作者：巩晓阳
出版社：电子工业出版社
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宇宙之美——物理学新探索试读：
内容简介
据调查，欧美等发达国家对宇宙学的认识和科普非常广泛，甚至小学生都能对宇宙有基本的认知。近几年，随着我国航空航天事业的飞速发展，年轻人更需要了解宇宙科学，并培养对宇宙的兴趣。只有大批青年人对宇宙充满好奇和兴趣，并投身于它的研究中，我们的科技才能进步。本书内容分为三大部分：地外生命、黑洞、虫洞。本书建立在物理学理论基础上，用通俗的语言介绍深奥的道理，包含牛顿力学在宇宙探索中的成就、宇宙的起源、恒星的演化、广义相对论的理论、虫洞研究的理论与困难等内容，旨在把物理学研究宇宙方面的新成果和前沿知识一一呈现给读者。
本书是一本科普读物，可作为大学公选课教材，也适合对物理学和宇宙学感兴趣的读者阅读，尤其是具备一定物理学知识的学生、教师和科研人员。前 言
美国物理学家、著名教育家、2017年诺贝尔物理学奖获得者基普·索恩的导师约翰·惠勒曾说过：“要想了解一个新的领域，就去开一门这个领域的课程。”“要想了解一个新的领域，就写一本关于那个领域的书。”“大学里为什么要有学生，那是因为老师有不懂的东西，需要学生来帮助解答。”读到这几句话，我心里甚是感动，因为此书的成书过程基本上就是这样的。
我对地外生命课题关注得比较早。大约是在1993年，有幸聆听了北大著名物理学教授赵凯华先生的一次关于地外生命的讲座，从此便开始关注这方面的相关成就。
作为一名高校教师，兢兢业业地教书和做些相关方面的研究一直是我的日常，然而转折来自2011年对本学院相关专业（应用物理、材料物理）学生的一次调查。调查结果显示，学生最感兴趣的物理学前沿课题中，虫洞的名字赫然在榜，一下子让我这个从教20余年的教师很惭愧，因为当时虫洞对于我来说也仅仅停留在概念层面上。于是，我开始读书，记笔记，整理，理解……
当我终于开始觉得有把握用自己的思路来理解黑洞和虫洞的相关问题时，就开始准备教案和课件，并开设了全校公选课“物理学引领我们探索宇宙”。
课程进行得比较成功，每次选课的学生数量都是最多的，一名动物科学专业的学生曾在课后和我交谈说：“老师，我觉得大学里就应该开设像广义相对论这样高大上的课程。”我的回答是：“这话也对也不对，大学里为了拓宽思路、开阔眼界，开设一些前沿的课程是好的，但是没有经典物理、量子力学、狭义相对论等作为基础，学习广义相对论也仅仅是概念而已。如果基础课程打牢，你会发现，利用一定的知识，广义相对论的结论可以顺理成章地推导出来，那么它就不再高大上了。但是，高大上的理论还有吗？有，它在你的前方，指引着你继续探索研究，物理学也就继续向前迈进了！”
这些求知的学生多可爱！为了这些热爱科学、热爱学习的学生，我不仅要把课讲好，也萌生了把自己的理解条理化、通俗化，编写成书，并与对此方面感兴趣的读者共勉的心愿。
由于笔者水平有限，书中难免有错误之处，欢迎读者批评指正！巩晓阳于河南科技大学第一部分地外生命
地球以外是否存在生命？地球是目前唯一已知有智慧生命和文明存在的星球，然而在太阳系之内，在银河系的千亿颗恒星周围，在银河系外的茫茫宇宙之中，难道就再也找不到其他生命乃至文明了吗？对这个问题无论给出肯定或否定的答案都会令人惊异！近几十年间，不断有各种不明飞行物（Unidentified Flying Object，UFO）出现的报道，如图1-1所示。20世纪40年代，美国上空发现碟状飞行物，当时的报纸把它称为“飞碟”，这是人类对UFO兴趣的开端，后来人们着眼于世界各地的UFO报道，但至今尚未发现能让科学界普遍接受的证据。一些UFO照片经专家鉴定为骗局，有的则被认为是球状闪电或其他自然现象，95%以上肯定不是“外星人”飞船！但始终有部分发现根据现存科学知识无法解释，所以我们有理由相信在偌大的宇宙中有其他文明，甚至是比人类更高级、更智慧的文明存在。随着物理学和现代科学技术的发展，人类对地外生命的探索也逐渐有了科学的依据和实质性的进展。图1-1 不明飞行物
本部分通过介绍探索地外生命的方法与进程、生命存在的条件、太阳系内外地外生命的探索和对地外生命探索的畅想几部分，从物理学的角度讲述人类探索地外生命的过程与进展。同时，尽管本章以地外生命命名，但主线是人类对地球以外生命的探索，也介绍了探索过程中的其他科学发现，包括太阳系和太阳系内各大行星及卫星的情况，旨在使读者能对宇宙探索（主要是太阳系内的探索）中的各个方面有相对全面的了解。精讲视频第一节探索地外生命的方法与进程
