作者：姚建明
出版社：清华大学出版社
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黑洞和幸运星试读：
前言
黑洞又能“看见了”！一时间似乎全世界都开始关心天文学了。其实，是真的能看见了吗？从某种意义上说，天文学家早在20世纪80年代，就已经“看见”黑洞了。当然，他们是在无线电波段，利用射电望远镜探测到黑洞的高能粒子辐射，并成像的。
写这一册书之前，思考、酝酿了很久。主要是因为，单单地去写黑洞，那只能是像那些连“科普”都谈不上的，只是吸引人眼球的大众式的简介。作为天文学的普及读物，肯定是不够格的。关键是，读完这样的书籍，读者依然还是在云里雾里。最后这本书拿出了不少的篇幅，为大家介绍人类认识宇宙的历程。通过介绍地球从“平的”到“球形”，人类是怎样逐渐明了太阳的能量来源的，五大行星都是怎样命名的，等等。让读者明白，以前我们不知道的，为什么现在知道了，以前我们看不见的，为什么现在看见了！
毕竟是趣味天文学系列丛书，所以，介绍黑洞本书也只是把重点放在让读者明白：什么是黑洞？它真的“看不见”吗？黑洞是怎样形成的？黑洞对周边的天体都会产生什么影响？如果某一天真的地球附近“飘来”了一个黑洞，我们能怎么办？我们要做的，起码是要了解和认识它们，至于它真的来了，还是那句话——天塌了，有个子高的人顶着。
作为“资深”的天文爱好者，深深地明白，宇宙中那各式各样的星云，才是产生那些奇奇怪怪的天体的“母源”。所以，第3章我们谈论幸运星，为大家介绍恒星、星系是怎样形成的。重点就是告诉大家，它们都是星云团凝聚的结果。
至于“幸运星”，宇宙无奇不有，无所不包。越了解宇宙，你就会越“幸运”；越认识宇宙，也就能越早地遇到你的“幸运星”。
是知识为您带来“幸运”；是书籍为您带来知识；是宇宙为您带来认识世界的能量；“知识”就是您的“幸运星”！
我在高校里开设天文学的公共选修课已经差不多20年了，最让我难忘的一件事就是，一次上课前，我照例提前15分钟到教室，一进门就看见第一排已经坐了一个男孩子。他见我拿着《天文知识基础》的课本，就走了过来，直接和我握手（还是双手那种）……实话说，当时我有点懵住了！除去做科普讲座、演讲外，上课很少有这种接待规格呀。接着，他对我说：“我是一个纯纯的天文爱好者，盼着上这个课已经很久了。”还没等我回答，他接着又说：“老师，我可是带着很多的问号来上你的课的！”我马上就回答他：“上好我的课，你会带着更多的问号离开的……”这一次轮到他发懵了。我把他拉到黑板前，在黑板上画了一个圆（见图1），然后在圆周上画了若干个问号（？），对他说：“我们做个比喻吧，这个圆的里面代表我们（你）已经知道的天文学知识，而圆的外面，更广阔的区域代表了我们（你）未知的天文学知识。两者交界的地方就是圆周，意味着你只是一知半解的知识，需要进一步学习、理解。我们在圆周上打上问号，代表着我们的疑问所在。因为你只有对问题或现象略知一二，才有可能（有资格）提出问题，打上那些问号呀！根本不懂的知识，你根本就不知道如何提问题，哪来的问号？”他似乎明白了点什么，我接着又在圆圈外面画了一个更大的圆，对他说：“课程结束时，圆里装的东西是不是多啦？圆周长是不是变长了？你是不是会带着更多的问号，离开这个课堂呀？”图1 圆内代表已知，圆外代表未知，学习得越多我们的圆就越大，边界（圆周）也就越长，承载的问号也就越多
由此想到人类了解、认识宇宙的过程，不是和我们前面画的小圆、大圆、不断变大的一个个的圆一样吗？
我们这本书是想为你介绍人类认识宇宙的过程，但是，漫长的人类“宇宙史”是我们一生一世也讲不完的，所以，我们为你抓住宇宙中最吸引眼球的东西：“吞噬”物质的黑洞、宇宙“灯塔”脉冲星、拥有超级“能量包”的吸积盘、喷流，当然还有创造宇宙万物的星云、星云团、星际间物质。第1章 到底有多少个宇宙
根据“大数据”的资料，进入21世纪以来，人类的高科技成果中，尤其是基础理论方面的研究，超过60%都与宇宙学有关。对一般人来讲，宇宙的深邃、广阔无垠，充满了神秘；对科学家而言，宇宙中的高能量、高密度等条件，是地球上所不可能具备的“实验室”。但是，不管是抱有神秘感的普通人，还是致力于探索的科学家，无论怎样，要想认识宇宙，都需要一步步地走。1.1 感受人类认识宇宙的一步步
人类认识宇宙，形状上的“天圆地方”也好、结构上的大象或者乌龟身负大地也罢，这些基本上都是神话（故事），称不上人类真正科学意义上的认识宇宙。我们这里要谈的人类认识宇宙，是“科学”地认识宇宙，需要从人类认识宇宙所建立的各种模型（理论）出发。1.1.1 感知世界 探测世界 理论世界
人类认识宇宙，认识周围的世界，基本上是通过认识三种不同的、渐进互通的世界来完成的。这就是：感知世界、探测世界和理论世界。
1. 感知世界“控制”了我们
感知世界是我们作为生理学意义上的人，凭借我们的感觉器官所能直接感受到的世界。比如看到、听到、嗅到、尝到、触摸到……以及由它们带来的相关记忆（见图1.1）。我们的思维，大多数时间都沉浸在这个感知世界里。
