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天文世紀大辯論

96/04/04 18284

傅學海｜臺灣師範大學地球科學系

在1920年，針對太陽與渦狀星雲在宇宙中的定位，天文學術圈有一次影響深遠的辯論，號稱「世紀大辯論」。辯論後沒幾年，宇宙的疆界便遠遠超過了人類之前的想像，人類（地球與太陽）的地位也由宗教的宇宙中心論回歸到天文學本身的論證。

辯論，似乎是人類的一種本能，吵架、爭論、辯解等都有辯論的意味。自從希臘羅馬時代，「雄辯」便是政客與學術界人士的重要利器之一。發展至今，已經成為一種專業，小至個人的爭吵、興訟、公司行號間的利益爭奪，大至國家定位、國際間的戰爭與和平，都需要靠律師、政治人物進行「辯論」。

在所有的辯論題材中，宇宙的大小、人類在宇宙中的地位應該是範疇最「大」的了。人類真的位居宇宙中心嗎？宇宙真的是無窮無盡、浩瀚無邊嗎？這些一直是人類心中的疑問，天文學家也想要從觀測數據中獲得這些問題的答案。

在任何一個世代，當新、舊觀念衝突激盪時，總有卓越的代表人物挺身而出，為一己的信念奮戰，不論誰輸誰贏，都加速了新舊觀念與風雲人物的交替。這次世紀大辯論的兩位要角，都是當代天文學術界菁英中的菁英，站在時代的前緣，為古老與新奇的衝突概念辯護。一位是謝普利（Harlow Shapley），當時才從哈佛大學取得博士學位的年輕天文學家，他的崛起富有傳奇色彩。另一位寇帝斯（Heber D. Curtis），是素有聲望的天文學家，他的功成名就屬於典型的學術界傳統。

謝普利是他那個時代的傑出人士，集天文學家、教育者、作家、演講者各種身分於一身，也獲得許多獎章與表彰。他的光環或許會逐漸黯淡，不再被人們憶起，但是有一件事是不會褪色的，那就是他發現了我們銀河系中心的位置，以及地球與太陽位於銀河系的外圍區域。

太陽在宇宙中心嗎

早在古希臘時代，地球就被認為是宇宙的中心。西元2世紀時，在亞歷山大港工作的托勒密（Claudius Ptolemy）建立了周轉圓理論，一套以地球為中心，月亮、太陽、行星與恆星都繞著地球運轉的模型。托勒密的「地球中心說」成為主流，更被後來興起的教會採用，成為唯一的宇宙論。凡是與此不同的學說，都被視為異端邪說，禁止宣揚，否則會被處死。

即使在古希臘時代，也有學者認為地球是繞太陽運行的星球，例如沙摩斯的阿里斯塔吉（Aristarchus of Samos），但都不受重視。直到歐洲文藝復興時期，哥白尼在1543年出版《天演論》提倡「太陽中心說」，才逐漸改變這局面。這時，已有許多觀測證據顯示地球不是宇宙的中心，其中最重要的是伽利略用望遠鏡發現木星被4個衛星環繞。這4個衛星並不是環繞地球，與「地球中心說」衝突，顯示宇宙可以有其他的中心。很快地，太陽中心說成為主流。

在18世紀中葉，英國天文學家萊特（Thomas Wright）提出一種宇宙觀，他認為宇宙中有兩個同心球，所有的恆星與太陽、太陽系都存在於兩球殼之間。沿著球殼看過去，便看到帶狀的銀河，沿著垂直方向看過去，就看到比較少的恆星。

在18世紀末葉，德國著名的哲學家康德修訂了萊特的理論，部分原因是他誤解了萊特的想法，認為宇宙像一個眾多恆星組成的系統，這系統像太陽系般繞著中心軸轉動。康德建議，當時透過望遠鏡所觀察到的黯淡星雲，可能就是這種由眾多恆星組成的系統。但是康德只是提出一種觀念，他並沒有去估計這種系統的距離與大小。實際上，康德的說法只是一種臆測。

恆星計數

在20世紀以前，多數學者認為群星是均勻分布在宇宙中的，因此可以由觀察星星的數量與密度，來推算宇宙的大小。例如，星星密集區顯示此方向的宇宙比較厚，而星星稀少區則表示此方向宇宙的邊緣比較近。威廉‧赫瑟爾（William Herschel）是史上第一位用觀測驗證這種說法的人。

