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探讨复杂性和简单性的融合
摘要：宇宙到底是什么？它从何处来？又往何处去？它又是如何演化的？随着时代的进步，人类所指的“宇宙”的含义也不断变迁。从公元2世纪托勒密的地心说到哥白尼的日心说，再到爱因斯坦的现代宇宙观，人类对宇宙的认识发生了一次又一次的飞跃。
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2019年度诺贝尔物理学奖颁给了两项很不相同的研究，对于局外人来说多少有点惊讶。事实上，这个奖项向人们阐述了一条哲理：简单性与复杂性的统一。宇宙如何从早期的均匀和各向同性状态演化到今天所观测到的复杂天体？皮布尔斯以对宇宙学理论的贡献分享了一半奖金，马约尔和奎洛兹因为发现了太阳系外行星而分享了另一半奖金。他们从不同角度加深了人类对宇宙的理解。
宇宙到底是什么？它从何处来？又往何处去？它又是如何演化的？随着时代的进步，人类所指的“宇宙”的含义也不断变迁。从公元2世纪托勒密的地心说到哥白尼的日心说，再到爱因斯坦的现代宇宙观，人类对宇宙的认识发生了一次又一次的飞跃。
本轮均轮
对于那些不了解现代天文学、也不知道地球在运动的古代人来说，天上似乎是一个特殊的地方。不过，他们又想象天上似乎与地上一样，吴承恩小说中所描述的天上，只是美化了的地上生活。即使到了今天，那些知道太阳系和银河系的人中的极大部分，还是将天上想像成与地球一样的环境。迷恋科幻电影可能是个中原因，科幻作品弘扬人类精神，自有它的社会价值和道德价值，但是，科幻不是科学。比如，科幻电影中的人物，常常在没有大气的空中对话，忘了声波不是引力波，它要依赖媒质传播。
古代观天往往受到他们所在地理位置的局域限制。在纬度为零的赤道，天空看起来很对称，人们会觉得处于天幕的正下方，犹如处在宇宙的中心。在极点是另一种情形，那里天上的恒星既不会升起也不会下落，它们绕着北天极旋转。倘若在北纬34°的长安，汉唐的天文学家看到的星空就介于两者之间。北天极附近34°范围内的恒星围绕着北天极形成同心圆，其他的恒星则升起到达天顶，然后落下。所以，在北半球神话（古代的科幻小说）中，北极星被赋予了崇高的地位。
古人并不知道视星等和绝对星等的不同，因此认为太阳系的行星比众多的恒星更亮和更重要。古人又发现行星在一段时间内与平时运动方向相反，面对这个挑战，托勒密提出了他的“均轮”和“本轮”理论。托勒密从地球为中心的角度看，火星绕着一个动点作圆周运动（本轮），而动点又绕着地球作圆周运动（均轮），从而火星的总体运动轨迹是一条类旋轮线的曲线。这个思想是简单的，但它解释了视觉上复杂的行星倒行运动，因此在西方思想界中延续了一千多年。这是人类第一次用简单性与复杂性统一的观点来认识宇宙。
为了追求更高的精确度，后来的学者们引进了越来越多的本轮，使得本来简单的本轮思想复杂化了。每加入一个新的本轮，相当于引入一个新的修正，如果逐次修正项的级数是收敛的，那么托勒密理论能够无限精确地解释行星运动是无可辩驳的。不过托勒密理论就失去了它的简单性，尽管增加的本轮可以很好地描述地球上看到的行星逆向运动。况且托勒密是从地球为中心进行思考的，那么为何每个行星的均轮中心都偏离了地球呢？
均轮和本轮的旋转
本轮的本轮
第谷系统
静的太阳