地球以外是否存在生命？我们先从广泛的范围考虑，即不仅局限于太阳系。生命的问题可以有很多层次，生命可以是低级的、原始的，也可以是高级的、像人类一样智慧的生命，而智慧的生命创造了地外文明。
地球诞生于46亿年前，经过几百万年的演化，大气中的无机物相互结合，再与原始大海中的物质结合，形成了有机物；之后又经过数亿年，氨基酸相互结合形成了蛋白质，很多核苷酸结合在一起形成了多聚核苷酸（即有自我复制功能的RNA）；又经过几亿年的进化过程，RNA和蛋白质进行结合，出现了DNA；距今38亿年前，厌氧性原核细胞诞生，蓝藻通过光合作用开始制造氧气，从而出现真核细胞；又经过10亿年的进化后，真核细胞成为真核生物，然后变成单细胞生物和多细胞生物，陆地生物出现。地球经过几亿年的演化，逐步形成一个生物圈，出现从低级到高级的智慧生命，然后有了人类五千年的文明历史。这种现象在偌大的宇宙中，是不是唯一的？我们都不相信这是唯一的，总觉得宇宙之大，在其他地方也有可能存在地外生命，甚至更高级、更发达的地外文明。地外生命在过去只能是一些猜想或传说，而各种传说不能作为科学的论断。但最近几十年来，科学技术的高度发展使人类可以对这个问题进行更深入的探索。
g物理学的发展让我们对宇宙的起源越来越清晰，按“大爆炸理论”，宇宙起源于137亿年前高温高密的“原始火球”的爆炸，那么在137亿年的宇宙进化过程中，不同地方有不同的进化进程，地球46亿年的年龄只是小字辈，浩瀚宇宙、茫茫时间长河，其他地方有生命乃至智慧生命也在情理之中。
我们和地外文明的联系分为两个方面。最初可能是与假想的地外文明进行通信联系，即是否能收到一些地外文明向我们发射的信号，或我们也主动地向想象中的地外文明发射一些信号。进一步就是航天技术的发展，使我们可以向宇宙发射一些探测器，但这些探测器只能在太阳系内进行比较详细的探测。1957年10月，苏联第一颗探测卫星的发射开辟了宇航时代。经过几十年的发展，我们对太阳系内其他的几个近邻都有了非常具体的了解。探测器登陆进行实地考察，直接拍摄照片、测量数据，这些内容被高度清晰地发送回来，使我们获得了很多具体的资料。根据这些资料，就能够立足于科学来讨论地外生命的问题。一、射电监听
人类是从20世纪60年代开始与外界有一些联系的，最早可以追溯到1960年美国实施的“奥兹玛计划”（Project Ozma）。奥兹玛计划是康奈尔大学的天文学家法兰克·德雷克在美国国家无线电天文台使用位于西弗吉尼亚的绿堤电波望远镜所从事的早期搜寻地外文明的计划（SETI），计划的目的是通过无线电波搜寻邻近太阳系的生物标志信号，如图1-2所示。图1-2 天文学家法兰克·德雷克和绿堤电波望远镜
实验采用了射电望远镜，射电望远镜实际上是一个大的天线，是主要接收天体射电波段辐射的望远镜，可以接收来自太空中的无线电信号。其接收的信号源包括肉眼可以看见的星星，或者是外太空的人造卫星，这些天体会发射不同波长的无线电信号。当时采用的射电望远镜直径为26m，对准宇宙中的一个目标，查看在3个月内能否接收到信息。实验选择21cm的波段，为什么是21cm的波段呢？这来源于一个猜测：宇宙中氢（H）元素的含量最为丰富，占3/4（1/4是氦，其他元素可能不到1%），氢元素在无线波段的共振频率是21cm的波段，如果地外文明也能想到这一点，就会用这个波段来发射，我们正好接收。因此，国际上规定21cm的波段为天文学专用。之后我们多次对近距离恒星进行信号发射与监听，但没有收到任何回音。1974年，美国在波多黎各的阿雷西博天文台，用当时世界上最大的射电望远镜，向武仙座球状星团M13发射无线电信号3分钟。该射电望远镜直径为305m，方向性强，是一个抛物面，波段不太宽（太宽需要的能量大很多），不能转动，只能观测一个约20°角的带状区域。可是此星座离我们太远（2.4万光年），即使真的有，也需4.8万年后才能收到回音。
射电天文学的蓬勃发展，促使人们用射电的方法寻找难以想象的地外文明。科学家们认为，如果地外生命试图与我们接触，在“他们”的信号中加入一些有意义的信息，那么该信号几乎可以肯定为脉冲信号。在宇宙中，存在很多电磁波，但是绝大多数自然界的电磁波是杂乱无章的，较有规律的脉冲可能是脉冲星或黑洞发出的，另一个可能性就是地外生命发出的。因为脉冲星发出的电磁波频率非常高，而理论上黑洞发出来的脉冲过于短促，人类暂时无法探测到。所以，一系列的脉冲可以很容易地被分辨出来，具有离散抵消机制的脉冲明显是人造信号（自然的离散通常造成高频先到）。如果能找到这样的脉冲信号，几乎就能肯定外星人正在试图接触我们。