在1780年代，威廉‧赫瑟爾決定依據實際觀測來驗證學者的推論，以計算恆星數量的方式來估計宇宙的大小。他把星空分為683個區域，使用一具口徑7英寸的望遠鏡，一個區域、一個區域地數算恆星的數量，希望獲得恆星在宇宙中的分布情形。他與妹妹卡洛琳兩人合作，威廉在戶外用望遠鏡觀測，他妹妹在室內記錄。就這樣，兩人辛勤地觀測，看完一區又一區，最後結果出爐，顯示宇宙像一個破碎的「石磨」，太陽大致位於中央。

渦狀星雲是什麼

老天似乎喜歡給我們意外的禮物，每次有新的技術產生，都會發現一些新奇的天體。當望遠鏡愈做愈大，威廉‧赫瑟爾也看見許多雲狀物，其中有些可以分解成一顆顆的恆星，因此他相信如果望遠鏡夠大，所有的雲狀物都能分解成一顆顆恆星。

到了19世紀，愛爾蘭的威廉‧柏森（William Parsons，受封為羅斯爵士，the Earl of Rosse）在1845年完成一具直徑6英尺的反射式望遠鏡，它的外觀像個巨炮，是當時世界上最大的望遠鏡。他用這具望遠鏡看到一些旋渦狀的星雲，例如位於仙女座的大星雲M31、獵犬座的M51都是明顯的渦狀星雲。這些渦狀星雲到底是什麼呢？是宇宙間的星雲嗎？還是其他東西呢？眾說紛云，莫衷一是。

哲學家的工作是沉思默想，常有令人意外的想法。康德在1755年建議這些渦狀星雲可能是「島宇宙」，一種遠在我們宇宙（銀河系）之外的巨大恆星系統，與我們所在的宇宙一樣，都是由恆星所組成的。如同康德，羅斯爵士也認為這些渦狀星雲是由恆星組成的系統，但是許多天文學家卻認為這些渦狀星雲可能是我們宇宙（銀河系）內的成員。

20世紀初期風起雲湧

到了20世紀初期，天文學家急於知道宇宙的大小與渦狀星雲的本質。有兩派天文學者使用了不同的觀測技術與理論，來探討這兩個問題。到後來，問題的重心逐漸彙集成為兩個：（1）太陽在宇宙的中心嗎？以及（2）渦狀星雲的本質是什麼？

一方認為太陽位於宇宙的中央，另一方認為宇宙中央位於人馬座方向。對第2個問題，則集中在渦狀星雲是屬於我們宇宙中的物質，或是另外一個宇宙。雙方各有支持者，在研討會中、學術論文中，引經據典爭論不休。

從1906年開始，荷蘭天文學家凱普庭（Jacobus Cornelius Kapteyn, 1851-1922）推動一個國際合作的大計畫（The Plan of Selected Areas），全球有超過40個天文臺參加。他選擇了206個天區，每個天區視野是一度見方，彼此相隔15度，均勻分布在整個北天，其中46個位在銀河盤面，希望獲得這些天區裡恆星的星等、自行、視差、光譜與徑向速度。

依據這個計畫所獲得的全天恆星的數量與分布，提出一個稱為「凱普庭宇宙」的模型，結果顯示與一百多年前威廉‧赫瑟爾的差不多，只是範圍至少大了10倍：我們的宇宙是一個直徑約為4萬光年、厚約5千光年的扁平盤狀，我們的太陽大約在中心附近（距離中心約2,000光年）。

就在這時候，一位年輕的美國天文學家謝普利在研究球狀星團的分布與距離後，提出另外一種宇宙模型，認為我們的宇宙直徑約為30萬光年，而太陽並不位於中心。在謝普利之前，天文學家已經研究球狀星團多年了。球狀星團是一群恆星聚集成團的系統，像個「珍珠丸子」。在球狀星團中，有許多亮度會呈現周期性變化的「造父變星」，可以用來當做距離的指標。

當時已經觀測到數十個球狀星團，它們在天空中的分布非常不對稱，都集中在天空中的一邊，在獵戶星座這一側非常少。推算這些球狀星團分布的中心，位於人馬座方向，距離大約是5萬光年。如果以球狀星團的分布中心當做宇宙的中心，那麼這個論點與兩百多年來認為「太陽在宇宙中心」的論點衝突。