现实中，我们好像是在这个感知世界里生活，然而实际上，我们每天都会多次触及它的边界，去连通那更深远、更广阔的世界。比如说，朋友打电话来，手机响了，你看到了屏幕提示，接通电话听到了朋友的声音，这些都属于感知世界的一部分。接好电话，如果你是一个爱提问的人，一个充满好奇心的人，你可能就会想：朋友在目力所不及、听力所不及的地方，声音是怎么通过手里的这个“金属塑料盒子”传送过来的呀？这一想，你就已经进入到探测世界了。图1.1 感知世界支配我们的日常生活，也限制了我们的思维
探测世界就是我们不能直接意识到它们的存在，但是可以通过间接方法（也就是利用工具）证实其确实存在的部分。比如传播手机信号的电磁波，它们看不见、摸不着、听不到，但是我们可以利用相应的设备去制造、传播和接收它们，确认它们的存在。其实正如我们一直生活在感知世界里一样，我们也一直生活在探测世界里。只不过我们并没有像在意感知世界那样（真实）地在意它。我们的思维都集中在感知世界啦！试想，你在接电话时，头脑所想肯定是朋友说的事情，最多再留意一下他的语气、声调等用来揣测他的情绪，肯定不会去关心朋友说话的声音是怎样传递到你的耳朵里来的之类的问题。
这种对探测世界的不在意，是科学思维和非科学思维之间最大的差别所在。我们之中的大多数人，尽管生活在探测世界之中，但一般还是趋向于将它产生的效果归入感知世界中，这就会产生很多奇怪的想法和错觉。我们盯着电脑屏幕，然后进行各种操作，就好像互联网真的就在我们面前。真的是吗？大多数人想想之后就会说，不是的，互联网是通过各种设备、硬件和软件构成的体系，但是，这些现象确实导致我们产生了“真实”存在的错觉。其实这种错觉是构成“体系”的那些“工具”为我们间接造成的。获知电磁信号的存在，我们依赖的是探测世界，它们让我们的感知世界产生了似乎真实的间接感知。同样的事情也会发生在我们头顶的天空，抬头看看那璀璨的夜空，那些星星似乎就是一颗颗镶嵌在天球上的宝石，它们看上去离我们一样远。不对，这是你的感知世界。借助于望远镜，借助于各种方法、理论我们知道，它们和我们之间的距离差距很大。所以，我们必须真正地进入探测世界，去认识和理解大自然以及宇宙的真实存在。
探测世界具有一种被称为“用户友好（user-friendliness）”的“隐藏”特性。所谓“用户友好”，指的是在不需要理解原理的情况下，利用看不见的非实际存在的物体的能力。“用户友好”为日常生活带来了很多便利。但是，我们要想弄清楚这个世界究竟是什么样子，要想探测我们眼睛看不见、耳朵听不到的世界，就需要跨越“用户友好”这层障碍，然后才能认识到“舒服层面”之外的精彩世界。
当然，放弃轻松感知事物所带来的舒适感，听起来可能会让人觉得不太舒服。但是，人类所具有的好奇心，总是能让我们对那些隐藏的事物，对那些我们无法直接看见的世界趋之若鹜。而且，人类思维最强大的力量之一就存在于探测世界中，比起手机、互联网等为我们带来的便利，也许我们更想知道在它们背后真正在发生着什么——无线电波在空气中是如何传播的？嘴和声带是如何发出声音的？声音是怎样承载着电磁波传播的？耳朵又是怎么能听得到声音的？等等。
想了解手机、互联网的功能和如何使用它们并不难，有使用说明书，有懂互联网操作的人为我们演示。可是，我们周围的世界，那些树木、云朵、台风和火山有说明书吗？对大部分人来说，只存在于头脑中的宇宙能有人模拟演示它的运行吗？那么，我们又怎么得知它们是如何“运转”的呢？知道了它们的运转方式后，我们又如何探知和预言它们今后的发展呢？这些，正是科学、科学家努力的方向。
2. 想象力是人类最可贵的存在
试图去了解、认识、利用并推测我们周围的世界，是人类的本能，是人类发展的必然。这种了解，一部分是由我们感知和探测到的事物组成的——仅仅是一部分而已，剩下的部分就是人类智力的集合，即理论。这个纯智力创造的（理论）世界，就是我们所说的三类世界中的最后一类。理论世界将感知世界和探测世界编织在一起，构成了一个清晰的图像。它能够为我们整体地、系统性地解释事物是如何运作的，以及为什么会发生；更重要的是它可以作为我们科学探索的新起点，去创建新思想和新的知识架构。
因此，科学的进程通过理论、探测和感知形成了一个循环。理论能指导探测和感知，感知会对探测结果提出质疑，探测结果可能对理论提出挑战。这个动态的过程是科学最重要的组成部分，同时也是一般大众最不了解、最容易忽视的部分。人们经常谈论理论，学生们学习的知识大部分也是以理论（定理、定律、原理等）形式出现，观测和探测有时候也会在讨论科学问题时被提及，但是，并没有被重视。真正的动力，也就是真正让科学成为科学的动力，是这三类世界的相互一致，也就是它们之间是如何连通，如何影响，怎样产生升华效应的。而这些正是普通大众所不知道的。由此产生了各种神秘，还有对科学和科学家的盲目崇拜，而忽略掉了科学探索的艰辛和努力的过程。这并不是因为科学家想要让自己的工作保持神秘，而是因为很多方面都是科学研究中最难解释的。或者说，在一般大众和科学家之间有着若干的“鸿沟”，或者是交流障碍。这些对科学家、对一般大众，甚至于对科学本身都造成了一定的损害。
学校、社会，教师、家长和科普工作者都在为越过这些“鸿沟”架设桥梁，在使用各种各样的语言和方式去为一般大众克服所谓交流的障碍。那么，我们为什么要花大气力在这些“鸿沟”上架桥呢？为什么我们（包括科学家）不能简单地舍弃可探测的世界和理论世界，而仅仅生活在一个我们看得见、尝得到、摸得着的真实的、可感知的世界呢？看看两个名人（图1.2）给我们的答案——