射电天文设备包括单独的射电望远镜或组成阵列的射电望远镜、灵敏的射电探测器、处理收到的信息资料的电子设备等。为了探索地外文明，也为了与地外智慧生命联络通信，应用射电望远镜是最佳的方法。因为这种方法比较廉价，大量的信息能够以最小的代价得以发送和接收，且这种方法最快速有效，使恒星间的“对话”成为可能。
1967年，英国剑桥大学女研究生贝尔，用射电天线接收外来信号，得到了一个等间隔（1.337s）的脉冲信号，间隔非常均匀，贝尔和她的导师休伊什猜测，这么均匀的信号可能是宇宙中的外星人在发报，并将其称为小绿人（Little Green Man，LGM），如图1-3所示。很快人们便意识到并非如此，而是被称为脉冲星的天体在定期向我们发射无线电波，但为什么有如此均匀的间隔呢？图1-3 贝尔与休伊什
恒星和我们的地球一样，也在自转着，其自转轴和磁场方向不在一条直线上。每自转一周，它的磁场就在空间中画一个圆，扫过地球一次，转过去后就收不到了。我们设想在物理上只有星体的自转角动量守恒，转动惯量不变，可以认为1.337s就是天体转动的周期。但有的星体基本上有太阳那么大，若1s左右自转一圈，它的角速度是多少？可能吗？
后来，人们又发现了许多脉冲星，比小绿人快得多，其中最著名的是蟹状星云，如图1-4所示。1731年，一位英国人用望远镜在南方夜空的金牛星座上发现了一团云雾状的东西，外形像螃蟹，人们称它为“蟹状星云”（Crab Nebula）。蟹状星云的核心每秒转30次，周期为0.033s。图1-4 哈勃望远镜拍摄到的蟹状星云
按物理规律，星体转动时，其万有引力与惯性离心力相等，维持平衡。惯性离心力正比于转速的平方，转速越高，惯性离心力越大；万有引力与质量成正比，转速越高，其质量也越大，而同等体积下密度大，质量也大，因此要求脉冲星是致密的。20世纪60年代认识的63683白矮星属于致密星体，密度为10g/cm，比重为10～10g/cm。计算结果表明，蟹状星云如果具有太阳的质量，其转动不被散掉，要具113有的最低密度为10g/cm。那么它又是由什么组成的呢？
1932年，核物理领域发现了中子，知道了原子核由质子和中子组成。此后，物理学家曾预言宇宙中很可能有超新星爆发之后形成的非常致密的星体，此星体纯粹由中子组成。第一个提出该想法的是苏联理论物理学家朗道（1962年曾因氦的超流工作获得诺贝尔奖），后来有美国物理学家奥本海默（在第一颗原子弹制造中起重要作用，被称为“原子弹之父”）。他们曾在20世纪30年代预言中子星的密度最143高可达10g/cm，也就是脉冲星。进一步的观测表明，蟹状星云这只“螃蟹”正在膨胀，膨胀速度为0.21角秒/年。到了1920年，苏联科学家观测到它的半径达到180角秒。推算起来，它的膨胀应始于857（=180/0.21）年前，即公元1063（=1920-857）年左右。也就是说，该蟹状星云是在900年前产生的，它是超新星爆发时抛出来的气体壳层。为此，苏联科学家求助于有着古老文明的中国，而这一事实刚好在我国的史书中得到了证实。如图1-5所示，我国宋代古书《宋会要辑稿》记载：“嘉祐元年（1056年）三月，司天监言，客星没，客去之兆也。初，至和元年（1054年）五月晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。”其意是说：1054年，在金牛星附近出现亮光，白天看起来就比金星亮，历时23天，后来慢慢暗下来，直到1056年才消失。它为超新星爆发理论提供了坚实的依据，得到国际公认。同时，脉冲星作为中子星的一种，也为中子星的发现提供了有力的证据，休伊什也因此获得了1974年的诺贝尔物理学奖。图1-5 古书《宋会要辑稿》
1985年，美国哈佛大学天体物理学家保罗霍洛威领导了“太空多通道分析”（META）计划，通过800多万个不同频率，自动地探测外星文明。由于波段增加了上万倍，相应的工作量也增加了，普查一次太空竟需200～400天。1992年，美国又实施了寻找地外智慧生命的“凤凰计划”，利用当时最大的天文射电望远镜搜索宇宙中各类天体传来的不同波长的无线电信号。
