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世界科技全景百卷书: 大气环流的奥秘
郑和七次下西洋以及地理大发现中的无数次海上远航，所使用的都是帆船，完全靠风力吹送。人们很早就发现了，地球上有些地带刮风的风向几乎是全年恒定不变的，这称之为定向风。哥伦布是第一个全面了解并充分利用了大西洋有规律风系的航海家。他在发现新大陆前，就已经有过好几次航海经验，他知道低纬度地区老是刮东风，中纬度地区则经常刮西风。所以哥伦布寻找新大陆的第一次航行，是沿着加那利群岛的纬度（约北纬28°）巧妙地借助东风向西驶去。但在返回西班牙时，他精明地先向北行驶到亚速尔群岛的纬度（约北纬39°），然后才张满风帆，乘着浩荡西风返回欧洲的。 航海家们利用的这种低纬度东风，在南北半球都有，北半球以东北风为主，南半球以东南风为主，年年如此，挺讲信用的，因此被人们称之为信风。当时的一些商人掌握了这个规律，基本都依靠信风的吹送，来往于海洋上进行贸易经商活动，因而这种风又被商人们叫做贸易风。 自从发现了新大陆以后，西欧的商人们便纷纷组织大批船队装运马匹运往美洲，因为在那儿原来没有马，运输和农耕都很不方便。然而奇怪的是，当船队沿着北纬30°附近的大西洋航行时，常常遇到海面上死一般的寂静，没有风，闷热异常，帆船便只好无可奈何地在原地打转，乖乖等候顺风的到来，而有时一等就是10天半月。时间长了，马匹因缺少淡水、饲料纷纷病倒、死亡，水手们一时吃不掉那么多马肉，最后不得不将死马成批抛进大海。当时人们恐惧地把这一无风地带叫做“马的死亡线”，又称“马纬度”。此外，赤道带也是个无风带。 但是如果船队跨过了马纬度，进入中纬度海域航行，在南北纬度40°～50°附近，马上又会遇到与低纬度方向相反的西风。特别在南半球，这一纬度带没有大的陆地，海域非常辽阔，西风更为猛烈而且稳定，常常在海上掀起狂涛巨澜。1488年，葡萄牙航海家迪亚斯指挥两艘小船，驶往非洲大陆最南端，当船只来到南纬40°附近时，一场巨大的风暴将这两叶小舟在大海上吹荡了整整16天，值得庆幸的是最终他们被吹送到一个岬角上。心有余悸的迪亚斯还将这个岬角命名为风暴角 （后葡萄牙国王认为这个岬角的发现，使通往富庶东方的航路有了打通的希望，改名好望角）。南半球的西风带也因此而被人形象地称为“咆哮西风带”了。 随着航海事业的发展，人们更加急于了解，地球上为什么会有南北对称分布的定向风带及无风带，定向风为什么能这样信守自己的方向，又是什么力量掌握着定向风的方向呢？ 首先发现信风的是英国天文学家哈雷，他因计算出一颗著名彗星的回归周期（76年）而享誉全球，这颗彗星后来就以他的大名命名。有人说他的伟大天才在于能将复杂的资料整理出某种头绪来。他对地学也曾有过许多贡献，他首创用图表法来说明地球自然现象的地理分布。1698～1700年他参加了为纯科学目标的第一次远航，并制成了世界上第一幅地磁变率图。1686年他在一本叫做《哲学学报》的杂志上发表他的信风理论，综述了三大洋盛行的风，并附了一张风图。文中正确地描述和刻划了热带风的基本特征——赤道无风，赤道以北盛行东北信风，以南则为东南信风。他认为信风的形成与太阳供给赤道较多的热有关。1688年，他又根据收集来的海洋上测风资料，绘出了北纬30°～南纬30°的世界上第一幅信风分布图。