科学有很多令人着迷之处。我们只是对想要了解的真相进行了小小的投资，就有大量的猜想作为回报。——马克·吐温
我是依靠想象力任意创作的艺术家。想象力比知识更重要。知识是有限的，而想象力则可以环绕世界。——阿尔伯特·爱因斯坦图1.2 马克·吐温和爱因斯坦
马克·吐温当然是一位富有敏锐洞察力的幽默大师，他能将“令人不舒服”的想法具体化为讽刺性的语言。他认为科学家应该跟着事实走，而不是杜撰奇异的理论和痴迷于疯狂的推测。爱因斯坦的观点好像与马克·吐温的观点相反。爱因斯坦认为，天马行空的想象力比与真相相关的知识更重要。但是，知识与想象力之间的鸿沟，本身就是一个错觉，它们之间更像是有一条逐级上升、直到天际的阶梯连接着，就看你有没有本领走上去。前面的两位，他们一位是作家，一位是科学家。似乎一位正徘徊在阶梯的低端，而另一位似乎已经在大众所不能及的云端。作家认为，真相是想象的基础；科学家则认为，想象会揭示真相。
我们姑且先“表面化”地理解马克·吐温的评价，这也代表了一大批没有真正经过科学教育、科学实验的社会人群。这些人由于生活和理解的局限，更愿意简单地去进入生活，去理解世界。为什么在科学研究中我们不能仅遵守事实呢？对于这一群人，他们可能会这样提问。
在科学研究中，我们会面对两类事实，一类直接来自于我们的感觉（感知世界），另一类则来自于实验仪器的测量结果（探测世界）。植物学家去数豆荚中豌豆的数目，这个数目就是感知世界的一部分。当微生物学家用显微镜去测量细菌的长度时，这就属于探测世界的一部分。我们抬头看天上的星星，有的亮、有的暗，这是感知世界；用望远镜加上光度仪去测量每颗星的发光强度（数值），这就属于探测世界。如果你只满足于感知世界，那么，对于豆荚里的豌豆就只能停留在去数它们的个数了，至于为什么它们有的大、有的小。有的饱满、有的干瘪，感知（感觉）世界是无法告诉你的。而通过细节的观测（利用显微镜）可以让你看到它们结构的差异（缺陷所在）。这就是探测世界为我们带来的好处。同样的，望远镜、光度仪也会告诉你天上的星星到底为什么有的亮、有的暗。
探测世界为我们带来的（新）东西，让我们激动不已。但是，也会让我们感到茫然和不安，我们怎么知道显微镜显示的究竟是什么东西？我们又怎能确定这些东西和我们的感知世界所感觉的东西是一回事呢？天上的星星我们怎样去判断它们的亮度？它们为什么能发光？望远镜看到的是什么？光度仪接收的又是什么？难道我们不需要一些解释仪器如何工作的理论吗？理论建立起来了，可以验证实验。但是我们还需要不断地改进、进步，不然，我们就会陷进“探测验证了理论的正确性，理论解释了探测的正确性”的循环（论证）怪圈。所以，在我们理顺了感知世界、探测世界、理论世界的联系之后，我们还不能满足，还是要不断地进行新的科学研究，提升我们认识世界的能力。
人类好奇的天性和不断进取的精神，不允许我们只满足于知道事物、世界的表面现象。就像是一个喜欢“小道消息”“流言蜚语”，“爱管闲事”的“迷妹粉丝”一样，科学家是大自然的“粉丝”，他们经过了严格的训练、具有专业的能力和探索世界的方式，去探索未知并得出结论，用这些专业的东西来确保已知的资料得到证实，这就是科学，是一种专业的“爱管闲事”。也可以顺便就把科学家称为“爱管闲事的人”。科学家严谨地运用并检验理论，利用可靠的仪器设备来探测未知世界。有了科学仪器人类就可以有效地进入探测世界。通过合适的硬件和软件，我们不但深入到了双手无法触及的世界，踏进了双脚无法到达的领域，甚至能探测到思维之外的幻想世界。但是，作为一个可靠的连接，我们必须通晓这些仪器的工作原理，知道这些工具是如何进行工作的，更重要的是，清楚它们必须在什么情况下测量结果才是真实可信的。
显微镜和望远镜都是突破了人类先天不足的测量仪器（工具）。那么显微镜究竟是什么？生物学家为什么要用显微镜？望远镜是利用镜头组合来观测遥远物体的仪器，都是什么样的镜头组合在一起？天文学家都是怎样操作望远镜的？阅读一下显微镜和望远镜的说明书，咨询一下生物学家和天文学家，我们就明白：相比于某些哺乳类动物（比如老鹰），人类的眼睛实在是太“低能”了，小于肉眼分辨极限（眼睛的空间分辨能力）的物体，在没有仪器帮助的情况下，我们对它们根本就无从下手（研究），是无能为力的；同样，对于遥远的天体，我们只能通过接收它们发出的电磁辐射来了解、研究它们，眼睛的视野和收集光线的能力都远远不够。我们拿数据说话，我们眼睛的“进光孔”——瞳孔，撑到最大也就是0.8cm，而一台普通的24cm口径的望远镜就是人眼聚光能力的900倍。
接收不到（或不足够）天体发出的辐射，我们就没有任何能够用来研究它们的资料、证据、原始材料，这个很好理解；那么，我们为什么一定要看到那些细小的细胞和微生物呢？我们知道，所有生物都是由细胞构成的，了解细胞的结构和功能，我们就能对生物的组成方式、功能原理有基础性的认识，从而做到“知其然更知其所以然”。所以，显微镜帮助我们认识到了生物体的细节；望远镜为我们接收了更多、更广泛的电磁辐射，使得我们有机会全面可靠地进入探测世界。