自“奥兹玛计划”执行后，世界各国进行了数次射电搜索计划，遗憾的是，这些工作都没有任何结果，但科学家们有以下共识：一是生命很可能产生在地外“太阳类”系统中，因此，探索目标应放在类太阳系统的行星上；二是射电望远镜能“听到”的最好频率为1000～10000MHz；三是如果我们想同其他星球建立联系，应该利用电磁波，因为它以光速进行传播。
值得一提的是，世界上许多国家建有射电望远镜，包括德国、法国、日本、澳大利亚等，而2016年7月3日，一个由中国科研人员和工程人员创造的世界天文奇迹——FAST射电望远镜，进行了最后一块反射镜面的安装，标志着最新的世界最大的射电望远镜在我国诞生，如图1-6所示。这个具有500m口径的球面射电望远镜，犹如在天地间架起的一口“大锅”。为了寻找适合架这口“大锅”的地方，从1994年开始，专家们就在全国300多个候选区域中筛选评比，最终锁定了得分第一、优势明显的贵州平塘“大窝凼”。大窝凼的球形洼地，与FAST的球面设计十分贴合，这使工程的土石开挖量，从平地状态的3000万方锐减到54万方。除此之外，大窝凼优良的排水性也成为其得天独厚的优势之一。大窝凼属于喀斯特地貌中的“峰丛洼地”，水流会顺着山石间的裂缝，透过沙石渗入地下。不仅如此，工程开建之初，设计者还规划了完善的地下排水管网系统，在大窝凼的山体间开凿出一个长1120m，按50年一遇洪水规模设计的排洪隧道，直通山2的背后。这样一个射电望远镜由2000块15m的反射镜面拼成，其外形与锅式卫星天线相似，面积相当于30个足球场，当之无愧地成为世界上最大的天文望远镜。图1-6 FAST
对于射电望远镜而言，灵敏度越高，望远镜探测微弱无线电的能力就越强。而想要提高灵敏度，就需要扩大射电望远镜的口径。FAST突破了射电望远镜的百米极限，开创了建造巨型射电望远镜的新模式。它是目前国际上最大的单口径望远镜，与号称“地面最大的机器”的德国波恩100m望远镜相比，灵敏度提高约10倍；与排在阿波罗登月之前被评为人类20世纪十大工程之首的阿雷西博305m望远镜相比，它的可观测天空范围扩大4倍，灵敏度提高2.3倍，综合性能提高约10倍。FAST最远接收距离为137亿光年，这个距离接近宇宙的边缘。FAST射电望远镜的索网结构可以随着天体的移动变化，带动索网上的4450个反射单元，在射电电源方向形成300m口径的瞬时抛物面，极大地提升了观测效率。主动反射面让其拥有更广的观测范围，能覆盖40°的天顶角。FAST射电望远镜的工作频率比较广，源舱内配置覆盖频率为70MHz～3GHz的多波段、多波束馈源和接收机系统。作为世界最大的单口径望远镜，FAST拥有体型大、精度高、视野广三方面的优势，将在未来20～30年内保持世界一流设备的地位。
FAST的重要功能之一就是探测遥远的“地外文明”，帮助人类监听外太空的宇宙射电波，其中包括可能来自其他智慧生命的“人工电波”。在电力充足的条件下，这只巨大的“天眼”还能发送电波信号，几万光年远的“外星朋友”将有可能收到来自中国的问候。当然，FAST还肩负着巡视宇宙中的中性氢，为探索宇宙起源和演化、研究宇宙大尺度物理学提供资料，观测脉冲星，研究极端状态下的物质结构与物理规律等众多科学任务。
脉冲星、类星体、星际有机分子等重要天文发现都与射电望远镜有关，在诺贝尔奖历史上，明确基于天文观测的10项获奖成果中，就有6项出自射电望远镜。FSAT建成后，将搜寻到更多的奇异天体，观测到更多的宇宙奥秘，对于科学家一直寻找的地外文明，FAST也将提供一个全新的观测平台。2017年，建成一年的FAST已成功观测到6颗脉冲星。据新华社贵阳2018年3月13日电，FAST自落成启用以来，共发现11颗脉冲星，其灵敏度之高名不虚传！二、地球信使
在研究地外智慧生命存在的可能性的同时，科学家也在想办法与地外智慧生命取得联系。如何与地外文明取得联系呢？除技术和设备上的限制之外，时空屏障是最大的难题。空间问题是：最近的文明星球可能在35光年之外，即使用无线电联系，也要70年后得到回音；时间问题是：文明发展程度差异太大的星球是无法进行通信沟通的；另外还有语言问题，地外智慧生命长什么样？说什么话？听得懂人类语言吗？
美国导演斯皮尔伯格的著名电影《ET外星人》中的外星生命形象就是来自科幻与假象。多数学者认为，宇宙语言只能用一种抽象的数学语言来表达。用“数”设计的语言，最简洁的就是二进制数（1或0），最好用“数”表达一幅图像，因为不仅是智慧生命甚至连低级动物也都有视力。