尽管托勒密的《至大论》可以精确地阐述行星运动，但它失去简单性，寿终正寝的命运是不可避免的了。哥白尼的《天体运行论》终于替代了它。据说，在1543年5月24日，哥白尼与世长辞的那天才收到这本著作的印刷本。严格地说，《天体运行论》并非日心说，而是日静说，因为哥白尼将太阳从宇宙中心位置稍微移开了一点。事实上，古希腊的阿里斯塔克斯在公元前2世纪就提出了地球自转并绕太阳公转，以及行星也是绕着太阳运行的观点。但是，这个理论敌不过亚里士多德的地心说，隐藏在恒星后面的原动者等同于万能之神。到了哥白尼时代，本轮已添加到了80多个，时机成熟了，日心说自然而然地替代了地心说。哥白尼的日心说中，除绕宇宙中心作圆周运动的均轮外，还引入了行星的本轮，但是地心系的80多个本轮一下减少到30多个。究其原因，在哥白尼时代，人们尚未掌握合成运动理论的数学分析。
第谷是一位伟大的天文学家，他是最后一位用肉眼观测宇宙的伟人。他发现地心说推算的天象误差很大，在1563年的一次预测中，误差竟然达到了一个月之久。第谷发展了一种新的系统，其实从数学角度来看，第谷系统与哥白尼系统是等价的，只是前者将观测点放在地球上，而后者放在太阳上。1601年，第谷突然去世后，开普勒取得了他的星象资料，近代西方有人编撰了这个蹊跷事件的一些传奇故事，广泛流传。开普勒利用第谷的观测资料，标出了很多687.1日（火星年）的位置，从而推出了地球的轨道。开普勒在天体运行问题上，尝试引进物理的解释，使得牛顿万有引力思想端倪可察。
在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中，牛顿将经典力学确立为一个完整而严密的体系，将天体和地面上的物体的力学统一了起来。哈雷与牛顿重新计算了哈雷彗星的运行，预言它每75年绕太阳一周。哥白尼开始的科学革命，终于在牛顿的手中成了大业，这是简单性和复杂性的又一次统一，并且独领风骚数百年。
开普勒的椭圆定律，太阳位于椭圆的一个焦点上
开普勒的等积定律，每颗行星在绕日轨道上，相同时间内扫出相同的面积
人们一般认为教会是反对日心说的始作俑者，其实不然，早在1536年教皇克雷芒就正式要求哥白尼出版《天体运行论》。事实上，当时最激烈的反对声来自天文学家和科学家，他们认为：是什么推动了如此沉重的地球？在运动的地球上，人们应观测到远处的恒星视差，为什么没有观测到？实际上，后者是受限于当时的观测条件。
托勒密的地心说和哥白尼的日心说，对于宇宙的结构作了一个粗略的理解。因为观测能力受到了历史条件的限制，当时只能观测地球附近运行的行星，至于太阳系外的行星，遥远的星系，便认为固定分布在外层球壳上。这些宇宙模型各自流行了很长的历史阶段，因为它们对当时的观测来说是简单的。
宇宙结构
1612年，在伽利略开始用望远镜观测天体的3年后，马里乌斯从望远镜中看到了仙女座有一小团发光的云。后来，天文学家发现了越来越多的星云，但是受限于当时的望远镜，人们无法看清楚这些星云究竟是什么样的天体。19世纪中叶，洪堡将它称为“宇宙岛”。1929年，哈勃定律被发现了——星系的视向速度与它离开我们的距离成正比。那么只要找到诸如造父变星那样的标准烛光，测得它的红移，就可以知道它的距离。从而就能鉴定出河内星云和河外星系。
在大量河外星系被认证出来之后，天文学家发现并非所有星系都像银河系那样有旋涡结构，它们可以分成旋涡星系、椭圆星系和不规则星系三大类。旋涡星系有旋涡结构，从侧面看呈扁平状，中央有一个核，扁平部分实质是一个盘。椭圆星系没有旋臂，也没有盘，呈扁度各异的椭球状。不规则星系没有旋臂与核，形状不对称，它们大多是很小的星系，受到临近大星系引力的破坏，或者星系内部剧烈运动，才变成不规则形状。对于这三大类的星系，又可以细分成若干种小类，基于哈勃超级深场的数据，2016年科学家估计，宇宙中星系的总数可能达到2万亿个。