电磁辐射从微观角度的解释来说，就是电子在绕原子核外轨道上不同能级之间的跃迁（见图1.3），低能级跃升到高能级需要吸收外界的能量，反之则会放出能量并以电磁辐射的形式输出。能级之间的差值越大，放出（吸收）的能量越多，辐射出的电磁辐射频率越高、波长越短，单个光子的能量越强。
描述和研究电磁辐射一般我们是利用电磁波谱（见图1.4）。振荡频率最高的是γ（伽马）射线，也就是说其单个光子所携带的能量最多。接下来是X射线、紫外线、可见光、红外线、微波和无线电波。图1.3 原子核及核外电子的能级跃迁图1.4 电磁波谱和地球大气窗口
人类只有看到可见光的能力，而大部分天体是可以在多个波段发出电磁辐射的。比如，著名的梅西耶天体“蟹状星云（M1）”，它的辐射几乎涵盖了整个电磁波谱范围。你可能会问，既然我们人类只能看见可见光，那除去可见光之外的电磁辐射，对我们研究天体有什么用呢？这样说吧，如果让你了解一个人，你只知道他的身高、体貌，你能懂得他的性格吗？他做事的习惯又如何？如果你要与他一起工作或者生活，那你是不是对他的了解越多、越全面越好呀！好啦，与天文学家一起工作和生活的，就是那些遥远的天体。就拿我们这本书来说吧，所涉猎的天体——黑洞、中子星、γ射线暴等，在可见光频段是看不到它们的，所以，要利用专门的仪器，要合理有效地让仪器带我们进入它们的探测世界。
明白了（人类）自身的局限性和探测仪器的益处之后，我们就会有了解探测世界（真实性）的需求，因为我们只能间接得知这些事实。在成为理论之前，我们可能想要尽量与事实保持一致。可是，有两个原因妨碍了我们的这个想法。一是，探测器中各种各样的瑕疵（如显微镜载物玻片上的杂质或者望远镜镜片的球差）会导致我们接收到的信息失真。用科学术语来说，探测器所探测到的既有信号又有噪声。为了准确测量，我们首先必须弄清楚产生噪声的原因，然后作相应的修正。这就需要有相应的理论来解释探测器是如何工作的。二是，即便用最好的仪器或探测器，我们也只能测量我们想要理解的那部分信息。仪器的局限性和自然规律之间，我们能弄清楚的非常有限。对于遥远的天体，这种限制尤其明显。例如，目前我们只能确定太阳系中其他行星的存在，但还无法确切地知道它们的表面，甚至内部究竟是什么状态，因为我们没有确实可靠的探测手段。
3. 感知世界 探测世界 理论世界“三位一体”
那么，对于我们无法直接测量的物体，如感知世界和探测世界中未知的部分，我们能做哪些工作呢？我们用理论来填补“漏洞”！为了将感知、探测、理论这三个世界组成一个整体，我们需要一些与完整体系有关的理论。这些理论要尽可能简洁、自洽，这就要求人们在创立理论时要尽量简单，同时还要与我们感知和探测的结果相一致。
简洁性主要是从方便人们理解的角度出发的。创造出富有想象力、看起来既完美又辉煌，还能抓住科学家的心的故事可能很容易（比如，追求完美的希腊人创立的地心说）。人们很难放弃这些简洁、完美的理论（与人们很难舍弃任何美丽的物体是同样的道理）。但是，一个科学的理论中必定含有一些被它的创立者和使用者舍弃的内容（地球是宇宙的中心），必定有些内容会受到质疑，如果质疑成功，这部分内容（地心说）就会被抛弃。如果过于依赖某个理论，人们就会背离科学真正的目的。建立理论解释事实，而且所建立的理论不但要能准确预测未来将发生的事情，还要让科学家建造能按照所期望的方式工作的仪器。也可以说，建立理论时简洁、自洽的要求，让人们的思想中避免了很多不必要的附属物而让理论更接近真实。
从实践的角度来说，科学的理论应该预言我们能测量的一些效果。当对这些效果的测量结果与理论预言一致时，会证实或者至少支持这些科学理论；技术的进步会带来更先进的仪器，更好的测量仪器会使测量结果更精确。因此，对理论的证实或者否定是一个持续不断的过程。如果实验结果和理论预言一致，我们就会对理论更有信心。如果实验结果和理论预言不一致——而且，我们能确信实验的设计和操作都是正确的——那么，就该去寻找一个更好的理论（开普勒对第谷观测数据的信任促使他认定火星的绕日轨道是一个椭圆，而不是一个几何上“完美的”圆，并由此确立了行星运动的三大定律）。所以，探测世界和理论世界之间的分界线是变化的。那些目前无法探测到的物体，比如宇宙中神秘的暗物质，在将来就可能变成可探测到。
无论多么努力，想要独自生活在这个事实的世界，都是徒劳的。因为，我们生活在一个三类世界中。感知世界、探测世界和理论世界都是建立在用我们的思维所认识到的基础之上的。每一门科学都由这三个步骤通向这个世界：从观察到探测，再到理论。每个步骤，往前是理解物质世界重要的组成部分，往后则是组成了我们对世界、对生活的理解部分。
天文学是一门很棘手的学科，也是一门从“三个世界”中的相互合作获益颇多的学科。在很多学科中，人们都能直接对实验对象进行操作，并观察实验对象的反应。我们可以在试管中进行化学反应、解剖青蛙或者测量重物下落所需的时间。但在天文学上，对研究对象进行类似的实验、操作几乎是不可能的，或者会受到极大的限制。天文学研究的对象绝大多数是我们只能进行被动观测的遥远天体。这是实际情况，尽管空间探测已经取得了巨大的成功。2017年，“旅行者1号”已经离开太阳风层，飞到了离太阳208亿千米的太阳系边缘（见图1.5），但这也只是到了我们太阳系家族的“家门口（见图1.6）”，到距离我们最近的恒星，还需要再飞3万～4万年！目前，只完成了这一路程的1/3000。哈勃空间望远镜可以在距离地表604千米的轨道上观测到目前已知的宇宙中最遥远的天体（超过100亿光年）。它的极好的观测效果得益于它运行在大气层之外。也就是说，到目前为止除了我们自己所在的太阳系天体，其他的我们都无法前往。只能依赖于观测。图1.5 星际空间和太阳系（图中的椭圆就是太阳风能达到的位置——太阳层顶，即太阳系的势力范围）