这种全球信风分布图，由于来自于实践，有观测资料作为基础，因此在航海中起了很大作用。当时人们都参照信风图来科学地安排航行，把从英伦三岛到澳大利亚之间的航期，由250多天缩短到150天左右。这件事激起了人们进一步研究贸易风的兴趣，积极收集资料，并作理论的探讨。 1735年，另一位英国天文学家哈得莱发表了《关于信风之起因》一文，正确地解释了信风现象，从而创立了经圈环流的理论，并修正了哈雷关于西风是因太阳向西运行所造成的错误说法，而首次考虑由于地球自转对大气环流的影响。哈得莱认为，赤道地区接受的太阳热量要比极地多得多，因而赤道地区的空气受热变轻产生上升运动，极地的空气受冷变重产生下沉运动。这样高空空气就由赤道向极地补充，低层空气则由极地流向赤道，从而形成一个沿经线方向运动的闭合的大环流圈。由于地球自转的影响，水平运动的物体都会发生偏向，在北半球向右偏，在南半球就向左偏。因此低层由极地流向赤道的气流就分别偏折成北半球的东北信风和南半球的东南信风；而高空由赤道流向极地的气流也都受到偏折，而形成高空的西风带，因下沉作用，又形成中纬度的地面西风带。他的这种环流理论，今天看来虽然相当粗糙，但在当时这个理论却成为日后气象学家研究大气环流的重要基础之一。为了纪念他的功绩，至今人们还把低纬度的经圈环流称为哈得莱环流。 哈得莱考虑到了地球自转的因素，但当时他还没有发现造成物体偏向的力，这个力是由法国数学家和物理学家科里奥利提出的。科里奥利小时候很喜欢郊游，经常跟着老师到野外观察。他发现北半球的大河，在两岸地质条件相似的情况下，总是右岸比左岸冲刷得厉害，这种奇怪现象在他幼小的心灵里便留下了难以忘却的疑问。他长大后经过反复研究，证明这是由于地球的自转，在地球表面产生了一种能使运动物体的方向发生偏斜的力，并把它叫做地球自转偏向力。后来人们为了纪念这种力的发现者，也把它叫做科里奥利力，简称科氏力。 曾经当过中学教师的美国人威廉·费雷尔，于1856年第一次把科氏力正确应用于解释大气环流，他用数学方法证明风受地球自转影响而偏向。他指出，正是由于科氏力的作用，才使北半球低纬度地面的盛行风向由北风右偏为东北风，南半球则由南风左偏为东南风。费雷尔还首次提出中纬度地区也存在一个经向环流圈，这里的近地面风向，原来是从低纬向高纬流动的，但由于科氏力的作用，北半球的南风偏转成西南风，南半球的北风偏转成西北风，从而形成了中纬度地区的盛行西风带。由于这一环流圈的流向与哈得莱环流相反，所以人们称之为逆环流，同时也叫做费雷尔环流。 后来人们又知道，高纬度也有一个经向环流圈，称作极地环流，在近地面所形成的风带叫极地东风带。这样，在每个半球上就有三个风带。每两个风带之间是一个低气压带或高气压带。如北纬 30°附近就是副热带高气压带，盛行下沉气流，风力微弱，也便是过去曾闻之色变的“马纬度”。 宇宙流 爱好围棋的人都知道，日本著名的围棋手武宫正树的棋讲究规模的宏大，可以给人一种气势磅礴的感受，因而被称之为“宇宙流”。那么真正的天上的宇宙流是什么呢？那是描述星系的运动的，其规模，显然非武宫正树的“宇宙流”可比！ 美国天文学家哈勃在研究了星系的运动之后，得出了著名的哈勃公式V=HR，即星系运动的速度与星系的距离成正比。但是后来的观测发现这并不是完全正确的。由银河系，大、小麦哲仑云和仙女座大星云等星系组成的本星系团中一些星系与哈勃的计算值之间有每秒600公里的差值。