第十章 不断扩展的视野 (1/2)

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    一、地球及其附近

    现在，让我们把旅行从分子、原子和原子核拉回到尺寸较为熟悉的物体。不过，即将开始的新旅行是朝着相反的方向，即朝着太阳、星星、遥远的星云和宇宙深处。和微观世界的情况一样，科学沿这个方向的发展也使我们越来越远离熟悉的物体，视野变得愈发广阔。

    在人类文明之初，所谓的宇宙被认为小得可怜。人们认为大地是一个巨大的扁盘，漂浮在四面环绕的海洋上。大地下方是深不可测的海水，上方是诸神的居所————天空。这个巨大的盘子足以支撑住当时地理学已知的所有陆地，包括地中海的各个海岸以及邻近的部分欧洲和非洲，还有亚洲的一小块地方；大地的北边以高山山脉为界，夜间太阳就在山后的“世界大洋”洋面上休憩。图104比较准确地显示了古人所认为的世界的样子。然而到了公元前3世纪，有个人对这种公认的简单世界图像提出了异议。他就是著名的希腊哲学家（当时用这个名称来称呼科学家）亚里士多德（Aristotle）。

    图104　古人所理解的世界

    亚里士多德在《论天》一书中提出了一种理论，认为大地其实是一个球体，上面覆盖着陆地和水，周围是气。他提出了许多论证来支持自己的观点，这些论证在我们现在看来非常熟悉和平凡。他指出，船消失在地平线上时总是船身先消失，桅杆还露在水面上，这表明海洋不是平的，而是弯曲的。他还指出，月食一定是因为地球的影子掠过了月亮表面。既然这个影子是圆的，所以大地本身也必定是圆的。但当时相信他的人并不多。人们不能理解，如果他说的是对的，那么生活在地球另一端（即所谓的对跖点）的人怎么会头朝下走路而不掉下去呢？那里的水为何不流向他们所说的天空呢（图105）？

    图105　反驳大地为球形的论证

    你瞧，当时的人并没有意识到，物体下落是因为受到了地球的吸引。对他们来说，“上”和“下”是空间中的绝对方向，在哪里都应该是一样的。认为绕地球转半圈，“上”“下”就可以互换，这种想法在他们看来就像爱因斯坦相对论的许多陈述在今天的人看来一样疯狂。当时，重物的下落不是像今天这样通过地球的吸引来解释，而是被解释成一切物体都有向下运动的“自然倾向”。因此，你若敢站在地球的下面一半，会向下掉到蓝天中去！这种反驳是如此有力，对旧观念进行调整是如此艰难，以至于直到亚里士多德去世后两千年的15世纪，仍然可以看到有人把地球对面的居民画成头朝下站着，以此来嘲笑大地是球形的观念。就连伟大的哥伦布（Christopher Columbus）在动身寻找通向印度的“相反道路”时，也未必确信自己的计划是可靠的。事实上，他因为美洲大陆的阻挡而并未实现这项计划。直到麦哲伦（Ferdinand de Magellan）作了著名的环球航行之后，关于大地是球形的最后一丝疑虑才彻底打消。

    人们第一次意识到大地是个巨大的球体时肯定会问，这个球与当时已知的世界相比有多大？但古希腊的哲学家们当然无法作环球旅行，他们如何来测量地球的尺寸呢？

    有一个办法，这是公元前3 世纪的著名科学家埃拉托色尼（Eratosthenes）最先发现的。他生活在希腊的殖民地————埃及的亚历山大里亚。亚历山大里亚以南5000斯塔迪姆远的尼罗河上游地区有一座城市叫赛伊尼，他听那里的居民讲，夏至那天正午，太阳正好悬在头顶，因此直立的物体都没有影子。埃拉托色尼还知道，这种事情在亚历山大里亚从未发生过。夏至那天，太阳与天顶（即头顶正上方）有7°的距离，即整个圆的1/50 左右。埃拉托色尼假定大地是圆的，非常简单地解释了这个事实，图106清楚地显示了这种解释。事实上，由于两座城市间的地面是弯曲的，竖直射到赛伊尼的太阳光必定会与北方的亚历山大里亚成某个角度。从图中还可以看到，如果从地心分别向赛伊尼和亚历山大里亚引两条直线，那么这两条线的夹角将等于从地心到亚历山大里亚的那条线（即亚历山大里亚的天顶方向）与直射到赛伊尼时的太阳光之间的夹角。