天文学依靠理论世界去填补我们太少的观测数据所带来的不足。的确，很多天体只能通过间接的方法来研究，它们的存在可以用它们产生的效应来推测得知。这种间接性对于两类天体而言是最准确的：黑洞和暗物质。黑洞，是一类引力极强的天体，连光都无法从黑洞中逃逸出来。这也就是我们无法直接看到黑洞的原因（见图1.7）。暗物质不发光，但可以通过它产生的引力效应来推测它的存在。这种“真实存在但看不见”的性质让黑洞和暗物质充满了神秘感。图1.6 太阳层顶与星际介质形成的弓形震波。一旦飞出弓形震波，就算出了太阳系的家门图1.7 黑洞“吸取”它周围空间的星际物质，从而被我们“发现”
也并不是因为黑洞和暗物质都是暗天体，我们才会采用间接的方法进行探测，许多对于我们并不神秘的天体，由于其特殊的存在，也使得我们只能采取间接的方式去进行研究。比如，那个照耀了我们几十亿年，我们已经明白它的核反应进程的太阳。如果，要研究它的内部结构，我们也只能依赖于我们接收到的太阳光。而这些太阳光，也只是来源于太阳表面的光球层，真正制造太阳光的热核反应发生在太阳的核心，而那里有我们无法承受的高温、高压。不仅仅是人类，就是我们制造的探测器，目前也无法到达那里。因此，我们对太阳是如何辐射能量的这样一个最基本的事实的理解，是依赖于我们无法直接看到（测量）的太阳内部区域，我们只能通过理论和观测去得到有关太阳的内部结构以及辐射机制的信息。
所以，就我们人类探索宇宙的进程而言，我们也是一步步地延续着感知世界—探测世界—理论世界这样一个逐次递进的循环。1.1.2 地球 太阳 行星
宇宙，是我们所在的空间，“宇”字的本义是指“上下四方”。地球是我们的家园；而地球仅是太阳系的第三颗行星；而太阳系又仅仅定居于银河系巨大旋臂的一侧；而银河系，在宇宙所有星系中，也很不起眼……这一切，组成了我们的宇宙：宇宙——是所有天体共同的家园。
宇宙，又是我们所在的时间，“宙”的本意是指“古往今来”。“大爆炸”开创了宇宙；最初的三秒钟形成了最初的元素——氢和氦；太阳仅是恒星家族中的第三代；而我们的家——地球，仅仅形成于宇宙大爆炸之后的100多亿年！更加不起眼。
但是，自从有了人类，人类就在不断地探索。探索生命，探索自然，探索我们的世界，探索神秘的宇宙，从未停歇。一、认识宇宙从我们的脚下开始
认识地球——我们的家，是从认识它的运动和形状入手的。地球的运动，在丛书的第一册《天与人的对话》中和读者谈论日、月、年的形成时已经涉及了，也就是地球的自转、地月系绕转和地球的公转。这里，我们将和读者一起认识地球的形状。地球的形状还需要认识吗？不是蓝色的圆球吗？不然，怎么会叫地“球”呢！其实，人类认识地球的过程，还真的不是一般人认为和想象的那么简单。
1. 平的？圆的？棋盘、圆盾还是金环圈？
在古代，人类活动的地域非常有限，眼界自然也就十分狭窄。每个地方的人都以为自己居住的地方就是世界的中心，当地的自然环境就是世界的面貌。最早的猜想大都出于每个人直观的感受，也就是我们前面所说的“感知世界”，这样地球的形状也就以种种稀奇古怪的故事和神话传说来表达了，萌芽态科学思维同宗教、神话和艺术幻想建立起一种曲折的联系。“地平说”是对大地形状的最早猜测。古代中国很早就有“天圆地方”的说法（见图1.8）。
后来，人们感到地平说无法解释眼睛看到的一些自然现象，例如地平线下的地方，怎么会隐没不见呢？等等，于是进而把大地设想为不同程度的拱形：圆形的盾牌、倒扣的盘子、半圆的西瓜等。
考古发现的最早地图（见图1.9），是公元前2800多年古巴比伦人用泥土烧制的，残片上除了巴比伦的疆界，还刻着当时的宇宙模型。倒扣的扁盘形大地被水包围着，半圆的天穹覆盖在水上。
在古希腊人的想象中，大地是由“大洋之河”团团围住的圆地，“汹涌的河水在丰饶的地盾边缘上翻滚”“在海洋的边缘上，张起了圆形的天幕似的天穹”。在古希腊地图上，从地中海通向大西洋的直布罗陀海峡处，总画着希腊神话中的巨人安泰，左手举起的警示牌写着：“到此止步，勿再前进！”当时的人都很相信，船到大西洋就会随同海水一起跌进无底深渊。在公元前1世纪，有个叫做波斯顿尼亚的人，壮着胆特地把船开到西班牙附近的海域，想听听太阳降落入大西洋时是否有嘶嘶声，他想象，那应该就像一只烧红的铁球跌进水里时常有的那种响声。图1.8 地像方形棋盘图1.9 古巴比伦人用泥土烧制的地图的残片
古罗马时代盛行“地环说”，那是因为罗马帝国的疆土主要是环绕地中海而展开的（见图1.10）。地中海的本义，原是“大地中央的海洋”之意。古罗马人由此认为，大地的四周和中央都是水，陆地的形状就像罗马皇帝腰上系着的那根阔边金环带。
2. “您首先拥抱了我！”