早在20世纪上半叶，天文学家已发现星系在空间有成团倾向，他们将结构松散而成员较少的称为星系群，而结构紧密成员较多的称为星系团。银河系、仙女星系以及其他数十个星系一起组成了本星系群，直径约为700万光年。室女星系团和后发星系团离本星系群不远，前者离我们5000万光年，直径约1000万光年，含星系数大约是2500个；后者离我们3亿多光年，直径约2000万光年，也包含数千个星系。
1953年，沃库勒发现，一般而言绝大多数亮星系是离我们较近的星系，属于一个比本星系群更大的本超星系团。这个超星系团呈长条形，长达1亿光年，厚约600万光年。此后，天文学家发现成员众多的富星系团的空间分布都有构成超星系团的倾向。
在更大的尺度上是否还存在更高层次的结构呢？天文学家将宇宙分成一片片以我们为中心的扇形区域。在这些切片上，我们就可以看清楚结构的分布。在更大的尺度上，星系、星系团和超星系团连接成链状和蜂窝状，从总体上看明显趋于均匀化。宇宙在大尺度上是均匀的和各向同性的！
面对这种大尺度简单性和较小尺度的复杂性，人们不禁要问，这种对立从何而来的呢？皮布尔斯（JamesPeebles）的研究提供了回答这个问题的理论框架，为人类今天对宇宙的认识和理解奠定了坚实基础。
系外行星
17世纪，伽利略用望远镜发现其他行星像地球一样是球形的。20世纪下半叶开始的太阳系行星探测，似乎发现了这些行星现有的条件与地球生命生存要求不相协调。作为宇宙万物之灵的人类，在追问自身存在时，发聋振聩地呼喊：人类在宇宙中是独一无二的吗？能找到另一个地球吗？能发现地外生命吗？要回答这些问题，人类不得不将注意力转向系外行星。顾名思义，系外行星是指环绕太阳以外其他恒星转动的行星。不过观测系外行星较为困难，行星比恒星小得多，本身又不发光，用传统的天体测量方法去观测系外行星，它将被其母星的光芒所掩盖。
1995年，马约尔和奎洛兹利用多普勒效应创建了一种新的系外行星观测法。所谓多普勒效应，是指当波源相对于观测者以一定的速度运动时，波长的改变量与波源相对于观测者静止时的波长之比，等于这一速度与波速之比。与没有行星系的恒星相比，有行星系的恒星会受到行星公转的牵引而摆动。对于地球上的观测者而言，这样的恒星会发生离开和靠近的运动，那么观测者接收的光谱将不断发生红移和蓝移。马约尔和奎洛兹用这样的方法，证明了飞马座51b行星的存在，这是一颗类木气态巨行星。在接下来的24年间，天文学家利用这种方法确认了至少4000多颗系外行星。
发现系外行星是一回事，要论证系外行星是否适宜生命又是另一回事。是否存在液态水是适宜生命存在的一个重要因素，由此容易估计出“温和轨道”，那是恰好满足产生和维持地球生命的距离。对于一个亮度为太阳25倍的恒星，类地行星将处在木星绕太阳转动的距离上；对于亮度为太阳1/10的恒星，类地行星将处在水星绕太阳转动的距离上。除此之外，当然还有种种具体条件，这些条件描述容易，观测却很难。当前系外行星的研究方兴未艾，正在走向一个新的观测热潮。
现代宇宙演化简图：从尚未认知的起点到遥远的将来