美国于1972年和1973年发射的先驱者10号和11号宇宙飞船，完成了对木星和土星的探测，考察任务完成后，它们于1988年飞出了太阳系。希望有朝一日哪一个地外文明截住它们，获得我们地球的信息，所以这两艘飞船上都携带地球人自我介绍的名片，如图1-7所示。这块镀金铝质金属标志牌长13.5cm，宽7.5cm，厚1.27mm。这张金属板按一定比例把地球在太阳系中的坐标、太阳系在银河系中的坐标，按二进制编码的形式发射出去。金属板上，有一个男人和一个女人站立在太空飞船前，男人做出问候的手势，这两个人是根据地球的人类特征绘制出来的。图1-7 地球标志牌
20世纪50年代到70年代是人类航天史上的黄金时代，1957年第一颗人造卫星上天，1961年第一个人类进入太空，1969年第一艘载人飞船成功登月，一个个伟大成就接踵而来。对人类来说，需要一个更加激动人心的目标，向宇宙深处进发。与此同时，美国航天工程师加里·弗兰德发现，木星、土星、天王星、海王星4颗行星，将在70年代末出现在太阳的同一侧并呈几何排列，这意味着人类只需一次航行即可同时造访它们，它们巨大的引力还可以让航天器获得加速度，原本30年的路程如今12年即可走完，所需要的燃料也将大大减少，而下一次出现这种排列将是在176年后，试问有哪个科学家会拒绝这样的机会？
作为航天霸主的美国人当然更无法拒绝，他们调集了11000名科学家、工程师，终于在1977年8月20日和9月5日将两个最新式的航天器分别送入太空，他们是一对重达825kg的孪生兄弟，分别名为Voyager 1、Voyager 2，Voyager意为航海家，在中文语境中我们更习惯称其为“旅行者1号”“旅行者2号”。虽然那个年代的技术与今天不可同日而语，但旅行者号也绝不可小觑，以它携带的相机为例，其分辨率让使用者可以从1km外看清报纸的标题。图1-8所示是旅行者号所携带的设备。图1-8 旅行者所携带的设备
两个航天器被设计了不同的路线，如图1-9所示，“旅行者1号”按照“木星—土星”的路线航行，之后离开黄道面（即太阳系众行星的轨道水平面）。“旅行者2号”则按照黄道面内的常规路线，沿着“木星—土星—天王星—海王星”的路线航行。图1-9 旅行者轨迹图
旅行者号上面载有一个称为“地球之音”的光盘，光盘上的信息量非常丰富，有116张地球信息的图片，有照片、录音带、录像带、图表，有用60多种语言向外星人表达的问候、35种自然界的音响（刮风、下雨、流水等）、27首古典和现代音乐（其中有我国的《高山流水》），还有当时的联合国秘书长瓦尔德海姆亲自口述的录音和美国总统卡特的电文。解读这张光盘的秘密在于宇宙间最基本的元素—— 氢，在光盘的左角画有中性氢超精细跃迁的图解，设计者认为任何一个具有一定文明程度的生命都能够具有氢的知识。
旅行者号造访了木星、木卫一号和二号、土星、天王星、天卫五号、海王星和海卫一号，拍摄了大量的珍贵照片，更是人类首次造访天王星、海王星及其卫星。1989年8月25日凌晨3:40，“旅行者2号”空间飞行器途经海王星上空，逼近它最大的“月亮”海卫一号时，守候在美国帕萨迪纳喷气推进实验室的科学家和记者们第一次看到了这颗“月亮”几乎完美无瑕的清晰图样。一时间，欢呼雀跃！“旅行者62号”将离地球10km之遥的海王星附近拍回的海王星及其卫星的照-23片，用10W功率的无线电波发送回来，这是人类空间探测器距离最远的一次。12.4个地球年后，即1990年2月14日，“旅行者1号”已经越过了冥王星轨道，距离地球约40亿千米，下一步将进入太阳系的边缘，此时它调转身姿、回望地球，用6个月时间为太阳系拍摄了一张并不完美的全家福（如图1-10所示），这也是太阳系唯一一张全家福，但因为距离太过遥远，有些行星的大小还不足一个像素。图1-10 太阳系全家福（“旅行者1号”拍摄，灰色区域代表行星分布的实际位置；海王星N、天王星U、土星S、金星V、地球E及木星J；因为太阳光的影响，水星、火星未能拍摄到）
全家福中的地球则被单独放大，成为航天史上的三大摄影作品之一，名为“暗淡蓝点”（Pale Blue Dot）。是的，我们人类所生存的地球，在宇宙面前只有这么一丁点（如图1-11所示）。图1-11 全家福中圆圈中的小点为地球
拍摄完太阳系全家福后，“旅行者1号”关闭了大部分设备，为冲出太阳系保存体力。35个地球年后，即2012年8月25日，“旅行者1号”脱离太阳风的范围，当时距离太阳约19光时（即以光速传播19个小时的路程），标志着人类迈入星际空间的历史性一步。