公元前6世纪，古希腊的毕达哥拉斯学派最早提出西方的“地球说”猜测。他们常常结伴登上高山观察日出日没，在曙光和暮色之中，发现进出港的远方航船，船桅和船身不是同时出现或隐没。而且，古希腊人崇尚美学原则，许多学者认为既然地球是宇宙中心，那它的形状一定是宇宙中最完美的立体图形——圆球体。200多年后，大学者亚里士多德从逻辑上更为自洽地论证了“地球说”。他注意到月食时大地投射到月亮上的影子是圆的（见图1.11），由此推测大地是球体。图1.10 罗马帝国的疆土是环绕地中海的，像一条“阔边金环带”。地中海“名副其实”地成了罗马帝国的内海图1.11 随着月食的进程，地球投到月球表面的影子逐渐形成一个圆
中国春秋战国时期也已出现“地球说”的萌芽思想。诡辩学派的代表人物惠施，就提出过“南方有穷而无穷”的命题。别人问他大地中央在哪里？回答是：“在北方燕山的北面，南方越南的南面。”显然已有球形大地的想法。而“南辕北辙”的典故，原本是讥笑“地球说”这一天才猜测的（见图1.12）。与其说它具有走错方向的贬义，也可能是某个“高人”在驾着马车绕地球一圈，尝试证明地球是圆的。图1.12 庄子为我们讲述了“南辕北辙”的故事
在古代就已精确测量出地球实际大小的人，是希腊时代亚历山大里亚城的埃拉托色尼。他推算出地球圆周长39600千米，同现代值仅差400千米，真让现代人惊叹不已！他的方法既简单又巧妙。他发现，在锡恩（今埃及阿斯旺）的夏至那天正午，太阳正临头顶，阳光直射井底。与此同时刻，在它的正北方920千米外的亚历山大港，立地的长棒与太阳照射方向成7.2°角（见图1.13）。他认为太阳很远，光线可以看成是平行的。经简单的几何运算，便得到地球半径和周长等数值。图1.13 图中的两个角是相等的，所以，地球半径和周长等数值可按比例计算得到
地球说大大超出常人的想象力，因此长期以来难以流行。直至21世纪的今日，即使在科技最发达的美国，仍然有人不相信地球说（比如，著名的NBA球星，目前效力于篮网队的欧文），很多年前就成立的“地平说笃信者协会”，现在仍有会员100多人。在中世纪的欧洲，因为地球说同圣经教义相悖，更受到教会最激烈的反对和镇压。有个名叫甫拉克丹的神甫气愤地说：“难道真有这样的疯子吗？！他们竟会认为有头朝下脚向上走路的人，花草树木向下生长，而雨水冰雹却向上降落？”（见图1.14）因为主张地球说，13世纪的英国思想家培根先后被囚禁了15年；1327年意大利学者阿斯科里被罗马宗教裁判所活活烧死。例子不胜枚举。但真理是绝不会屈服于强权的。15世纪以来，由于欧洲市场经济发展的迫切需要，以中国发明的指南针西传为契机，开始了地理大发现的时代。“地球说”使航海探险家们相信，由欧洲往西航行可以缩短到达中国、日本和印度的航线，同时，他们的实践最终证实了“地球说”的真实性。
1492年8月初，意大利航海家哥伦布受西班牙国王之命，率船3艘，从巴罗斯港出发，西渡大西洋，为的是到印度去寻找香料和黄金，结果“种豆得瓜”，无意之中来到了美洲新大陆。但他至死还以为自己登陆的地方就是印度东海岸，因此把那里的土著居民称为“印第安人”。由此可见哥伦布对“地球说”观念的执着程度。1519年9月，葡萄牙航海家麦哲伦在西班牙国王资助下，率领5艘大船和265个海员，从西班牙桑路卡尔港出发向西寻找东方的香料群岛。船队历尽艰难险阻，麦哲伦本人也死在途中。1522年9月7日远征队回到西班牙塞维利亚港时，仅剩“维多利亚号”上18名疲惫不堪的海员了。麦哲伦船队首次环球航行成功，最终结束了几千年来关于大地形状的种种争议。西班牙国王奖给凯旋的远航勇士们一个精美的地球仪（见图1.15），上面镌刻着一行意味深长的题词：“您首先拥抱了我！”图1.14 “头朝下”的小朋友们似乎也生活得很愉快
3. 西瓜、香瓜还是橘子？
16世纪法兰西国王的御医、地理学家斐纳曾这样评价伟大的地理大发现：我们时代的航海家，给了我们一个新的地球。这是人类认识大地形状的第一次飞跃。但问题又来了：地球是个什么样的球体呢？
恰好，这一期间发生了奇怪的“摆钟事件”和“青鱼悬案”，闹得欧洲沸沸扬扬。图1.15 位于巴塞罗那的“哥伦布”广场、哥伦布四次航海的路线图以及西班牙国王的“精美地球仪”
1672年，巴黎科学院派遣天文学家里希尔赴南美洲法属圭亚那首府卡宴（西经52.5°，北纬5°）进行天文观测。他在那里发现，随身携带的一架本很精确的摆钟比在巴黎时每昼夜慢2分28秒，于是调整了摆的长度。想不到回巴黎后，又快了2分28秒。他推测，这种奇怪现象很可能是由于地球并非是一个标准圆球体而产生的。但是那些不敢正视事实的“权威”们，反而攻击里希尔“违背科学”，甚至把他赶出了巴黎科学院。
一波未平一波又起。一艘满载5千吨青鱼的荷兰渔船，经半个多月的航行，从鹿特丹来到非洲赤道附近的一个城市。在货物过磅时，竟发现有19吨青鱼不翼而飞。这条船在航行中从未靠过岸，而且包装和件数都原封不动，显然不是失窃所为。“难道鱼儿游回了大海？”船长百思不得其解。原来，这也是地球开的玩笑。
