围的2倍——下次月亮出来时，记得验证一下哦。对一个覆盖0.5°范围的物体来说，它与你之间的距离大约等于它大小的115倍。所以，如果你坐飞机时，从窗户往外看，发现你用半个小指头就能覆盖住地面上一个50米大小的游泳池（奥林匹克运动会游泳比赛的泳池也这么大），那你就能算出飞机的航行高度大约为6 000米（115×50米）。用同样的方法，阿里斯塔克斯计算出月球与地球的距离为月球大小的115倍，差不多等于地球直径的30倍。
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地球和太阳之间有多远
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那么，太阳距离地球有多远呢？请再次伸出你的小拇指，你会发现，太阳覆盖的角度与月亮差不多，约为0.5°。太阳肯定比月球远多了，因为日全食时，月亮几乎才刚刚能把太阳挡住。那么，太阳到底有多远呢？这取决于它有多大——假如它是月亮的3倍大，它也得是月亮的3倍远，才能覆盖同样大小的角度。
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阿里斯塔克斯在他那个年代可谓顺风顺水，他聪明地解决了这个问题。他意识到，在弦月发生时，太阳、月亮和地球组成了一个直角三角形。此时，我们能看见月球正面正好有一半被太阳照亮（见图1-4）。他估算了一下，此时月亮和太阳之间的角度大约为87°。这样，他知道了这个三角形的形状，以及地球和月亮相连组成的边的长度，于是，他用三角法算出了太阳和地球相连组成的边的长度，这也正是太阳和地球之间的距离。他的结论是：太阳与地球之间的距离，大约比月球到地球间的距离远20倍，所以，它一定比月亮大了20倍。换句话说，太阳可真大啊，直径比地球大了5倍多。洞悉了这一点，阿里斯塔克斯早在天文学家哥白尼之前许多年，就提出了日心说：他认为，太阳比地球大那么多，应该是地球绕着太阳转更合理，而不是太阳绕着地球转。
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