另外，謝普利相信渦狀星雲是相當小而距離不遠的天體，像球狀星團一樣散布在我們的銀河系周圍。而另一派是寇蒂斯所主導的島宇宙模式，認為這些渦狀星雲每個都是個巨大、轉動中的恆星系統。

與謝普利相比，寇帝斯較年長，極有聲譽，也發表了許多有價值的論文，許多是與渦狀星雲有關的。他是一位縝密慎思的人，是保守而努力工作的人，常對新事物抱持懷疑，直到證據達到他的嚴格標準後才能獲得他的認同。他相信一百多年來天文學家辛勤觀測的結論，認為宇宙有如一個「石磨」，太陽位於中央位置，也支持渦狀星雲是一個「島宇宙」的說法。

謝普利對於渦狀星雲的看法卻是另一個極端，他認為整個宇宙的範圍大小，就是他所提出的模型，這些渦狀星雲都是我們宇宙中的氣體雲，並不是我們這個巨大恆星系統之外的東西。他得到這個結論並不僅僅是建立在他對球狀星團的分布與距離的研究上，也建立在渦狀星雲的轉動速度上。

樊馬納（Adriaan Van Maanen）在威爾遜山工作，也是謝普利的朋友，他在1910年至1920年間比對相隔數年的渦狀雲影像，嘗試測量渦狀雲的內在運動，他認為測量到了渦狀雲的轉動速率。謝普利認為如果渦狀雲真的如寇帝斯他們所說的那麼遠，則這些渦狀雲會十分巨大，它們的轉動速度會是不可思議的快，甚至超過光速，這並不合理。謝普利認為這些渦狀雲的距離必須夠近，它們的轉速才會落在物理學可以接受的合理範圍內。後來證實，樊馬納的測量不夠精準，他實際上並沒有測量到渦狀雲的轉動現象。

世紀大辯論

美國國家科學院（National Academy of Sciences，相當於我國的中央研究院）為了這兩個舉世注目的重要問題，在1920年4月26日舉辦了一場公開的辯論。主講者分別是兩派的代表謝普利與寇帝斯，地點先在美國華盛頓特區的國家歷史博物館的主廳，然後在美國國家博物館。多數與會者是國家科學院會員（相當於我國的中央研究院院士），包含了一些當代傑出的天文學家。

這次世紀大辯論的形式不是雙方對質、唇槍舌劍、你來我往的爭辯，而是一場各自表達理念的演講。每一位主講人有40分鐘提出自己的觀點，也反駁對方的論點。之後，再由當時著名的天文大老們給予實質的評論，其中包括支持謝普利的著名天文學家羅素（Henry Norris Russell）。

首先由謝普利先講，他提供聽眾一些基本的背景素材，用以說明他對我們銀河系形狀與大小的估計要比寇帝斯的模型更接近正確。寇帝斯隨後發表論點，但比較屬於技術性層次，嘗試以觀測數據創立最佳邏輯論點，比較詳細地陳述目前的研究狀態，以及專注在渦狀星雲的距離與本質上。

謝普利的演說內容包含星系大小概念的演變、太陽附近的普查、球狀星團的距離、銀河系的尺度與結構，而寇帝斯的內容是銀河系的尺度與結構、恆星亮度的證據、渦狀星雲是外星系等。

天文大辯論後的演變

這次辯論雖然激烈，卻沒有決定性的結論。但是藉著這次辯論，許多模糊的觀念得以澄清。我們現在知道兩人的論點各有對錯。謝普利提出的我們銀河系的模型是正確的，太陽確實不在銀河系的中央，而是在距離銀河中心約3萬光年的地方。但是他對渦狀星雲的看法卻是錯的，渦狀星雲如同我們的銀河系，是巨大的恆星系統。

對第一個爭論「太陽在宇宙的中心嗎？」，天文學家陸續有更多的觀測證據證明答案是否定的。天文學家觀測並統計太陽附近的運動，發現太陽並不是靜止不動的，而是繞著人馬座方向運行，而且運行速度還相當快，每秒約兩百多公里（時速約80多萬公里）。很顯然地，太陽並不是位於銀河系的中心，人類的地位再一次由中心脫離。另外歐特（Oort）在第2次世界大戰後，以氫原子所發出的電波探測銀河系的結構，發現整個銀河系確實有渦狀結構，而太陽也不在中心。