但是，正当法国人把里希尔视为“科学垃圾”清除之际，有两个人却在“垃圾”中发现了黄金的闪光，那就是英国的牛顿和荷兰著名天文学家惠更斯。他们不谋而合地指出，这一发现证实了他们原先的猜测：地球在自转惯性离心力作用下，应该是两极稍扁、赤道略鼓的椭球体。尤其是牛顿，深知进一步搞清地球形状和大小的重要性。由于牛顿早期采用的地球半径测定值比实际值小了3%，结果引力计算值比实测值大1/6，这成了牛顿万有引力假说搁浅了整整20年后发表的重要原因。1668—1670年，法国天文学家皮卡尔创新大地测量方法，采用带测微器的望远镜和象限仪在巴黎附近精确测定了地球子午线上1°弧长。他还指出，地球并非标准球体。牛顿利用皮卡尔于1671年求得的地球半径数据完成了引力理论的月—地检验，才下决心公开发表万有引力理论。
牛顿指出，如果地球不是旋转体，单纯的吸引力会使它成为正球形，但是地球是个旋转体，每一质点都同时处于向心力和离心力的合力作用下。南极和北极的向心力最大；反之，赤道处离心力最大。这样，两极处就受到压缩而赤道处得以扩张，于是地球形状就成了扁球体。同时，他在望远镜观测中发现木星和土星都是扁球状（见图1.16），他认为地球也不会例外。
牛顿扁球说在法国掀起了轩然大波。巴黎科学院有批人原本坚决反对牛顿引力理论，现在又激烈攻击他主张的扁球说。1683—1716年间，巴黎天文台台长卡西尼父子在法国南部佩皮尼昂和北部敦刻尔克作了两次很粗糙的地球子午线测量，就断言“地球顺着旋转轴伸长”。他说：“地球形状并不像橘子，倒很像香瓜。（见图1.17）”图1.16 旋转中的木星和土星都是扁球体图1.17 橘子说：“伟大的牛顿说了，地球像我”！香瓜说：“不对，我们的人测量过，地球像我。”
这场“英国橘子”和“法国香瓜”的激烈论战从17世纪开始，差不多延续了半个多世纪。为裁决争端，法国国王路易十五授权巴黎科学院派出两支远征队，分赴赤道和北极地区，以便在相距甚远的两个地点测量和比较地球子午线上1°的弧长。
1735年，由布棘格和拉康达明率领的一队远涉重洋，到达南美的秘鲁和厄瓜多尔的安第斯山地区（南纬1°31′）。第二年，由著名数学家莫泊丢和克莱罗率队赴芬兰与瑞典北部的拉普兰平原（北纬66°20′），2年后测得当地子午线1°之长为57422“督亚士”（Toise，法国古尺；约合111918米）。往南的远征队由于碰上当地内战等种种阻挠，历尽10年艰辛，最后测得当地子午线1°之长为56748“督亚士”（约合110604米）。比较两地观测数据后表明，牛顿的推测是正确的。莫泊丢本来怀疑牛顿的见解，现在也完全信服了。于是“橘子派”大获全胜。大哲学家伏尔泰当时评论说，这两个远征队用最雄辩的事实，终于把（地球）两极和（两个）卡西尼都一起压下去了。
4. 梨子和橘子到底哪个更“甜”
牛顿从地球内部物质均匀分布的假设来简化处理地球形状，得到的是理想化的标准模型。真实的地球形状是怎样的呢？
1743年，“橘子派”的克莱罗发表经典著作《地球外形的理论》，他假设：地球内部物质因分层而不均匀，其密度由地表向中心逐渐增大。虽然他计算得到的地球在海平面的形状同牛顿扁球模型基本相同，仅差200多英尺（约60.95米），却开创了地球形状认识史的数学研究新阶段。1828年，德国大数学家高斯在总结哥廷根和阿里顿两个天文台的纬度差测定时，又开始怀疑扁球体不能表示地球真实形状。但是（由于观测技术的原因）这在当时仍是难以解答的科学问题。
20世纪以前对地球形状和大小的研究，主要是绘制地图和航海的迫切需要推动的，对牛顿扁球体标准模型的误差尚能容忍。但是，大致从20世纪开始，更精确测定地球形状，对于诸多领域如地球内部物质结构研究、引力场研究，特别是对空间技术和军事上远程导弹轨道的研究越来越重要，亟待进一步完善和发展。
20世纪初，开始了大规模海洋重力测定的研究。而在此以前，地球形状学研究主要采用传统的天文—大地测量、陆地重力加速度测量和月球—地球动力学测量。1901年，德国的赫尔默特首创海上重力测定。荷兰的梅内斯1923—1934年间率领远征队乘潜艇在各大洋游弋，测定了近千个点的重力值，奠定了现代海洋重力学基础。
1957年人造地球卫星上天以后，认识地球的手段发生了全新变化。借助遥感卫星和全球卫星定位系统，开创了精确观测地球的新时代。勘测发现世界大洋表面确非球面形状，隆起和凹陷的落差近200米，几乎是尼亚加拉大瀑布的4倍。目前探明至少存在3块较大隆起的区域：澳大利亚东北的太平洋水面，隆起区高76米；北大西洋的南伊斯兰附近隆起68米；非洲大陆东南洋面高出48米。有趣的是，相对应的洋面凹陷区域也有3块，它们是：印度半岛以南洋面，凹陷深达112米；加勒比海地区陷进约64米；加利福尼亚以西洋面下降56米（见图1.18）。而且，这些地区的面积直径都在3000～5000千米。图1.18 地球不是圆的！请允许我们夸张一点表示地球三大隆起和凹陷的地方，那地球看上去还真的有点“丑”，更别说是圆的了。不过，这只是高精度测量的需求，对于我们一般大众，地球当然是圆的！
1975年9月，第18届国际大地测量学和地球物理学联合会通过决议，向国际社会郑重推荐大地测量常数元素值。其中有：地球赤道半径（6378140±5）米；极半径（6356755±5）米；扁平率的倒数-3（298275±1.5）×10。
从人造地球卫星资料中发现，地球赤道横截面也不是正圆，而是卵圆形，它的长半径和短半径相差427米，在西经15°处最宽。科学界据此认定：地球是经线圈和赤道圈都为椭圆面的三轴椭球体。