1973年，天文学家发现在按哈勃公式计算出的运动速度为每秒3500～6500公里的星系有一个约每秒800公里的速度差值，并且被后来红外线波段的观测所证实。这些与哈勃流速不一致的星系运动，称之为“宇宙流”。但天文学家并不想就此收兵，他们希望找出星系宇宙流的规律来，以更好地研究大尺度范围内物质的运动。不过遗憾得很，直到现在为止，呈现在天文学家眼前的宇宙流还是杂乱的。 没有找到规律并不表明没有规律，只要是在宇宙中运动的物质，就一定有章可循。宇宙流所遵从的规律没有找到，说明宇宙流是一种大范围、多原因的运动。一旦这个规律被发现，就必将对人类的整个宇宙观带来深刻的变革。 星系冕 安徒生的童话《皇帝的新装》中，皇帝穿了被骗子裁缝称之为“愚蠢和不称职的人看不见的衣服”在大街上游行，其实他什么也没穿，出尽了洋相。可宇宙中就恰恰有这样一种“帽子”，它环绕在星系之外，质量巨大，但用一般的方法却看不见，这就是星系之帽——星系冕。 既然看不见，又是怎样发现的呢？这是通过一种间接的方法发现的。1974年初，前苏联塔尔图天文台的天文学家对100多个星系的运动速度随机变化进行分析，因为速度变化范围和质量有关，由速度变化范围分析结果发现星系外面尚有一个巨大的质量包层。随后，美国天文学家也证实了前苏联人的这一发现。 星系冕的尺度非常巨大，占据了几十万到上千万光年的空间。星系冕的质量与星系的质量和光度有关，若星系质量和光度越大，那么星系冕的质量就越大。我们银河系的冕的质量约是1000亿个太阳质量。大的星系的星系冕质量可达到银河系冕的10～30倍。 星系冕的发现有极其重要的意义，它说明宇宙中物质可能绝大部分是以我们看不见的物质形态存在，形成为可见星系或恒星的，则只是其中的一小部分。星系冕的存在，使星系的质量就比原来估计的要大，于是，自吸引力增大，物质更难跑出去，从而星系就可能更稳定。 第2051号小行星 1902年2月16日，张钰哲出生在福建省闽侯县。他在小学和中学时代，学习成绩一直都很好。1919年以优异的成绩考入清华学堂高等科，1923年毕业后即去美国留学。他选择了古老而有趣的天文学作为自己学习、研究的对象，并把毕生的精力都倾注于这门学科的研究上。 1925年张钰哲进入美国芝加哥大学天文系学习，两年后获硕士学位；接着，他一面在叶凯士天文台作小行星和彗星的照相观测工作，一面继续学习，攻读博士学位。在这期间，他通过连续的观察和计算，成功地发现了一颗新的小行星，从此结束了小行星由外国人发现的历史，为我国当时极其落后的天文事业争得了荣誉。为了表示对远隔重洋的祖国的怀念，张钰哲把他发现的小行星命名为“中华”。 1929年，张钰哲以《有一定平面的双星轨道极轴指向空间的分布》的论文获得博士学位。学成归国时，他到威尔逊天文台、罗威耳天文台、立克天文台及加拿大维多利亚天文台进行了参观访问，以便回国后在中国创办天文台时有所参考借鉴。 1946年，张钰哲再度赴美考察，观测中发现了一颗新变星，并在美国天文学会年会上宣读了题为《新的食变星的速度曲线》的论文，同时对许多其他问题也做了进一步的探讨和研究，为紫金山天文台的重建做好了准备工作。 南京解放后，张钰哲担任了中国科学院紫金山天文台台长，从1949年底开始，他全身心致力于小行星和彗星的观测研究，开展了小行星轨道测定、摄动计算和改进轨道方面的计算研究。