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天的邊在哪兒？


天有多大？記得小時被問到時﹐奮力後伸雙臂﹐比著說﹐天好大好大。天到底有多大？天的邊在哪兒？有多遠？這都是目前人類還是無法回答的問題。但是我們可以確切地說在看完這篇文章時﹐天又大了許多。

古時的天文觀測都是以肉眼為主，憑著簡單的定位標示，古時的天文家制定了準確的曆法。這是古人非常難得的成就。不分中外﹐古人都認為我們腳踩的大地就是宇宙的中心﹐白晝的太陽和夜空中的月亮星辰都繞著我們運行。大地就是宇宙的中心的觀念是個自自然然以肉眼觀察天象的結論。

公元一六零九年﹐伽利略首次用他自製放大八倍望遠鏡觀察月球、木星、土星、水星、金星。發現月球表面也像地球一般崎嶇不平，發現木星也有衛星，土星旁邊有無法解釋的光影，和其他行星不同。最後發現，這些星體，包括地球，都圍繞著太陽運行，於是有了行星這個名詞。這是人類歷史上最重大的發現之一，人類自以為是的宇宙中心，不再是了。太陽成了宇宙的新中心。這重大的科學發現並沒有帶給伽利略什麼利益，反而因此違反當時羅馬天主教的信仰而至罪。

伽利略看到的月球和下列照片的清晰度相當


天文學的發展並未因羅馬天主教的反對而停止，製造望遠鏡的技術也繼續改進，放大倍數繼續提高。一六五零、至六零年代，造望遠鏡的放大倍數已經可以達到百倍。但是當時的望遠鏡仍然是兩片透鏡鏡片的基本構造。為了避免透鏡的稜鏡分光聚焦效應所造成的模糊現象，鏡片的曲度都不能太大。要增加放大倍數，只有加長望遠鏡身的長度。當時最長的鏡身已經達到五十公尺，操作相當困難。以這樣的望遠鏡，繼伽利略之後的天文學學家證實土星的光影是個光環，在公元一六七二年時卡西尼發現土星的光環是由數個間隔光環所組成的。

卡西尼無法盡觀的土星光環(右半為光色強調的照片)


公元一六六八年牛頓開始研究如何改良稜鏡分光聚焦效應，發明了反射式望遠鏡。牛頓用凹鏡代替透鏡，反射代替透射，徹底解決了稜鏡效應的問題。牛頓的反射式望遠鏡只有六英吋長，而放大倍數相當一個四呎長的透鏡望遠鏡。但是牛頓的發明直到一百年以後才派上用場，將天文學帶入另一個新里程。

牛頓的反射式望遠鏡


在這一百年中牛頓發明了萬有引力定律，可以解釋太陽系行星運行的現象。這期間也發現了數個慧星﹐並且能夠準確計算「哈雷彗星」的軌道和返回的日期；發現恆星也會移動；金星擁有大氣層﹐至此人類以為太陽就是宇宙的中心，太陽系就是宇宙。

首先嘗試用牛頓反射原理建造高倍望遠鏡的人是赫歇爾(William Herschel)。赫歇爾是個音樂家但他真正的興趣是天文學。當時沒有玻璃反光鏡片，反光凹鏡是由一塊合金鑄塊手工研磨製成的。他有生之年研製了數百個不同直徑的反射鏡面，也嘗試過不同的鏡身架構。他用自製的的望遠鏡於公元一七八一發現了天王星(Uranus) ﹐及許多重要的天文發現。赫歇爾也是第一個仔細觀察銀河系 (Milky Way Galaxy) 的人。他天文方面的貢獻和名氣得到當時英王喬治三世的賞識﹐並資助他於公元一七八九年建造一台四十八吋 (1.22m) 口徑、四十呎 (12.2m) 焦距的反射望遠鏡。這是當時最大的望遠鏡。赫歇爾發現銀河是由眾多的星星組成﹐星星的分佈不是帶狀而是碟狀。赫歇爾當時認為這就是整個宇宙。

赫歇爾當時無法觀察到的銀河系全照


赫歇爾的望遠鏡可以觀察到星雲(Nebula)和星團(Star Clusters)。但是不了解這些形狀特別﹑神祕的星體是什麼。當時也沒有方法可以估計這些星體到底距離地球多遠。在有生之年他記錄了2,300 個星雲。


赫歇爾的望遠鏡可以觀察到星雲和星團




赫歇爾之後又過了一百多年﹐望遠鏡的技術有了更大的提升。也因為能夠得到更清晰的天體影像﹐天文學也有了更重大的進展。公元一九一七年在南加州落山磯東北郊威爾遜山 (Mount Wilson) 上當時世界上最大的天文望遠鏡落成了。這是個一百英寸直徑的反射望遠鏡。美國天文物理學家赫伯(Hubble) 在公元一九二六年提出宇宙大爆炸理論，就是根據這個望遠鏡所提供的証據所推算出來的。

威爾遜山天文臺一百英寸望遠鏡拍攝太陽表面的影像

1920年間威爾遜山天文臺一百英寸望遠鏡拍攝馬頭星雲的影像

2009年業餘天文家二十英寸望遠鏡拍攝馬頭星雲的影像

赫伯太空望遠鏡拍攝馬頭星雲的影像


宇宙的範圍也隨著人類觀察能力而繼續增大！



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