20世纪80年代以来，又发现“椭球说”并不尽然。分析人造地球卫星轨道数据后发现，南北半球实际上是不对称的，相对而言，北半球尖且小，南半球底部凹而大。与标准椭球体表面形状相比，南极大陆水准面比基准面凹进24～30米；而北极大地又高出基准面14～19米。其他部位也有这种差异。从赤道到南纬60°之间是隆出，而从赤道到北纬45°之间是凹进。也就是说，整个地球形状像一只正放的大鸭梨。
5. 地球是只变化的梨子，大小形状都在变“梨子模型”的建立没有终结人类的认识，这不仅因为模型只是对原型的近似，更由于地球本身是永恒变化的。现在观测到的总趋势是：南半球膨胀，北半球收缩。近年来，上海天文台等单位发现，北半球的纬度圈每年缩小不到1厘米，南半球纬度圈每年扩大1厘米多。1厘米长短的变化很小，但天长地久的累积，也就不可小觑了。
以信息高速公路网和国家数据基础设施为依托，1998年2月在美国出现了“数字地球”（见图1.19）的概念。1999年11月29日至12月2日，来自25个国家和地区的400多名中外科学家在北京召开了首次数字地球国际会议。数字地球是对真实地球及其相关现象统一性的数字化表示，其核心思想：一是用数字化手段重现海量地球数据的、多分辨率的、三维的和动态的地球；二是最大限度地利用地球信息资源。图1.19 数字地球
目前，人类已积累了有关地球表面的大量原始数据和相应资料，包括难以计数的各类数字化地理基础图、专题图和地籍图等，已有足够的条件和能力构建“数字地球”。在不远的将来，任何人都可以坐在电脑前轻轻点击鼠标（或不再用鼠标），通过一定程序身临其境似地看到（或“触摸”）地球上任何一个地方的三维图像，查阅详细的数据。
三维测绘数据将用于军事和民用。在非军事领域，可以用来观测地震断层，对潜在的熔岩流、山崩和水灾进行模拟，规划桥梁、大坝和管道的建设，改进航线规划、导航以及移动电话通信塔的布局等，甚至还可以帮助那些徒步背包的旅行者。
但是，数字地球的构建并不意味着人类将一劳永逸地终结对地球的认识，而是要不断跟踪和记录地球变化的动态。目前科学家们认为，引起地球形状变化的主要因素有很多。第一，每年沉降于地表的宇宙尘埃在1万～10万吨。英国天体物理学家埃吉德估计，地球半径从地质时期开始以每年0.5毫米的速率递增，而地表的水面积正在减少。第二，已知地球自转速度有3种变化：长期减慢、不规则变化和周期变化。地球自转速度每10万年大约减慢2秒，长期减慢使扁率趋于变小。第三，地球内部熔融态物质的不断运移，是其形貌改观的内在动因。现代板块构造学说认为，地球内部地幔物质对流会导致岩石圈大规模水平移动，产生大陆漂移和海洋扩展。第四，太阳和月球的引潮力作用不仅造成江湖河海涨落的潮汐，还会引起“固体潮”，使地表出现几十厘米的上下波动。第五，人类修理地球、改造自然的种种实践活动，也给地球形状变化打上了“人化”的印记。美国著名科普作家阿西莫夫说：从宇宙空间观看地球时，它不像个梨，也不像个鸡蛋，而像一个很圆的球。最好还是把它说成是一个不规则的球体。
我们脚下的地球，它的实际形状不规则的原因、变化趋势和影响因素，仍然是有待人类深入探索的自然之谜。二、人类一切的源泉——太阳
太阳就是日（见图1.20），古代有个叫后羿的人能把它射下来。图1.20 我们的太阳
它其实是个由氢和氦组成的星球；它是很热的，表面6000多摄氏度吧，内核温度更高；它每隔11年就会爆发太阳黑子，还有日珥之类的，它会吹太阳风，还会不定期地爆发耀斑；另外，它还能活50亿年左右。
1. 神话太阳
中国传统神话中的太阳神有六位，他们分别是：羲和、炎帝神农氏、日主、东皇太一、东君、太阳星君。除此之外，太阳还有众多的别称：白驹、金虎、赤乌、阳乌、金乌、金轮、赤日、素日、火轮等。
原始人类关注最多的两大主题就是生与死。生是一种永恒的渴望；而关注死，是希望再生。因此古代先民们对具有长生不死以及死而复生能力的万物非常崇拜。太阳每天清晨从东方升起（重生），给自然以光明和温暖，傍晚从西边落下（死亡），给自然以黑暗与死寂，具有死而复生的能力，给万物以生机；同时先民的农耕生产，特别是稻作生产对阳光的需求和依赖，希望太阳多给人们一些光和热，让人们有吃有穿、身体健康。先民们就自然而然地对“生生之谓易”的太阳产生了敬畏的心理，而萌发了崇拜太阳的思想。古人崇拜太阳，必然要仔细观察太阳，研究太阳的运动。而阴阳二字就是对太阳运动（生与死）的形象白描。白天，太阳升起（生），光芒四射属阳字表述的意蕴，自然界呈现一派生机与活力。黑夜，太阳落山（死），光芒被遮属阴字表述的意蕴，自然界呈现一派死寂与萧条。于是自然而然地就形成了自然界万事万物就是在太阳的生与死即阳与阴的变化中而变化着的，自然而然地太阳就上升到宇宙主宰之神的地位。
和中国一样，几乎世界上的各个民族都将太阳尊崇为神。闻名于世的埃及吉萨金字塔，每当春分这一天，它们的一个底边刚好指向太阳升起的地方。太阳享受的尊敬不仅来自古埃及人，太阳神阿波罗的大名直到今天还被用到宇宙飞行器的命名上。
希腊神话里赫利乌斯，是驾着太阳车的太阳神，他是太阳的化身和拟人化。他每天驾驶着四匹火马拉的太阳车划过天空（见图1.21），给世界带来光明。阿波罗是光明之神。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]