30年来，张钰哲和他领导的行星研究室总共获得了五六千次小行星的成功观测，陆续发现了几百颗星历表上未有编号的小行星，有的已用我国古代天文学家和省市的名字来命名。 张钰哲以毕生精力致力于祖国天文事业，他治学严谨，事必躬亲，不仅勤于观测，而且勤于理论研究和著作编译工作。 国际天文协会为了表彰他在小行星研究和其他方面的贡献，特意把1976年10月23日美国哈佛天文台所发现的2051号小行星命名为“张”，以作为永久的纪念。 织女难会牛郎 古代人以夜空的繁星为题材，创造出许多美好动人的神话故事，关于牛郎和织女的传说便是其中之一。据说，勤劳的牛郎是人间的普通村夫，而织女却是西天王母娘娘最宠爱的孙女儿。织女心不甘天宫寂寞，动了凡念，私自下凡与牛郎结为夫妇。此事犯了天上神仙们的法律，玉皇大帝派天兵天将把织女捉回天上。牛郎挑着担子，一边坐着女儿，一边坐着儿子，在后面飞快地追赶。眼看着牛郎就要追上织女了，王母娘娘从头上拔下碧玉簪，在牛郎和织女之间轻轻地一划，立即出现了一条波涛汹涌的天河，把一对有情人永远地隔开了。然而，情之所钟，惊天动地。天上的神鹊非常同情织女和牛郎，每年的农历七月初七，它们飞临天河上空，架起鹊桥，让织女和牛郎相聚一宵。 古老神话那令人倾倒的巨大魅力，在现代天文知识面前显得黯然失色。今天，观测的结果告诉我们，即使在织女星和牛郎星上真有本领高强的“神仙”，他们想要每年聚首一次也是根本不可能的。织女星距地球约26光年，每秒走30万公里的光也要跑26年之久。牛郎星距地球17光年左右；织女星和牛郎星则相距14光年以上。换言之，以目前所知最快的宇宙速度——光速飞行，从织女星到牛郎星也要14年多的时间。 当然，织女星和牛郎星上也根本不存在任何生命，它们都与太阳类似，是炽热的恒星。织女星表面的温度约9000℃，比太阳表面高3000℃左右；直径约400万公里，差不多为太阳的3倍；它的体积差不多是太阳的24倍。牛郎星表面温度有7000℃上下，比太阳表面也高出1000℃左右。 可是，织女星好像与地球上的人类结下了不解的缘份，据天文学家预测，随着天体的运动，斗转星移，特别是随着地轴倾斜角度的缓慢变化，到公元14000年的时候，今日的织女星，将正好位于地球北极的上空，成为新的、明媚的北极星。 小熊星座 星星的知名度并不和它们的亮度成正比例的关系，有些星的知名度和它所占据的位置关系密切。最典型的例子就要算是小熊星座了。 社会历史发展的特殊机缘，使北半球的文明最早兴起，并得以延续下来。至少在公元前10世纪之前，中国、巴比伦、埃及、希腊等地的先民就开始了各具特色的天文观测。在所有这些观测中，人们总是注意到一颗不太明亮的星，它永远处在北方天空中的固定位置上，于是给它起名为北极星。北极星，几乎在地球北极的正上方，数个世纪以来，它为航海者指示着航向。在一般的测量中，北半球的人还可以根据它的高度来确定所在地的纬度，你看到北极星时的视线和地平面间的夹角的度数，就是你所在地的地理纬度。 北极星，是小熊星座中的α星。由于北极星占据了特殊的位置，所以小熊星座几乎成了尽人皆知的著名星座。即使不太熟悉北极星的人，根据大熊星座里北斗七星中的“指极星”——斗边两颗亮星，也很容易找到它，北极星正好位于两颗指极星连线外延五倍远的地方。 关于星座的神话中，也许与大熊座和小熊座相关联的神话最扣人心弦了。