对于太阳系的边缘究竟在哪里，一直有争论，目前普遍比较认可的是奥尔特星云的边界，距离太阳10万～20万个天文单位（1个天文单位近似为地球与太阳的平均距离，约1.467亿千米），在那之外，银河系引力场的潮汐作用及附近恒星的引力作用将超过太阳的引力。奥尔特星云的外边缘因此被认为是太阳系的边界。
两个旅行者号星际探测器正在向太阳系外人类从未探索过的地区疾驰而去，它们沿途测量星球间神秘环境中的星际介质。在旅行者1号和2号穿越太阳系进入星际空间的道路上，美国国家航空航天局（NASA）的哈勃望远镜一直关注着它们。哈勃望远镜的两道视线（图1-12中的两个圆锥形）即两颗探测器的路径。哈勃望远镜通过测量探测器未来行进轨迹中的星际介质，为旅行者号提供航行地图，如图1-12所示。即使在这10年内，旅行者号的电量耗尽，再也无法传送新的数据，天文学家们仍能通过哈勃望远镜的观测来确定这些沉默的地球大使们即将前往的环境。哈勃望远镜的目的在于帮助宇航员绘制星际结构，包括各种航天器的飞掠运行轨迹。这两道“视线”中的星球都距离地球好几光年。图1-12 哈勃望远镜为旅行者号的星际之旅探路
领头的“旅行者1号”探测器现已距离地球209亿千米之遥，这使它成为了史上距离地球最远、速度最快的人造物。它如今正在探索太阳系最边界的区域，正掠向充满着气体、尘埃，以及垂死恒星的喷射物的星际空间。在接下来的约4万年里，在探测器不再运行，不再收集新数据之后，“旅行者1号”将穿越1.6光年的距离，到达位于鹿豹座的格利泽445恒星。“旅行者2号”（现在距离地球169亿千米）将在未来4万年中走过1.7光年，到达罗丝248恒星。
哈勃望远镜发现，“旅行者2号”即将摆脱围绕着太阳系运行上千年的星际云团。基于哈勃望远镜的数据，宇航员们预计这个探测器将在第二层云团中行进9万年，然后进入第三层星际云团。
48个地球年后，即公元2025年左右，我们将不再能收到旅行者号的任何信息，但这并不会影响它们向宇宙深处递送人类文明的使命。据科学家推算，38295个地球年后，即公元40272年左右，“旅行者1号”将会接近小熊星座AC+793888。4万个地球年后，即公元41977年左右，“旅行者2号”将会接近仙女座红矮星ROSE248。
数万年的旅程，跨度约为1.7光年，而目前人类已知宇宙直径高达910亿光年，1.7光年只是人类迈出家门的小小一步。旅行者号飞出太阳系到茫茫宇宙中去了，之后会有什么消息？值得期待！第二节生命存在的条件
探索地外生命，首先应了解生命在什么环境下才能存在。从物理环境上来说，有以下两个条件。
一是需要液态水，水和生命是密切相关的。水是生命之源，地球上的生命就是起源于海洋之中。液态水作为溶剂，组织液遍布生命体的全身，没有液态水，生命体内的分子活动将停顿，生命也就从此消失。水必须是液态的，气态和固态都不行。
二是需要适宜的温度。最好的温度为室温，27℃（热力学温度300K）左右，其原因是，从物质基础上看，组成生物的大分子（如9蛋白质等）只有在室温附近种类最多，统计约有10多种，而增加或降低几十摄氏度都将使大分子的种类大大减少。温度只能在上下几十摄氏度的范围内，50℃时可能还有生命，100℃时生命就不存在了，-30℃、-50℃时即使生命能保存下来也不能活动，比如种子在-40℃可能潜伏多年而不发芽，所以生命现象没有几十摄氏度的活动余地，不能太热也不能太冷。科学家研究认为，高温时，生物发生脱水，酶的活动停顿，蛋白质凝固，最后发生炭化而处于完全干燥状态，从而丧失生命。高温中仍能维持生命的特殊生物有温泉中的耐热细菌，它能在77℃时发育，一旦高于这个温度，这些耐热细菌同样会脱水炭化而失去生命。相反，当温度降低到冰冻的程度时，生命也不适宜生存。有些海藻、苔藓、细菌能在接近热力学零度时维持数星期的生命。可见生命现象只有几十摄氏度的生存空间，因此27℃左右的温度最适合生命存在。地球上的生物绝大多数都是存活在这个条件下的。
地球为何有如此适宜的温度呢？这应归因于地球在太阳系中独特[1]的位置和本身的特性。下面，我们基于热力学对地面温度进行估算。
利用斯特藩-玻尔兹曼（Stefan-Bolzman）定律，黑体的总辐射度（单位时间单位面积辐射的能量）为
太阳近似视为黑体，则太阳单位时间辐射的能量为
在单位时间内，它辐射到地球轨道单位面积上的能量为8SE
式中，日地距离r=1.5×10 km ，E为决定地球上一切生命的常数，称为太阳常数。E