由于最近的系外恒星离地球的距离大约是地球到木星的距离的7万倍。作为一种乐观的估计，在未来的数十年内人类才有可能登上火星，在未来的数百年内才有可能登上木星。在获得诺贝尔奖后，马约尔对新闻界说：“如果我们在谈系外行星，我们无法迁往那里，这是十分清楚的。在非常乐观的情况下，即便一颗宜居行星离我们不是太远，比如是几十光年（这样的行星并不多），去往那里所费的时间还是太多。”显而易见，人类发现的4000多颗系外行星，没有一颗是人类移居的目的地。
完美统一
宇宙在大尺度上是简单的——均匀和各向同性。宇宙在较小尺度上是复杂的，这种复杂性不仅呈多种多样的表现形式，而且还是随机的。更为奥妙的是，宇宙孕育了人类这样一种能理解宇宙的物种。瑞典科学院发布声明称：“皮布尔斯的理论发现增进了我们对宇宙大爆炸后如何演化的了解。马约尔和奎洛兹探索了与我们相邻的宇宙区域，寻找未知行星。他们的发现永久改变了我们对世界的看法。”
从1965年开始，皮布尔斯在宇宙学的各个领域中探索：从预言宇宙微波背景辐射符合黑体辐射，到计算宇宙原初的轻元素丰度；从创建星系形成理论，到阐述星系角动量；从预言暗物质存在，到阐述宇宙加速机制。皮布尔斯的名著《物理宇宙学》（PhysicalCosmology）培养了许多年轻的宇宙学家。宇宙的复杂性是如何从均匀和各向同性中演化出来的呢？标准的热大爆炸宇宙学理论指出，在宇宙早期，物质处于一种高温、致密的几乎均匀状态，已被许许多多的天文观测所证明，而且还预言了微波背景辐射，这是大爆炸宇宙的余晖。皮布尔斯将所有证据结合起来，构建出一个连贯的宇宙演化史，阐明了它们是如何影响到星系的大小、性状和分布的。
宇宙学家是用爱因斯坦的广义相对论作为基本工具的，爱因斯坦方程允许宇宙学重现宇宙的历史，从而发现“现在”与“过去”的联系。当人们从时间上回溯时，首先星系将消失，接着恒星、分子、原子和原子核相继消失，最终质子和中子也将会消失，留下的是构成物质和辐射的基本粒子组成的“汤”。对宇宙年龄大约38万年时遗留下来的电磁波的观测表明，那时的宇宙还是极其均匀的。当宇宙年龄为十几亿年时，在引力的作用下，物质非均匀地聚集起来，形成了恒星和星系。早期宇宙的总体均匀性中含有微小的量子随机不规则性。尽管非均匀性很小，却至关重要。那些比均值高的地方，通过吸收稀疏地方的物质，逐渐演化出星系、恒星和行星。这就是“马太原理”的宇宙学形式。马太原理说，“凡有的，还要加给他，叫他有余。凡没有的，连他所有的也要夺去。”
构成行星的物质温度较低，密度较高。它们继续在一个新层次上演化出更多的形式——复杂的化合物，甚至形成智慧生命。马约尔和奎洛兹又想出了探测遥远的系外行星的办法。从此之后，系外行星不再是科幻小说的浪漫故事情节，而且科幻小说也被马约尔无情地宣判为永无可能实现的虚幻，它只不过是使人迷恋的成人童话故事而已。
2004年诺贝尔物理学奖得主维尔切克最近说道：“获得今年诺贝尔物理学奖的研究，解释了宇宙是如何从初期的均匀状态中，演化出我们今天所观测到的复杂性的。”2019年的物理学奖是简单性与复杂性的完美结合。随着观测能力的提升，世界显得愈来愈复杂，平常人为此而迷茫，变成了神话故事的信徒；哲人们却去追求简单性，创造出逻辑上更为简单的新理论，去阐述这些复杂的观测现象。从逻辑角度来说，牛顿力学比亚里士多德理论简单得多，广义相对论又比牛顿力学简单。托勒密、哥白尼的宇宙论，都是在当时观测基础上，简单性与复杂性统一的范例。将复杂的观测现象像牧歌一样唱出来，方是真功夫，方是极致，这也是2019年诺贝尔奖给予我们的启迪。
李新洲,奚萍李.简单性与复杂性的统一[J].科学,2020,72(01):1-4+69.