在古希腊的神话中，主管山林水泽的是漂亮的嘉丽丝托女神。诸神之王朱庇特和嘉丽丝托之间产生了炽热的恋情，朱庇特担心嫉妒成性的天后朱诺会加害于嘉丽丝托，就用法力把嘉丽丝托变成一只熊，让她住在山林中。嘉丽丝托之子阿卡斯不知内情，在一次狩猎中险些射死自己的生母。朱庇特觉得长此下去终是不便，于是便断然将母子二人安置于天上：嘉丽丝托就是大熊座，阿卡斯就是小熊座，母子相依，夜夜俯视着人间。 对于业余的天文爱好者，还应该知道，北极星除占据重要的“天位”外，它还是一颗三合星——由三颗靠得很近的星组成的小天体系统，同时它又是一颗变星——它的亮度变化率为14％，所以，不是特别留心观察，一般难以发现它是变星。 红巨星 一般人听说太阳的直径是地球直径的109倍，体积是地球的130万倍时，都会觉得太阳是大得惊人的天体。实际上，太阳按大小来说，只是恒星中的寻常之辈。 星际空间的巨人是一组被称做红巨星的恒星。例如，牧夫座中的大角星，直径相当于太阳直径的24倍，体积是太阳的13800多倍；御夫座的毕宿五，直径是太阳的45倍，体积是9万多倍；天蝎座的心宿二，直径是太阳的230倍，体积是1200多万倍！然而，心宿二也不是最大的恒星，至少现在天文学家知道，猎户座的参宿四，直径是心宿二的2.39倍，体积是心宿二的13.67倍。要是和太阳相比，参宿四更是大得惊人，它的直径为太阳的550倍，体积相当于1亿6千6百多万个太阳！ 人们不禁要问，如此巨大的天体是怎样形成的呢？目前，天文学界认为，红巨星是比太阳更老的恒星。开始，它们也曾是靠着由氢变成氦的热核反应维持着发光、发热的个头中等的恒星。当它们的氢燃料消耗殆尽时，排斥力日益减小，引力的作用使它们发生收缩。引力收缩时产生的能量使其中心区域的温度上升到1亿度以上。于是，在那里产生了在地球上根本无法实现的另一种热核反应：三个氦原子核聚变成一个碳原子核。这一反应产生了极强烈的爆炸力，使星体的外壳一下子膨胀几十倍、甚至几百倍，外壳处的温度一般在3000℃到4000℃之间，呈现出明亮的红色。理论推算表明，靠氦聚变为碳的反应释放的能量来维持其庞大体积的红巨星，寿命都较短，一般仅能存在几百万年。当绝大部分的氦元素都转变成碳元素后，恒星的体积会再一次缩小，同时使其中心区的温度上升到一个新的数量级，进而引发新的向更重化学元素转化的热核反应。 如此螺旋状升级的热核反应，一次比一次更猛烈。最终会产生最强烈的大爆炸，其威力之大，使许多原属于恒星的物质，获得了脱离开其引力场的巨大速度，飞向宇宙空间。在这样的突变后，红巨星就变成了另一类恒星了。 踪迹难寻的白矮星 几乎所有的天文学家都确信：宇宙空间中的“侏儒”比“巨人”多得多。 目前的天文学理论认为，所有的恒星都是靠热核反应来维持其能源的。勿庸置疑，恒星的核原料迟早有用完的一天，那时，这颗恒星将如何度过它的暮年时光呢？先让我们来看看多数恒星的情况吧。 天文观测表明，一些质量不太大的恒星，或者说质量小于太阳质量 1.4倍的恒星，用完自身的核燃料后，一般都不可能再产生突发性的能量释放过程了。开始阶段，它们都是较平稳地发挥着“余热”，随着温度下降，它们的体积日渐缩小，同时也就把它所存有的引力能也无私地奉献给宇宙空间。最后，它们体积缩小到了自身的极限，密度增大到每立方厘米几百千克！这时，恒星就变成了白矮星——恒星家族的侏儒。白矮星的直径一般只有太阳的几十分之一。