大家好，我是苟利军，我自小就对星空充满兴趣，后因机缘巧合，很幸运地从大学到现在一直在做天文学方面的学习和研究。我现在是中国科学院国家天文台的研究员，主要做黑洞和引力波等方面的研究，同时也是中国科学院大学的天文学教授，给国内研究生和国外留学生讲授天文知识。我目前还兼职《中国国家天文》杂志的执行总编，负责杂志的内容出版，所以对于天文学的历史和进展也相对比较熟悉。

在过去的四百多年中，望远镜的出现，让人类对宇宙的认识发生了巨大变化，也正是因为对宇宙认知的变化，最终导致人类社会文明的进化。借此机会，我就和大家分享人类探索宇宙的故事。首先我和大家简单聊一聊望远镜给我们带来的天文学进展。

伽利略：“现代科学之父”

尽管天文学是最早出现的一门学科，然而在非常长的一段时间之内，天文学的发展相对很是缓慢，这是因为肉眼能够看到的事物和范围极其有限。相比之下，中国的很多技术在当时都领先于世界其他国家，包括欧洲。

不过在距今大约400多年的时候，一个小小神奇工具的出现却打破了这一局面。1608年，荷兰人汉斯·利普希 (Hans Lipperhey) 发明了望远镜，就在第二年，身在意大利威尼斯的伽利略偶然听到这个消息，并且打听到原理，然后很快就制造出了自己的望远镜。尽管最开始的望远镜放大倍率很有限，只有8倍，口径也只有3.7厘米，但是很快就被伽利略改进作出了放大20倍甚至30倍的望远镜。就是利用这样的望远镜，伽利略在1609年的秋天，一次非常偶然的机会将望远镜指向天空，看到了完全不一样的星空，月亮的表面不再像之前所说的那样光洁无暇，而是充满了大大小小的坑，也就是我们现在所说的环形山。之后还发现了木星周围的4颗卫星，金星的相位，银河也被分解成了众多的恒星，正是因为这些前所未有的发现，才让伽利略以及后来的其他人确信“地心说”是不对的，“日心说”是一种更加合理的理论。

▲伽利略向意大利威尼斯大侯爵介绍如何使用望远镜

望远镜的出现，极大地提升了人类观测宇宙的视野。也正是因为望远镜看到了很多前所未有的发现，吸引了很多人的研究兴趣。就在伽利略之后，一位伟大的物理学家出现了，他就是大家常说的，要有光，他就被派到人间的牛顿。牛顿被之前几十年的天文发现深深吸引，在沉迷于宇宙天体现象和运动的时候，突然有一天看到了下落的苹果，然后意识到宇宙间应该普遍存在着一种力，那就是万有引力。有着很好数学基础的牛顿，之后将这一想法理论化，总结在他的经典名著《自然哲学的数学原理》中，该书第一版于1687年出版。牛顿的这一理论成为现代科学的基础，可以说没有这个理论，就不会有其他学科的发展。而最早激发牛顿的天文学观测，也是因为伽利略的一个小小举动。所以伽利略的一小步，开启了人类文明飞跃的大门。伽利略也被公认为“现代科学之父”。

▲艾萨克·牛顿（1643年1月4日—1727年3月31日），物理学家、数学家

尽管牛顿提出了引力理论，也能够很好地解释天体的运动，但是一个悬而未决的问题是：引力是如何产生的？对于这个问题的回答，一直等到了20世纪初另外一位伟大科学家的出现。那就是爱因斯坦，他在1915年提出了一套全新的理论——广义相对论。在这个理论中，他提到了对于引力产生的更深入的看法，那就是有质量的物体会导致时空弯曲，弯曲的时空表现出引力的效应。这个新的概念和理论，尽管提出之时，就可以完美地解释水星进动问题，并且在1919年的日全食之时得到了很好的验证，然而毕竟还是过于晦涩难懂，一直等到上个世纪60年代才为大家广泛接受。

爱因斯坦“相对论”的传播和验证

这里值得一提的是，广义相对论的两个预言：黑洞和引力波，到目前都已经被验证存在。1916年，身处一战前线的德国天文学家、物理学家卡尔·史瓦西得到了有关黑洞的爱因斯坦场方程的解，就在同一年，爱因斯坦自己在对场方程做了一些近似之后，预言了引力波的存在。尽管如此，由于缺乏探测的缘故，爱因斯坦在1955年去世之前就从来没有相信过黑洞的存在，而引力波的存在也是颇受争议。到了上个世纪60年代，随着直接探测到黑洞候选体，以及包括中子星等致密星的发现，广义相对论才被大家广泛接受并且应用。在引力波提出100年之后，2015年9月14日，美国的引力波激光干涉天文台LIGO直接探测到了引力波，人类听到了宇宙的声音，这是来自于13亿光年之外两个黑洞合并时所产生的时空扰动。经过10多年的努力，到了2019年的时候，人类又第一次看到了黑洞的照片。正是因为这些有关黑洞的突破性进展，所以在2020年，诺贝尔物理学奖颁发给了黑洞研究者，表彰那些在黑洞方面做出过突出贡献的科学家们。

