【導讀 ─ 台灣大學物理系暨天文物理研究所教授 孫維新】
在星空下盡情探索，在荊棘中蹣跚前進
《科學人》將2002年創刊以來的精采天文文章編纂成集《發現天文之美》，嘉惠學子大眾，功德無量！
自古以來，在靜靜的星空下仰觀天象，就是一件令人著迷的事情，這是為何我們常說：「天文學，是離我們最遠的一門科學，卻也是離我們最近的一門學科。」最遠，是因為我們研究的星星銀河，都在萬千光年之外；最近，是因為我們抬頭就看得到！
回首科學發展的滄桑過程，就是一部「自然」、「科學」，和「人」之間的互動史。「自然」深刻影響「人」的生活，而「人」藉著辛苦發展出來的「科學」，去了解「自然」背後的道理，這個三方互動的過程，在天文學的發展中尤其明顯。隨著科學的發展，今日天文學的研究已經不再受到政治和民粹的干擾，而能讓科學工作者單純地根據所觀測到的現象探討其背後的道理，也逐漸發展出了「欣賞–探索–認知–珍惜」四階段的心理歷程，使得天文研究最終走上了科學的道路。然而即使如此，天文科學的研究路途也不是一馬平川的康莊大道，天文學家一直在不斷認錯的荊棘叢中蹣跚前進，究其原因，天文研究中「直觀的現象」和「真正的本質」常常天差地遠，需要付出時間精力和創意思索的代價，才能接觸天文現象的真正本質。
遠者如托勒密的「地心說」和哥白尼的「日心說」之爭，已經頻繁地見諸史冊及教科書，我們不再贅言；近者如20世紀三大有關「距離」的爭辯，卻值得我們參考深思！
遙遠天體的「距離」測量，一直是天文學家的心頭之痛，因為「有距離才有真相」！在清楚知道一個天體的實際距離之後，天文學家才能精確地算出它的「光度」，也就是每秒鐘這個天體實際放出的能量，也才能開始計算具有真實物理意義的天體參數。
20世紀第一個有關「距離」的大辯論，發生在1920年4月26日的晚上，來自威爾遜山天文台的夏普里（Harlow Shapley）和來自里克天文台的柯蒂斯（Heber Curtis），在美國華盛頓D.C.的國家科學院中，就「星雲」的本質和「宇宙」的尺度，各自表述，總共用了1小時又15分鐘，時間雖短，影響深遠，這場遇合後來被天文史家稱為「大辯論」（The Great Debate）。但究其內容，夏普里使用了一連串正確的推導，卻得到了錯誤的結論（大多數星雲是「近」處的雲氣）；柯蒂斯使用了一連串錯誤的推導，卻得到了正確的結論（大多數星雲是「遠」處的星系）！不過文人嘴上相爭，從來不會有具體勝負，直到哈伯在1923年10月5日和6日晚上，使用新啟用的威爾遜山2.5米望遠鏡，拍了M31仙女座大「星雲」，找到了第一顆M31中的造父變星，計算出我們到M31之間的距離，終於清楚知道M31絕對是一個獨立於我們銀河之外的星系！從此以後，就如同許多其他「星雲」一樣，M31被更名為「仙女座大星系」，也終結了20世紀第一場關於「距離」的辯論。
有趣的是哈伯對M31的距離估算其實誤差極大！今天我們知道M31的距離為254萬光年，誤差正負6萬光年，但是當年哈伯因為不知道造父變星有兩種，用了錯誤的定標公式，得到了30萬光年的數值，但無巧不巧，當年對我們銀河大小的估計也是錯得離譜，今天我們知道銀河直徑為10~12萬光年左右，但當年以為銀河只有3萬光年大小！哈伯就是如此幸運，這兩個錯誤的方向一致，所以哈伯仍然可以做出正確結論：M31是在我們銀河之外！
第二個距離辯論出現在1960年代，當施密特（Maarten Schmidt）發現「類星體」（quasar）光譜中的奇怪譜線其實就是紅移之後的正常氫原子譜線之後，天文學家先是驚訝於這些類似恆星的天體竟然「遠」在宇宙邊緣，但接著又驚訝於這些天體竟然能放出極大的能量，讓我們在地球上都能偵測得到！也正因為物理上看似荒謬，就有人站出來反對這個說法，認為類星體其實是「近」處星系的核心噴發出來的物體，因為噴出的速度極快，所以產生了很高的紅移，讓大家以為這些天體很遠。這個學說的代表人物以柏比奇（Geoffrey R. Burbidge）及阿爾普（Halton C. Arp）為主，他們在幾個例證圖像中，觀察到類星體（高紅移）和鄰近星系（低紅移）之間似乎有著物質關聯，但是這個學說的最大敗筆，是無法解釋類星體被噴出來的方向都是「背向地球」，只有「紅移」而無「藍移」！雖然這兩位學者的學說幾乎已經被近年來的觀測淘汰，但是直到我念研究所當博士後時，每有國際會議，仍會看到兩位老先生上台重述他們的理念和「新的」觀測證據，大家在底下面面相覷悶不吭聲以示尊重，科學家的堅持有些時候真的令人難以想像。
第三個距離辯論出現在1995年4月，一方面為了紀念第一個大辯論的75週年，另一方面有關「γ射線爆發」（gamma-ray burst, GRB）的距離爭議方興未艾，這類天體在1970年代被美國空軍發現，原先以為是邪惡帝國的太空核爆，後來才知道是宇宙中隨機出現的爆發性天體，它雖然在高能波段光芒萬丈，但是一閃即逝，偵測距離極端困難，所以才會導致第三場大辯論。當時「民心」所向多半都認為這類天體很近，不過是銀河周邊的「高速中子星」，只因為它們的光變尺度和高能譜線似乎都和中子星的性質有關。這場辯論由藍姆（Donald Q. Lamb）對上巴辛斯基（Bodhan
Paczynski），前者贊成中子星理論，說這類天體「近」得很；後者獨排眾議，說這類天體其實「遠」在宇宙邊緣，能量極大。辯論過了沒有多久，地面的快速反應光學望遠鏡和軌道中的γ射線望遠鏡聯手，偵測到了剛剛爆發天體的光學影像，得到光譜之後，發現又是一個「遠」字！
即使在賭場中擲骰子開寶賭大小，也很難連續開出三個「遠」來！但是20世紀的三場辯論，卻結結實實地給我們上了一課震撼教育，宇宙似乎隨著人類知識的越來越豐富，反而變得越高越遠！
各位喜愛天文的朋友們，不要因為押寶不中而懷憂喪志，今日的我們，在力學上懂得比牛頓多，在電磁學上懂得比馬克士威多，在相對論上懂得更比愛因斯坦多！這些進展其實一一反映在連篇累牘的天文科普文章之中，我真的很高興也很慶幸，《科學人》雜誌能將過去這些年的天文文章彙整出版，回饋廣大的天文愛好者！
這本精選集將會帶著我們看「太陽發火」、欣賞「行星創世紀」、參與「恆星嘉年華」、「深入星空」探尋「星系傳奇」，在「多麼希臘的星空下」「向哈伯致敬」，致敬之後再「超越哈伯」⋯⋯。這是一本讓所有的天文愛好者都會著迷的天文合輯，只希望大家在欣賞之餘，也能多做推介，讓更多人走出戶外、仰觀宇宙。畢竟，星空是大家的！
2024專利防護中