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给孩子讲宇宙 [:1700920910]
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给孩子讲宇宙 第2讲 宇宙是什么样的
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经过上节课的学习，小朋友们应该对地球有了一个空间上的概念：它只是一粒普普通通、悬浮在茫茫宇宙中的微小尘埃。别看简单，这其实是一个非常了不起的认知。因为在历史上绝大多数的时间里，人类一直相信地球是一种极为特殊、至高无上的存在。
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从亚里士多德的时代开始，人类就一直认为地球是宇宙的中心。这源于一个非常简单的观察：日月星辰都在周而复始地围绕地球旋转。基于这种观念，在公元140年，古埃及天文学家托勒密建立了历史上第一个比较靠谱的宇宙学模型，这就是地心说。
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下图展示了地心说的宇宙图像。地球坐镇宇宙的正中心并保持静止，从内向外依次是月球、水星、金星、太阳、火星、木星和土星。月球和太阳都在围绕着地球做圆周运动。而其他五颗行星，它们的运动情况很像是游乐园里的旋转咖啡杯：首先，它们都在一个叫本轮的小圆上旋转；其次，本轮的圆心也在一个叫均轮的大圆上绕地球运动。换言之，五颗行星的运动轨迹是由本轮和均轮这两个圆周运动组合而成的。更外面，则是一个水晶球似的巨大球壳，叫恒星天，其他星星全都镶嵌在这个恒星天的内壁上。托勒密的地心说是一个比较完善的科学理论，可以很好地解释当时的各种天文学现象。因此，它被人们奉为经典，统治了学术界长达1400年之久。
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一直到公元1543年，地心说的统治地位才发生动摇。那一年，波兰天文学家哥白尼出版了著名的《天体运行论》，书中提出了一个新的宇宙学模型，也就是我们今天熟悉的日心说。下图描绘了日心说的宇宙图像。这次换成太阳坐镇宇宙的正中心；从内向外依次是水星、金星、地球、火星、木星和土星，都在围绕着太阳做圆周运动。更外面，则是与地心说一样的恒星天。小朋友们可以看到，与地心说相比，用日心说来描绘宇宙要简洁很多，不用又是本轮又是均轮地画上一大堆圆圈了。
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其实哥白尼早在四十岁的时候就已经写出了《天体运行论》，但直到整整三十年后，他才将此书正式出版。这是由于在那个年代，天主教会还是欧洲的统治者，而赋予地球至高无上地位的地心说，早已被整合成了天主教神学体系的一部分，是摸不得的老虎屁股。为了避免被秋后算账，哥白尼耍了一个滑头。他选择在他不久于人世的时候出版《天体运行论》，这样就算罗马教廷要找他麻烦，也没法拿一个死人怎么样了。
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伽利略
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现在有两个关于宇宙的理论：地心说和日心说。到底哪个才是对的呢？人们为此争论了好几十年，也争不出个所以然。直到17世纪初，一位科学巨人的出现才打破这个僵局。
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1608年，一个荷兰的眼镜店老板偶然间发现用两块前后放置的镜片可以看清远处的物体，进而造出了人类历史上的第一架望远镜。这个消息传到了意大利，引起了大科学家伽利略的浓厚兴趣。1609年，伽利略造出了一个质量更好的望远镜，能把远处的物体放大三十多倍。他把这个望远镜放在了一个塔楼的顶层，并邀请威尼斯的一些达官贵人前来观看。这个新奇的玩意儿让所有访客都大呼过瘾，也给伽利略带来了事业上的进步。不久，佛罗伦萨公国的大公就向他发出邀请，高薪聘请他担任佛罗伦萨的首席宫廷科学家。伽利略接受了邀请，这让很多威尼斯人大为不满。比如，有一个叫克莱默尼尼的哲学家，曾经向伽利略借过一笔钱，当他得知伽利略要离开威尼斯时，立刻大骂伽利略是个叛徒，然后就耍赖不还钱了。