如果我們能知道渦狀星雲有多遠，就能平息第2個爭論「渦狀星雲的本質是什麼？」。當時美國天文學家哈伯（Hubble）在威爾遜山天文臺工作，他使用當時世界上最大的天文望遠鏡拍攝許多星雲的影像。在1923、1924年他攝得仙女座大星雲M31的照片，發現其旋渦臂上有明亮的造父變星，並由亮度變化周期，推算出它們與地球間的距離超過兩百萬光年，確實表明仙女座大星雲不在我們的銀河系中，是一個遠在銀河系之外的巨大恆星系統。謝普利很快接受這個新證據，並承認自己的錯誤。

當年康德的臆測是對的，不過現在我們不用「島宇宙」這個容易誤解的名詞，而用「星系」一詞。宇宙只有一個，其間充滿星系。星系是眾多恆星、氣體與塵雲組成的巨大系統，所包含的恆星數量依星系的大小而不同，平均來說約有100億個恆星。

我們居住的地球是太陽系的成員之一，而太陽位於一個稱為「銀河系」的星系中。銀河系是一個渦狀星系，太陽位在銀河盤面上，距離銀河中心約3萬光年。由於銀河盤面上遍布氣體塵雲，遮掩了星光，使得我們無法用可見光來觀測銀河盤面與銀河中心。在電磁波譜中，只有電波與紅外線能夠穿透星際物質，因此天文學家也用電波與紅外線波段來觀測銀河系與其他各類星系。

那麼是什麼因素使得辯論雙方有如此大的差異呢﹖其中一個重要的因素是星際物質的存在，讓辯論雙方產生了盲點。在1920至1930年代，有證據顯示恆星間的物質阻擋了星光，所造成的星際吸收不可忽略。天文學家終於了解銀河盤面上的星際物質濃密，阻擋了遙遠的星光，所以無法觀測到銀河盤面遠處的星星，只能看見大約3萬光年之內的恆星。就好像一個人在濃霧中，用手電筒往四處照，燈光所透過的距離大致相同，而會以為自己處於濃霧中央一樣。

但是許多球狀星團位於銀河盤面之上或下，銀河盤面上的星際物質所造成距離測量的誤差相對較小，因此可以較準確地決定出銀河系的結構，這使得謝普利可以正確地決定出銀河系與太陽的關係。

這次世紀大辯論，反映了科學學術圈內的一項傳統。在遭遇重大歧見與衝突時，手邊所擁有的「斷簡殘篇」又不足以平息紛爭之際，理性的爭辯有助於釐清某些觀念，也有助於事後尋求解決。

後記

高中時，讀了袁旂教授刊在《科學月刊》上的一篇文章〈問津銀河〉，印象深刻，也掀起了筆者對探討銀河系運動與結構的興趣。大學時，拜讀幼獅出版社出版、唐山翻譯的《二十世紀天文學》一書，進一步了解天文大辯論的經過與細節。大學畢業後，進入中央大學天文研究所，有幸認識了袁旂教授，後來也擔任過袁教授負責拍攝的公共電視節目〈天天談天〉的助理。

赴美攻讀碩士期間，接觸太陽附近天區與銀河系結構的主題。返回臺灣教書後，曾經教授一門「宇宙觀的進展」選修課，再度接觸宇宙論的演變史。大約在1995年，指導一位大學生畢業論文，題目是有關太陽鄰近區的運動與動力，又興起對銀河系結構與動力探討的興趣。

幾年來，帶領碩士生探索太陽鄰近的一個局部結構「古德帶」（Gould belt），以及疏散星團、OB星協與太陽附近的局部渦臂結構以後，覺得應該把這段探索宇宙（銀河系）大小的爭辯經過介紹給讀者認識，也算是回報當年袁旂教授文章的教誨。

為了撰寫這篇文章，閱讀了「世紀大辯論」的紀錄，以及哈伯與謝普利從1921年至1931年的論文。深深覺得在那個風起雲湧的時代，這些典範人物為了自己的興趣與信念，辛勤觀測，努力工作，讓人類的心智極度飛揚、視野極度擴張，超越了過去的想像，足為我輩景仰。

下列兩個網頁對這個世紀辯論事件有完整的描述與相關資料：

Great Debates in Astronomy，http://antwrp.gsfc.nasa.gov/diamond_jubilee/debate.html ，以及The Shapley - Curtis Debate in 1920，http://antwrp.gsfc.nasa.gov/diamond_jubilee/debate20.html。

資料來源

《科學發展》2007年4月，412期，44 ~ 50頁

天文世紀大辯論

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