    图106

    由于这个角是整个圆的1/50，地球的周长就应是两城间距的50倍，即250 000斯塔迪姆。1斯塔迪姆约为1/10英里，因此埃拉托色尼得到的结果相当于25 000英里或40 000公里，的确非常接近现代的最佳估计值。

    然而，对地球作第一次测量的重要之处并非在于结果是否精确，而在于认识到地球实在太大了。哎呀，它的总面积一定比当时已知的整个陆地面积大几百倍呢！这能是真的吗？如果是真的，已知的边界之外又是什么呢？

    谈到天文距离，我们先得了解一下所谓的视差位移或简称视差。这个词听上去可能有些吓人，但实际上，视差简单且有用。

    我们可以通过尝试穿针引线来了解视差。请闭上一只眼睛来穿针，你很快就会发现这样很难穿进去；你手中的线头不是跑到针眼后面很远，就是到针眼之前便停住了。仅凭一只眼睛是判断不出针与线的距离的。但如果两眼睁开，穿针引线就很容易做到，至少是很容易学会。用两只眼睛观看物体时，你会自动把它们聚焦到这个物体上。物体越近，两只眼球就得更接近一些。作这种调整所产生的肌肉感觉会较好地告诉你距离有多少。

    如果不是用两只眼睛同时看，而是先后用左右眼看，你会看到物体（这里是针）相对于远处背景（比如房间里的窗户）的位置发生了变化。这种效应就是所谓的视差位移，大家一定都很熟悉；如果你从未听说过，不妨试验一下，或者看看图107所示的分别用左眼和右眼看到的针和窗户。物体离得越远，其视差位移就越小，因此我们可以用它来测距。由于视差位移可以用弧度精确地测量出来，这种方法要比用眼球的肌肉感觉来简单地判断距离更精确。但由于我们的两只眼睛仅相距3英寸左右，因此用眼睛不大能估计准几英尺开外的距离。对于更远的物体来说，双眼的视线变得几乎平行，视差位移也变得极小。要想判断更大的距离，需要把两只眼睛分得开一些，以增大视差位移的角度。不，用不着做外科手术，只需几面镜子就能实现。

    图107

    图108显示了（雷达发明以前）海军用来测量敌舰距离的一种装置。它是一根长筒，每只眼睛前面各有一面镜子（A，A′），长筒两端各有另一面镜子（B，B′）。透过这样一架测距仪，就可以一只眼睛从B端看，另一眼睛从B′端看了。这样一来，你两眼之间的距离或所谓的光学基线便显著增大了，所能估计的距离也就长得多。当然，水兵们不会只依靠眼球肌肉的距离感来做判断。测距仪上配备有特殊的装置和刻度盘，能够极为精确地测定视差位移。

    图108

    即使敌舰几乎还在地平线后面，这种海军测距仪也能很好地工作。但即使想用它测量像月亮那样比较近的天体的距离，也不会成功。事实上，要想观测到月亮在恒星背景上的视差位移，光学基线（即两眼之间的距离）至少要有数百英里长。当然，我们没有必要设计一套光学系统，使我们能一只眼睛比如从华盛顿看，另一只眼睛从纽约看，因为我们只需在这两座城市同时拍摄月亮在群星中的照片。把这两张照片放在普通的立体镜里，就能看到月亮悬在恒星背景前方的空间中。通过测量从地球上两个不同的地点同时拍摄的月亮和群星的照片（图109），天文学家们发现，从地球直径两端观测到的月亮的视差是1°24′5″。由此可得，地球与月亮的距离等于30.14个地球直径，即384 403公里或238 857英里。

    图109

    由这个距离和观测到的角直径可以算出，月亮这颗卫星的直径约为地球直径的四分之一。其总面积只有地球面积的十六分之一，与非洲大陆的面积相当。

    用类似的方法也能测得地球与太阳的距离。当然，太阳要远得多，测量也就困难得多。天文学家们测出这个距离是149 450 000公里（92 870 000英里），亦即地月距离的385倍。正因为这个距离非常巨大，太阳才显得和月亮尺寸差不多；实际上太阳要大得多，其直径是地球直径的109倍。