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如果仅仅是改进了望远镜，在科学上并不会产生多大的影响。但伽利略接下来又做了一件事，这件事标志着现代天文学，甚至是整个现代科学的诞生。可能小朋友们会好奇，伽利略到底做了什么事，能有这么厉害？他把望远镜指向了太空。
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小朋友们应该都听过阿里巴巴和四十大盗的故事。阿里巴巴跟踪一伙强盗，来到了一个山洞前。在说出“芝麻开门”的咒语后，他打开山洞的大门，发现里面藏有数不清的财宝。阿里巴巴第一次发现财宝的心情，应该就和伽利略第一次用望远镜看太空的心情差不多。望远镜为人类打开了一扇通往新世界的大门。伽利略用它看到了很多前所未见的景象，例如太阳的黑子、月球的陨石坑、木星的四颗卫星和土星的巨大光环。此外，他还发现了一个至关重要的现象，强烈地支持了哥白尼的日心说。这个现象叫金星盈亏。
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什么是金星盈亏呢？给大家看一张图，你们就明白了。我们都知道，月球是有盈亏的。为什么它会有盈亏呢？因为月球本身不发光，只能反射太阳光。由于月球一直都绕着地球旋转，它既可以跑到地球和太阳中间，也可以跑到地球背后。农历初一的时候，月球会跑到地球和太阳中间，这时月球会把后面射来的太阳光挡住，我们就看不见它，这就是“亏”，也叫新月；而农历十五的时候，月球会跑到地球背后，这时它可以完全地反射太阳光，我们就能看到一轮最圆的明月，这就是“盈”，也叫满月。类似地，如果金星一直处于地球和太阳中间，就会挡住太阳光，形成类似于新月的状态。反过来，如果它能像图中所示的那样跑到太阳背后，就可以完全地反射太阳光，形成类似于满月的状态。
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小朋友们仔细看看地心说和日心说的那两张图就会知道，这两种理论有一个最大的区别：在地心说中，金星永远处于地球和太阳中间；而在日心说中，金星可以跑到太阳背后。因此，能不能看到金星也有“盈”的状态，是判断哪个理论正确的关键。伽利略正是用望远镜看到了金星有“盈”的状态，才敢断定哥白尼的日心说是对的。
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日心说取代地心说的过程告诉我们，现代科学本质上是实验和观测的科学。只有通过实验和观测，才能判断一个科学理论是否正确。
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当然，今天的科学家已经知道，日心说也是错的。宇宙的疆域，其实远比古人最疯狂的想象还要辽阔。那他们是怎么知道的呢？答案依然是通过天文观测。可能有些聪明的小朋友要问了：“你满口都是天文观测。到底有什么了不起的观测能让我们认识整个宇宙啊？”答案其实很简单，那就是我们最熟悉的距离测量。
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距离测量是最基本的物理学实验。在日常生活中，人们一般都是直接拿尺子来量。比如说，上一讲提到的诺伍德，就是用尺子一点一点地量出从伦敦到约克的距离，进而推算出了地球的周长。但是在天文学中就没法用尺子量了，因为我们离那些天体的距离实在太远了。那该怎么办呢？聪明的天文学家想出了不少好办法。下面我就给大家讲讲其中最重要的两种方法。
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第一种方法叫作三角视差。为了理解它，咱们可以做个小实验。伸出一只手指，放在靠近鼻子的地方，然后分别闭上左眼、右眼，只用一只眼睛来观察它。你会发现手指相对于背景的位置发生了偏移。手指明明没动，为什么它的位置会改变呢？这是因为你前后两次看它的位置发生了改变。这个由于观察者自身位置改变而导致被观察物体位置偏移的现象，就是视差。现在，把手指放在比较远的地方，重复这个实验，你会发现手指的位置偏移变小了。这说明被观察物体的视差越小，它离我们的距离就越远。
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