由于地球大气的存在，我们可以把地球视为一个等效温度为T的黑体，它吸收的太阳能量和辐射能量相等时，达到收支平衡，此时有5SS
式中，太阳半径R=6.95×10 km，太阳表面温度T=6000K，地-82E球半径R=6380km，σ为斯特藩-玻尔兹曼常数，σ=5.67×10 W/(m·4K)。由此可见，地球的位置恰好是太阳系内生命适宜生存的地方。实际上，每个恒星发光发热时，其系统内都有宜居带，寻找地外生命也应该从恒星系统的宜居带开始。
其实，这两个条件是有联系的，什么样的温度才能有液态水呢？物理课上曾做过这样的实验，瓶中装有水，然后抽气，抽到一定程度后，水就沸腾了。一定温度对应一定的蒸汽压，水在100℃时的蒸汽压是760mmHg，即在大气压为760mmHg时，水加热到100℃沸腾。假如我们到云南、西藏等海拔2000多米的高原上，大气压没有760mmHg，只有500mmHg或400mmHg左右，那里烧开的水只有90℃或80℃。大气压越低，水沸腾的温度就越低，没有足够的大气压，即使在室温条件下，也有可能不存在液态水而成为水蒸气。
什么样的情况有大气压呢？为什么地球表面有，月球表面就没有大气呢？这就是万有引力的作用。星球太小了，引力就很小，不可能5吸引足够的大气。在1标准大气压（1atm = 760mmHg≈1.01×10Pa）下，水的沸点是100℃。若大气压减小一个数量级，水将在40℃沸腾；若减小两个数量级，不到10℃水就会沸腾。若大气压过高，水的沸点将远超100℃，这个温度不利于生命体的存在。由此可见，行星表面的大气压应在1标准大气压左右。另外，大气层可以减少行星向外辐射的热量，使行星有个比较均匀的温度。月球表面昼夜极大的温差和无水的环境就是因为没有适宜的大气层。
综上所述，并不是每个行星都能拥有自身的大气环境，这是由行星自身的质量和半径所决定的。行星通过引力来维系大气分子，引力势能必须远大于分子热运动动能，否则处在麦克斯韦分布高能尾部的分子仍会大量逃脱。我们常认为引力势能必须比分子热运动动能大两[1]个数量级及以上，即A
或等式两边同乘阿伏伽德罗常量N得
式中，M为行星的质量，为大气中分子的平均质量，K为玻尔兹曼常数，为大气中分子的平均摩尔质量，T为行星表面温度，xR为气体常数，R为行星半径。我们将地球和月球的参数代入式中检验，得出的结果与事实相符。
除此之外是否还有其他的条件呢？比如大气中是否必须有氧气222（O）？实际上，O不是必需的，早年在地球上没有O，海洋中产生了绿色的藻类，能够进行光合反应，是厌氧的，但它在光合作用下能22把碳水化合物（CO和HO结合）氧化。所以由于大批绿色植物的繁2殖，经光合作用吐出氧，使大气中的O多起来，形成富氧，出现了22另一种生命形态依靠O存活。所以确切地说，不是O造就了生命，22而是生命造就了O，原始生命不是依赖氧的，O不是必备条件。第三节太阳系内地外生命的探索
太阳系是我们生活的恒星系统，行星（Planet）一词来自希腊文，意义为漫游者，即人类发现的会移动的星星。地球是我们生活的家园，其上生机盎然，其他行星是否存在生命，一直以来都是人类所关注的问题。同时，由于人类科学技术的局限性及宇宙的浩瀚，太阳系内地外生命的探索成为了人类探索地外生命的开端。太阳系的主要成员包括：八大围绕太阳公转的行星、矮行星、小行星带和彗星等。根据国际天文学联合会2006年8月24日通过的决议，被称为行星的天体要符合以下3个主要条件：
· 该天体须位于围绕太阳的轨道之上；
· 该天体须有足够大的质量来克服固体应力，以达到流体静力平衡（Hydrostatic Equilibrium）的形状（近于球形）；
· 该天体须已经清空了其轨道附近的区域。
而冥王星则不符合上述第2条行星标准，比月球还小，而且轨道太过椭圆。最终，天文学家以投票形式将冥王星划为矮行星，自行星之列中除名，太阳系从九大行星变为八大行星。
表1-1中列出了太阳系内行星、小行星带和冥王星的相关数据。表1-1 太阳系内行星、小行星带和冥王星的相关数据（续表）