    如果太阳是个大南瓜，地球就是颗豌豆，月亮则是粒罂粟籽，纽约的帝国大厦将和我们透过显微镜看到的最小的细菌一样大。这里值得铭记的是，古希腊有个名为阿那克萨戈拉（Anaxagoras）的进步哲学家因为提出太阳是个像希腊那么大的火球，就受到了放逐的惩罚和死亡威胁！

    天文学家们还以类似的方法估算了太阳系中各个行星与太阳的距离。其中最远的行星，即1930年才发现的冥王星，与太阳的距离约为地日距离的40倍；确切地说，这个距离是3 668 000 000英里。

    二、银河系

    朝着太空再迈进一步，就从行星走到恒星了，这里视差法同样适用。但我们发现，即使是最近的恒星，距离我们也非常遥远，哪怕在地球上距离最远的两点（地球两侧）进行观测，相对于一般的恒星背景也看不出明显的视差位移。不过，我们还有一种办法来测量这么遥远的距离。倘若可以用地球的尺寸来测量地球绕日轨道的大小，那么为何不用这个轨道来求出地球与恒星的距离呢？换句话说，在地球轨道的相对两端观测恒星，能否注意到至少某些恒星的相对位移呢？当然，这意味着两次观测要相隔半年之久，但那也没有什么关系。

    带着这种想法，1838年德国天文学家贝塞尔（Friedrich Wilhelm Bessel）开始对相距半年的两个夜晚观测到的恒星相对位置进行比较。起初他并不走运，他所挑选的恒星都太过遥远，没有显示出任何明显的视差位移，即使以地球轨道直径为基线也不行。然而，这里有一颗恒星，天文学目录将它列为天鹅座61（即天鹅座的第61颗暗星），其位置似乎和半年前稍有偏离（图110）。

    图110

    又过了半年，这颗星重回原位，因此这肯定是视差效应。贝塞尔也成为拿着尺子从太阳系步入星际空间的第一人。

    半年里观测到的天鹅座61的位移其实很小，只有0.6弧秒，84也就是你观看500英里以外的一个人时视线所成的角度（倘若你真能看这么远的话）！不过，天文学仪器非常精密，即使连这样的角度也能以很高的精度测量出来。根据观测到的视差和已知的地球轨道直径，贝塞尔计算出这颗星距离我们103 000 000 000 000公里，也就是说比太阳还远690 000倍！这个数字的意义很难把握。如果使用我们之前打过的比方，太阳是个南瓜，豌豆大小的地球在离它200英尺远的地方转动，那么这颗恒星将在3万英里外的地方！

    天文学家往往会用光以每秒300 000公里的速度走过一段距离的时间来表示这段距离。光线只需1/7秒便可绕地球一圈，从月亮到地球只需1秒多钟，从太阳到地球也不过8分钟左右。然而从宇宙中距离我们最近的天鹅座61发出的光，却要11年左右的时间才能到达地球。如果由于某种宇宙灾难，天鹅座61熄灭了，或者在一团烈焰中爆炸了（这在恒星是常有的事），那么只有经过漫长的11年，等到从高速穿过星际空间的爆炸闪光及其最后一线光芒到达地球，我们才能知道有颗恒星已经不复存在了。

    根据测得的天鹅座61的距离，贝塞尔计算出，这颗在黑暗的夜空中静静闪烁的微小光点其实是颗亮度略小于太阳、大小只差30％的星体。这第一次直接证明了哥白尼最先提出的一种革命性思想：我们的太阳只是散布在广袤无垠空间之中的无数颗星体中的一颗。

    贝塞尔做出这项发现之后，人们又测出了许多恒星视差。有几颗恒星被发现比天鹅座61距离我们更近，其中最近的是半人马座α（半人马座中最亮的星），距离我们只有4.3光年。它在大小和亮度上非常类似于太阳。大多数其他恒星都要远得多，以致即使把地球轨道的直径当作距离测量的基线也太小了。

    恒星在大小和亮度上也大相径庭，既有比太阳大400倍左右、亮3 600倍左右的参宿四（距离我们300光年）这样的明亮巨星，也有比地球还小（直径是地球的75％）、比太阳暗10 000倍左右的范玛南星（距离我们13光年）这样的昏暗矮星。