例如，在天空中肉眼看去最明亮的天狼星，实际上是双星，主星直径2倍于太阳的普通恒星。它的伴星天狼星B，则是一颗白矮星，直径大约只有太阳的三十分之一。 白矮星体积小，亮度低，一般用肉眼都无法看到它。而冷却到不再发射可见光的白矮星，天文学家也很难用天文望远镜直接看见它们，而只能依据天体系统质量分布的大概情况去推断它们的存在。因为，冷却后的白矮星，和我们称之为行星、卫星等的天体的重大区别，就在于白矮星有大于行星、卫星几万倍或十几万倍的密度。换言之，白矮星的巨大质量，会使靠近它的可见天体的运动受到不容忽视的影响，这正是科学家寻找白矮星的重要途径，同时，也是白矮星踪迹难寻的重要原因。 天文学家期待着宇宙空间的飞船，在寻找智慧生命的同时，能早日查清距我们较近的白矮星的情况，为恒星演化的研究提供更多的事实资料。 密度惊人的中子星 从1992年年底算起，正好在四分之一个世纪之前，全世界绝大多数天文学家都处于一种紧张、亢奋的状态之中。一项偶然的发现，使全世界的射电望远镜都指向了茫茫天球上的一个狭小的区域。新闻记者们捕风捉影，接收到了外星人无线电信号的消息成了全地球人的最热门的话题。事件是这样开始的： 1967年7月，在英格兰的剑桥附近，一架专为研究星空“闪烁效应”的射电望远镜启用了。8月的一天，专门负责检查自动记录图纸的贝尔小姐——爱尔兰的研究生发现了一个十分奇异的射电信号，它与以前天文学家所了解的由太阳大气所引发的“闪烁效应”根本不同，它的脉冲短促，按当时的记录速度，难以辨别它的周期。或许这是地面上电气设备的干扰信号吧？但无论如何，观测的负责人还是决定加强监测，并调快了自记纸张运行速度，以期弄清这个奇异的射电信号的周期。到9月份，一切都准备就绪时，神秘的射电信号却失踪了。 1967年11月，该射电望远镜再次收到了来自太空的射电信号。当贝尔小姐将第一份高速记录纸带送给负责人安东尼·海威斯先生过目时，海威斯先生竟惊异得目瞪口呆：神秘的信号源发来的是间隔约1.33秒的短周期脉冲无线电波。在紧张的核对这一记录的过程中，科学家更加惊奇地发现，这些无线电波的历时，精度不低于百万分之一秒，是一座相当准确的天文“时钟”。 各国天文学家的共同努力，迅速排除了是智慧生物的联络信号的任何可能性。随后，很快证实了，这些无线电信号来自理论天文学家预言过的、过去还从未发现过的中子星。 20多年过去，科学家已弄清了中子星的大略状况。那些质量为1.5～2.0个太阳质量的恒星，用尽核燃料后，在引力作用下收缩时，达到白矮星阶段仍不会停止，而要进一步收缩。如果说，强大的引力压力使白矮星物质的电子紧贴着原子核运行的话，那么，更大的引力高压则把电子完全压到原子核内，电子和质子合为一体了。即是说，在这类天体上，物质的原子已不再显现出电的特性，完全由挨得很近很近的中子组成，这就是中子星。 中子星的直径大约只有8、9公里，但它的质量却差不多和整个太阳系的质量一样。据估算，中子星的密度可以高达每立方厘米1亿吨以上，真是令人难以想象。 一颗巨大的恒星，在收缩成为中子星的过程中，遵守着角动量守恒定律——质量越集中，自转速度就越快。目前，已观测到的银河系的中子星，每秒都自转1000周左右。恒星收缩时，还导致了其原有磁场强度的增大，一般认为中子星的磁场强度可以达到普通恒星磁场强度的100亿倍。 