▲2020年诺贝尔物理学奖获得者

到目前为止，众多的天文观测已经验证广义相对论都是正确的。尽管广义相对论对于我们普通人来说依旧是晦涩难懂，然而这个理论却已经融入了我们的生活当中。我们每天使用的导航就必须要考虑到爱因斯坦的相对论效应。当然在描述整个宇宙演化的过程中，广义相对论也成为我们最重要最基本的一个理论。

我们看到，现代科学的开启正是来自于伽利略最早使用的3.7厘米的望远镜。在伽利略之后，望远镜不断被改进，从最早的折射式望远镜，到反射式望远镜，一直到后来的折反射望远镜。而且望远镜的口径也越做越大。到上个世纪初1908年的时候，威尔逊山天文台已经建成了世界上最大口径的1.5米望远镜，而2.5米的胡克望远镜当时也已经在筹建当中，到了1917年的时候建成。而在那个时候，尽管人们对于宇宙的认识已经获得了很大的提升，然而对于宇宙的边界还没有一个确定的概念，因为很多天体的距离没有办法测量。

两位天文学家的著名辩论

1920年，两位当时非常知名的天文学家在美国华盛顿特区的史密森自然博物馆里进行了一场辩论，辩论的主题就是宇宙的大小，一方认为银河系就是整个宇宙，而另外一方认为银河系仅仅是浩瀚宇宙中的一个天体而已，银河系之外还有众多其他的系统，后者就是著名的宇宙岛理论。但是因为彼此都没有关键性的证据来说服对方，所以宇宙大小的问题还是悬而未决。就在这场被后人称为世纪大辩论的活动结束4年后，1924年，美国天文学家哈勃在仙女座大星云中发现了一类特殊的恒星，这就是我们现在所知道的造父变星，这类恒星的亮度会发生周期性的变化，哈勃利用当时世界上最大口径的2.5米的胡克望远镜观测并且测量了它们的变化周期，从而计算出它们的真实亮度，哈勃再通过比较它们观测到的亮度，最终推算出它们的距离要比我们当时所了解的银河系的大小要大非常多，这是第一次观测直接证明在我们银河系之外存在着其他的天体，关于宇宙大小之争终于因为这次测量而尘埃落定。

在此次观测之后，哈勃继续对更多的星系距离进行了测量，在1929年的时候发表了一个更为有趣的结果，那就是星系离开银河系的速度和它们之间的距离成正比，这就是我们之前所熟悉的哈勃定律。如果按照时间顺序反推，那么在很早之前，这些所有的星系很可能都来自于同一个点，这是第一次为大爆炸宇宙学提供观测上的证据。而在哈勃发现这一现象之前，比利时的一位神父，同时也是数学家和天文学家的勒梅特将爱因斯坦的广义相对论应用于描述我们的宇宙，从理论的角度提前预测到我们的宇宙应该是处于一种膨胀的状态。

▲勒梅特（Georges Lemaitre，1894.7.17—1966.6.20），比利时的神父、数学家和天文学家

现在国际天文学联合会为了纪念这两位天文学家的贡献，将这个定律命名为哈勃-勒梅特定律。在哈勃的发现之后，就有物理学家依此而提出了“大爆炸宇宙学”，这个理论预言了微波背景辐射的存在。不过“大爆炸宇宙学”在等待了20多年之后，因为美国贝尔实验室两位工程师偶然探测到微波背景辐射的存在，它才逐渐被广泛接受。之所以能够发现微波背景辐射，这要得益于二战之后射电天文学的发展。到目前为止，天文学家们已经可以利用整个电磁波段来对我们所感兴趣的天体进行研究，从能量比较低的无线电波段一直到能量最高的伽马射线。除此之外，观测手段也不限于电磁波段，还可以利用宇宙射线、中微子和引力波等，科学研究已经进入了一个多种探测媒介同时进行观测的时代，在天文学当中，也称之为多信使时代。

望远镜的口径目前已经达到了8-10米级。随着航天技术的进步，天文观测也不仅仅局限于地面，天文学家还发射了不少望远镜到太空当中去。因为在太空当中没有大气的干扰，而且还能够减少地面光污染的干扰，能够最大限度地达到望远镜的观测极限。为了克服地面望远镜中的大气扰动，天文学家还想到了自适应光学的手段，通过人造导星监测大气扰动所导致的图像变形，从而相应地快速改变镜面形状来克服大气扰动效应。这种技术目前已经广泛应用于大口径的望远镜之上。探测技术也从最早的照相底片，到现在的CCD。正是这些技术上的多重革新，让我们对所处的宇宙有了更加全面的理解。我们不仅仅认识到宇宙是由我们熟悉的正常物质或者说重子物质所构成，而宇宙中包含更多的是，我们目前还不了解的暗物质和暗能量。而这两者占到了整个宇宙的95%之多。我们也正是凭借着不同能量的观测卫星，对宇宙演化历史有了一个很好的了解，可以充满信心地将宇宙的历史追溯到138亿年前，甚至大爆炸之后仅仅十亿分之一秒的时刻，我们能够看到最远的可见宇宙达到了460亿光年。天文学家已经可以将宇宙膨胀的速率，主要成分的平均密度以及一些关键数字的误差控制在1%的水平。非常令人鼓舞的是，所有的这些进展都是在最近的100年之内取得的。科技发展越来越快，我们很是期待接下来100年的天文进展。

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