    现在我们来谈一个重要的问题，即现存的恒星总共有多少。包括诸位在内的许多人可能都以为，天上的星星无人能数清。但和许多流行看法一样，这种看法也大谬不然，至少就肉眼所能看到的星星而言是如此。事实上，从南北两个半球所能看到的星星总共只有六七千颗，由于任何时候都只有一半星星在地平线以上，而且地平线附近星星的可见度因大气的吸收而大大降低了，所以即使在无月的晴朗夜晚，通常用肉眼也只能看到大约2 000颗星星。于是，如果以每秒钟1颗的速度不懈地数下去，半小时左右你就可以把它们数完！

    但如果用双筒望远镜，你可以多看到5万颗星星，使用英寸口径的望远镜，你会再看到约100万颗。如果用加利福尼亚威尔逊山天文台的那架著名的100英寸口径的望远镜，你将能看到大约5亿颗星星。即使以每秒钟数1颗的速度每天从早数到晚，天文学家也要用一个世纪左右的时间才能将它们数完！

    当然，不曾有人透过望远镜一颗颗地数星星，其总数是通过把不同天区的若干区域中实际可见的星星数目的平均值运用于整个星空而计算出来的。

    两个世纪前，著名的英国天文学家赫歇耳（William Herschel）用自制的大型望远镜观看星空时，注意到肉眼可见的星星大都出现在银河这条横跨夜空的微弱光带内。正是由于他的功劳，天文学才认识到，银河并不是天空中的普通星云，而是由相距甚远因而暗到无法用肉眼一一分辨的众多恒星组成的。

    通过使用越来越强大的望远镜，我们得以把银河看成由越来越多的星星所组成，不过，银河的主要部分仍然处于模糊的背景当中。但若以为银河区域内的星星比其他天区的星星更为稠密，那就错了。事实上，某个区域的星星之所以看起来比其他区域稠密，并非因为分布更为集中，而是因为星星沿这个方向的分布更为深远。（在望远镜的协助下）星星沿着银河的方向一直伸展到目力所及的边缘，而在其他方向，星星的分布并未扩展到视力的极限，它们之外主要是近乎空无所有的空间。

    沿着银河的方向看过去，我们仿佛在透过密林张望，无数条树枝彼此层叠交织，形成连续的背景；而沿着其他方向，我们在星星之间看到的是一块块空荡荡的空间，就像在树林里，透过头顶上方的枝叶可以看见一块块蓝天一样。

    因此，银河在空间中占据着一个扁平区域，沿着银河平面延伸得很远，沿其垂直方向则比较薄。太阳只不过是银河中无足轻重的一员。

    经过一代代天文学家更为细致的研究，我们已经知道，银河系大约包含40 000 000 000颗恒星，它们分布在直径约100 000光年、厚度为5000~10 000光年的一个透镜形区域内。由这种研究还得出一个结论：太阳根本不是这个巨大星系的中心，而是靠近其外边缘，这对我们人类的自豪感来说真是打击啊！

    图111试图向读者表明，银河这个巨大的星巢看起来是什么样子。这里的银河系缩小了100 000 000 000 000 000 000倍，代表各个恒星的点也远小于400亿，这当然是出于版面的理由。

    图111　一位天文学家在观看缩小了100 000 000 000 000 000 000 倍的银河系。天文学家头顶差不多就是太阳所在的位置

    这个由群星组成的银河系最典型的性质之一就是，它和太阳系一样也在迅速旋转。和金星、地球、木星等行星沿着近乎圆形的轨道绕日运转一样，形成银河系的数百亿颗恒星也在围绕所谓的银心运转。银河系的这个旋转中心位于人马座的方向上。事实上，你若沿着银河跨过天空的模糊形状看过去，会发现越靠近人马座，银河就变得越宽，这表明你正朝着这个透镜状物体更厚的中心部分看去（图111中那位天文学家正是朝着这个方向观看的）。

    我们并不知道银心看起来是什么样子，因为悬浮在太空中的浓密而黑暗的星际物质遮住了它。事实上，如果观察银河在人马座区域中变厚的部分，85你会以为这条神话中的天路在这里分成了两条“单行道”。但它并非真实的分岔，之所以有这种印象，完全是因为星际尘埃和气体的暗云悬浮在我们与银心之间的太空中。银河两侧的黑暗是由于黑暗空间的背景，而这里的黑暗却是由于不透明的暗云。中间那块黑暗区域的几颗星星其实是在我们和暗云之间（图... -->>

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