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火星是当前国际深空探测的热点,也是除月球之外,最有望实现载人探测、建立外星基地的类地星体。不同于月球近乎真空、缺水的环境,火星拥有稀薄的大气层,两极及地表之下存在大量的水冰,火星壳中存在包括蒸发盐类矿物、粘土矿物在内的多种矿物类型[1]。由此可见,火星拥有丰富的可利用资源,为人类在其表面开展活动提供了重要的物质基础。
2020-08-27
暗物质是在宇宙观测数据的基础上从理论上提出的假设物质，可能大量存在于宇宙空间中，不发光或发出非常微弱的光，是宇宙物质的主要组成部分，质量远大于宇宙中全部可观测天体的质量的总和，约占宇宙物质的85%以上。暗物质是在宇宙观测数据的基础上从理论上提出的假设物质，可能大量存在于宇宙空间中，不发光或发出非常微弱的光，是宇宙物质的主要组成部分，质量远大于宇宙中全部可观测天体的质量的总和，约占宇宙物质的85%以上。
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观测发现，不少活动星系核的喷流呈现S形或Z形的反对称形态[1,2]，这显示喷流可能在绕着某一轴线进动．采用喷流进动模型可以很好地拟合许多活动星系核的复杂图像[3]．目前解释喷流进动的物理机制主要有双黑洞模型[4]和盘致进动模型[5,6]两类．前者的喷流进动产生于星系核中的双黑洞系统，后者中则是产生于单黑洞和围绕黑洞的倾斜的吸积盘构成的系统．
2020-08-27
在标准的冷暗物质宇宙学模型框架下，星系形成的等级成团模型预言星系是通过并合形成的[1].这些并合事件会使星系的外围呈现不规则的形态特征，如潮汐流（tidalstreams）、潮汐尾（tidaltails）、恒星环（stellarrings）或恒星壳（stellarshells）等[2,3,4,5,6].对这些形态特征进行详细研究有助于人们理解星系的并合和吸积历史[7,8,9,10].
2020-08-27
火星探测是当前太阳系探测和行星科学的焦点.国际火星探测已有近60年的发展历史,探测方式从飞越到环绕遥感探测,再到无人着陆器/火星车就位探测,积累了大量科学数据.火星陨石研究和实验室模拟研究(实验模拟、数值模拟等)也得以快速发展.2020年,中国、美国、阿联酋都计划发射火星探测器.火星/火卫采样返回和火星载人探测也计划在未来10～20年内实现.
2020-08-27
我们知道，宇宙运行的条件是对称与平衡，因此，所有星系都可能处于一个平面上，因为，低维度空间环绕其中心旋转，组成高维度空间，并且，这样的迭代是无限的，因此，无限多维度空间，即宇宙的所有星系都处于同一个平面上，每个恒星的重力都是指向本星系的中心，每个行星和卫星的重力都是指向所环绕的星体，即使宇宙不在同一个平面上，也是如此。
2020-08-27
由于中国人与外国人身处不同文化氛围中,他们对于宇宙的认识往往也有一定的区别,尤其是早期的宇宙观,与宗教还有一定的联系,这样也让我们的对比有了目的,即探索这样的差别并求同存异,相互学习。古人语:“四方上下曰宇,古往今来曰宙”。古时候虽然科学称不上严谨,但是古人对于宇宙的认识仍然有着总结意义。
2020-08-27
大多数的科学家一直到20世纪20年代中期都还认为银河(指地球所在的银河系)就是整个宇宙,而宇宙是静止不变的。然而,天文学家哈勃于1925年1月和1929年1月所宣布的两个发现却彻底改变了我们对宇宙的看法,他的第一个发现说明宇宙比大家先前所想的要大很多,第二个指出宇宙会持续膨胀,不断地越变越大。
2020-07-15
价值认知;自我遮蔽;自我偏差;自我超越; 整个哲学的发展史经历了从本体论到认识论再到价值论的历程。这个过程正是哲学的目光从对外在事物的探讨转向对“人”本身的探讨的过程，它彰显出哲学本有的“人学”性质和价值关切。卡西尔在《人论》中说：“从人类意识最初萌芽之时起，我们就发现一种对生活的内向观察伴随着并补充着那种外向观察。
2020-07-13
Peebles对于大尺度结构形成的另外一个贡献在于“将统计方法引入到大尺度结构形成领域中来”.这里,以Bertschinger[6]在1998年发表在AnnuRevAstronAstrophys上的文章为例,他总结了“星系/(暗)物质结构形成的统计分析方法”,如图5.物质功率谱、双谱、多点相关函数等统计概念,都是最早由Peebles在20世纪80年代引入宇宙学的.
2020-07-13
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期刊名称：天文学进展
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主管单位：中国科学院
主办单位：中国科学院上海天文台,中国天文学会,国家自然科学基金委员会数理学部(协办)
出版地方：上海
专业分类：科学
国际刊号：1000-8349
国内刊号：31-1340/P
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2020-07-04
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