圖片來源：筆者自攝
宇宙，代表了時空，既廣袤又神奇，難以瞭解它的全貌。但在過去的數十年來，宇宙學、高能理論和對重力的研究陸續的蓬勃發展起來，讓我們對於宇宙的觀念歷經了一番革新。現今我們知道它沒有邊界，卻也一直在膨脹，甚至還能推算它的年齡，那麼，過去的人是怎麼去理解宇宙的呢？
最初，在好久好久以前的公元二世紀，托勒密(Claudius Ptolemaeus，100-700)觀察了世界上萬物運行規則，萌生地球便是宇宙中心的想法，也就是地心說。當時因為宗教的關係，大家普遍認為人類是上帝依照自己的形象創造的神聖產物，所以地心說當然被廣為接受。那時候托勒密用來解釋天體運動的模型，主要是用了本輪均輪的概念，本輪是行星本身運動的小圓，而均輪是本輪圓心繞著地球運動的大圓。不過當時為了消除一些觀測上的誤差，托勒密在原本的本輪均輪模型上，又加上了非常多的周轉圓來修正。在一千五百多年後，哥白尼(Nicolaus Copernicus，1473-1543)提出了太陽才是宇宙中心的看法。當時他也是使用本輪均輪的模型，只不過，把太陽當作中心似乎讓他的模型比托勒密的簡單一些。與地心說的精確度差距不大，加上普遍民眾都是崇尚地心說，導致日心說在當時並不被廣泛接受。大概一直到克卜勒(Johannes Kepler，1571-1630)利用第谷(Tycho Brahe，1546-1601)的觀察數據歸納出了他著名的三條定律*(註1)，才讓日心說的模型變得優雅簡單而被廣為採用，成功取代了地心說。
不過就算是到了17世紀仍舊沒有太多與「宇宙」相關的想法，研究觸及到的邊緣就只到太陽系，其他更遠更廣的東西大多是憑空想像。後來在18世紀時，英國著名的天文學家威廉．赫歇爾(Friedrich Wilhelm Herschel，1738-1822)經過長期觀測，繪製了一幅宇宙結構圖。他的宇宙結構圖以太陽的位置為中心，大致成圓盤狀。爾後約100年，陸續有關於宇宙結構的研究，但除了範圍擴大數倍以外，大致與威廉．赫歇爾的結果差不多——恆星們平均分佈、太陽在宇宙的中心。
圖一：赫歇爾的宇宙結構圖
一直到了1918年，美國著名的天文學家沙普利(Harlow Shapley，1885-1972)，通過對當時已經掌握的約100個星團的研究，發現90%以上的星團都是以人馬座為中心來分佈，約三分之一的星團分佈在人馬座方向。沙普利設想這些星團在銀河系中的分佈是對稱的，進一步推測出，太陽並不處於銀河系的中心，所以在地球上觀測到的星團們才沒有對稱分佈。此後又經過多年的觀測，終於建立了銀河系結構模型，證實了銀河系的中心並不是太陽，而是在人馬座方向。事實上太陽和整個太陽系都處於銀河系的邊緣！ 然而沙普利當時主張銀河系的大小即為宇宙的大小，這在當代因為渦狀星雲(如M31、M51)的發現而開啟了另一個爭議
——宇宙的尺度。
圖二：銀河系示意圖
1920年，美國國家科學院舉辦了一場有關宇宙尺度的公開辯論，如筆者剛剛所提到，沙普利主張銀河系就是整個宇宙的代表，他認為像仙女座星雲(就是M31，對，他當時覺得是星雲)和螺旋星雲(NGC5194，對，他還是覺得是星雲)是小天體，並且只是銀河系的一部份。他提出如果M31不是銀河系的一部分，則它的距離一定是108光年的數量級——這是當時大多數天文學家都不能接受的尺度。其他天文學家也為沙普利的數據提供了證據。對於M31觀測到的新星(*註2)，其亮度很不合理，如果M31是一個星系，那這顆離地球如此遙遠的新星就有令人難以置信的光度。
站在另一邊的柯蒂斯(Heber Doust Curtis，1872-1942)認為M31和其它這一類的「星雲」都該是獨立的星系。從觀測數據，他發現在M31中的新星應該比銀河系還多，那為什麼在這個「小範圍的星雲」裡頭，能有這麼多新星，甚至比銀河系其它的部分更多？於是他推論M31該是一個獨立的星系，有它自己的年齡和新星的發生。他的論據中也引用了其他觀察結果，像是在這類「可能是獨立星系的星雲」中也有類似我們銀河系中的塵埃雲產生的暗線，並且有些還被觀察到了都卜勒位移，這表示它們相對銀河系在移動。
在1920年的這場辯論並沒有實際結果，但是在1923年，哈伯(Edwin Powell Hubble，1889-1953)用了萊維特(Henrietta Swan Leavitt，1868-1921)在1908年所發現的「造父變星周光關係」來做測量，發現有好幾處的螺旋「星雲」都離本星系太過遙遠，顯示它並不是銀河系內的成員，應該屬於星系。而沙普利很快接受這個新證據，並承認自己的錯誤。
當然，現在我們知道銀河系只是可見宇宙中數千億星系間的一員，但這件事居然是不到100年前才被提出的，之後可能被推翻也說不定。在世紀的更迭下，可以看到人們在宇宙學上，經歷過多大幅度的變動，像是把人從世界的中心，縮小成了無垠宇宙中的微渺存在。至少，在能夠仰賴觀察跟確認的時代，隨時都要依照證據去修正我們的思想，畢竟就算是看似充滿想像的宇宙學，沒有足夠的真實數據，也是無法使人盡信的。
*(註1)克卜勒第一定律：行星的運動軌跡，是以太陽為焦點的橢圓
克卜勒第二定律：行星和太陽的連線，在單位時間掃過的面積為定值(角動量守恆)
克卜勒第三定律$\frac{r^3}{T^2}=const.$
*(註2)沙普利在辯論中提到的新星實際上則是一顆超新星，它短時間內釋放出的能量超過一個星系在平常時釋出的總能量。
參考資料：
[1]Lawrence M. Krauss, A Universe from Nothing: Why there is Something rather than Nothing(2018)
[2]Wikipedia
作者介紹
劉芷辰(爆肝貓)
曾參加2019的APhO，然後就沒有然後了，還被COVID-19搞到QAQ
是一隻非常喜歡物理的貓，現在是台大物理的大一新生，菜味很重請見諒。