从表1-1中我们可以看出，4颗类地星体水星、金星、地球、火星的密度比较接近，火星稍小点，但都是岩石结构的星体。以地球质量为标准，水星质量只有地球的5.6%，无法吸引大气，表面温差可达600℃；而金星质量是地球的82%，和地球非常接近，但表面大气压却是异常的90atm，且460℃的常年高温；火星质量是地球的10%左右，也很难吸引大气，表面大气压只有0.088atm，且因离太阳较远，温度都在零下。4颗类木行星特点是质量大、密度小，应该是气体组成的星体。木星作为太阳系内最大的行星，质量是地球的318倍，然而密度小、无表面；土星被科学家们戏称：“如果有个巨大的海洋，把土星丢进去，它会像皮球一样漂浮在海面上，原因是，它的密度只3有0.71g/cm。”同样，天王星与海王星都具有较小的密度，它们的大小对比分别如图1-13、图1-14和图1-15所示。
早期人类通过望远系统观测和科学计算，发现并解决了一些问题，同时也留下一些疑惑，如火星上的“运河”等。随着科技的发展，特别是航天器和计算机的使用，人类对太阳系的探索发展到了近距离探索及登陆车实地考察阶段。虽然至今除地球外太阳系内还未发现有生命存在的迹象，但人类从探测太阳系中获得的大量数据和资料，为人类进一步了解宇宙及生命打下坚实的基础。图1-13 地球有多大（与类地星球和冥王星的对比图）图1-14 地球有多大（太阳系行星和冥王星的对比图）图1-15 太阳有多大一、类地行星
距太阳最近的是4颗类地行星，除地球外，还有水星、金星和火星。它们的许多特性与地球相似：质量小、密度较大、表层都覆盖有坚硬的岩石外壳，所以它们也称为岩石星体。地球的平均密度为335.5g/cm（花岗岩密度为2.7g/cm），因为地球内部很大一部分是铁，还有镍等重金属，而月球密度只有三点多。类地行星都由一个硅酸盐的花岗岩加一个内壳组成，壳表面为固体，内部可能有金属岩浆。
1.水星
西方人用希腊神话中信使与智神墨丘利（Mercury）的名字命名水星，古代中国称之为辰星。水星是最靠近太阳的行星，它到太阳的距离为5800万千米，仅为日地距离（用AU表示）的0.4。从地球上看，它与太阳的角距离不超过22°，因而它只能在地平线附近被人观测到。
20世纪60年代查明，水星的自转周期（58.65地球日）与公转周期（0.241地球年，即88地球日）之比精确地等于2/3，这是潮汐作用引起的某种共振现象。
人类早期运用望远系统观测，发现水星表面和月球一样，到处是凹凸起伏、大大小小的环形山，如图1-16所示。通过探测器近距离探测证实：水星的日光辐照强度比地球大7倍，水星表面无大气，这正是由于水星质量与半径不满足式（1-7）造成的。同时，太阳以9倍于地球的光和热近距离地燃烧着水星，使水星向阳的一面温度达到436℃，岩石中的铅和锡都被太阳光熔化了。而在背阳一面，由于无大气起到调节温度的作用，温度下降得极为迅速，多在-163℃。水星的一昼夜约为60个地球日，即在一个月的时间内连续暴晒，接着在一个月的时间内极度深寒。这种温度条件根本不适合生命生存，加上水星表面无大气、无液态水的环境，水星上不可能存在生命。图1-16 水星表面环形山和外观图
对水星最重要的一次探测是由1974－1975年间美国发射的“水手（Mariner）10号”完成的。该探测器于1973年11月3日射向金星，金星的引力使它的轨道偏到奔向水星的方向（如图1-17所示），它沿着一条周期恰好等于水星公转周期两倍的轨道绕日运行，在此期间水星恰好自转了三次。“水手10号”每次飞临水星上空时，它的摄像镜头看到的总是水星的同一半球，水星另一半球的表面至今不为人类所知。水星的表面很像月球，上面布满环形的陨石坑（如图1-18所示），3但它的平均密度（5.43g/cm）比月球大，接近地球的密度，水星中心可能也有一个金属的内核。近年来的探测表明，在其极地可能存在固态水冰。图1-17 金星引力使“水手10号”轨道偏向水星图1-18 “水手10号”拍摄的水星表面的陨石坑
关于水星有一个故事，曾经从笔尖上算出来了新行星——海王星的法国天文学家勒维烈试图去解释水星实际近日点移位与计算出的移位的差距。按传统力学的方法计算，水星在太阳和其他大行星引力的作用下，其近日点每世纪会进动5557.62角秒，但实际观测的数字是5560.73角秒，比预期差43角秒，于是勒维烈便假设水星轨道以内，尚有一颗大行星未被发现。天文学家把它取名为Vulcan，这是古罗马神话中火神的名字，中国传统文化称之为“祝融星”。但是其后反复的天文观测，怎么也找不到这颗行星的踪迹。1916年，爱因斯坦广义相对论问世，恰好预言水星近日点另有每百年43角秒的额外旋进，了结了这段公案。水星进动也是爱因斯坦广义相对论三大实验验
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