极高的密度，难以想象的飞快自转，超乎寻常的磁场强度，是中子星的基本特色，也是它能发射本文开头所提到的奇异射电信号的主要因素。理论物理学家正借此来推进他们的理论设想，射电天文学家们则希望能更多、更详细地了解中子星的秘密。 星际“双生子” 被阿拉伯人称为“阿尔果尔”——意为“魔鬼之星”的一颗亮星坐落在银河的繁星之间。这颗英仙座的亮星，中国人称它为大陵五，怎么得到了“魔鬼”的诨号？ 一位聋哑人，英国的天文学家约翰·古德里克在1783年首先解释了这个问题。他发现大陵五的亮度每2天22小时变暗一次；他提出，大陵五是两颗星组成的：一颗较亮的恒星和一颗暗一点的伴星，它们互相绕转时，当伴星遮掩了主星时，我们就会看到似乎这颗星“变暗了”。就是说，大陵五看上去是亮度不断改变的星，所以阿拉伯人称之为“魔鬼之星”，而实际上它是双星——星际空间奇异的双生子。古德里克的理论为其后的天文观测所证实，人们称大陵五这类因伴星遮掩而改变亮度的双星叫食变双星。 人眼在夜空所看到的天狼星，也是一对双生子，不过它们的发育程度却有天壤之别。天狼星的主星直径相当于太阳的2倍，发出耀眼的蓝白色光芒，表面温度高达40000～50000℃，属于热核反应最激烈的青壮年恒星；而它的那颗伴星，直径约为太阳的1/30，光也暗得多。别看这对双生子的体积相差21万多倍，可它们的“体重”却相差无几。 星际中的巨人型双生子也不少，在紧靠大陵五的御夫座中，就有一对风采过人的双星。其中一颗，直径约为太阳的7倍，发出蓝色的光；另一颗的直径为太阳的98倍，发红色的光。它们绕着共同的重心旋转一周要用去约2.66年的时间，每一周期中我们可以观测到两次相互掩食的现象，一次是红星将蓝星完全遮住，另一次则是蓝色的星在红星表面上掠过；每次掩食过程从偏食开始，到食甚，到结束，共历时约40天！ 有些双星相距很近，它们是宇宙中快节奏的“舞伴”。例如，北斗七星中勺柄上的双星，互绕一周的时间仅0.67天左右，两星的大气层则联成一体，看上去颇像天际的巨型哑铃。 最初，天文学家以为宇宙中双星是罕见的，茫茫天际，充其量有几千对而已。可是，80年代末期，随着观测手段的进步，人们惊奇地发现，恒星孪生的现象，在银河系中比例高达千分之二、三。按绝对数量而言，在银河系中双星可能有4～6亿颗之多。 目前，已查明的河外星系约有10亿个，宇宙中可能有多少“双生子”，每个读者不妨自己去估算一番吧。 太空巨蟹 请读者记住公元1054年。这一年的一项天文学发现，给天文学家留下了一个900多年的未解之谜，也为当代最热门的宇宙起源的理论设想奠定了基础。 宋至和元年，即1054年，中国天文学家记录到金牛座天关星附近的一次非同寻常的“大爆发”现象，当时的人们认为这是拜访天关星的客人，故称之为“天关客星”。日本的天文学家也观察并记录了这次异乎寻常的天象。这是人类第一次观测到的超新星爆发。这次大的星际空间爆发事件，留下了一大片形如巨蟹的发光的星云，即天文学界著名的蟹状星云。 其后的观测，越来越使天文学家关注：蟹状星云的体积在不断扩大，其膨胀的速度高达1300公里/秒！蟹状星云始终发射着迷人的光彩。是什么天体在空中爆发而产生了如此巨大的一片星云？它又是从哪里获得的能量，近千年来持久不衰地发光、发出射电信号、发出X射线和γ射线？ 不少天文学家都假设在蟹状星云中，一定有一颗恒星，它的巨大爆发产生了星云。可是，要证实关于遥远天际的这样一项至关重要的假说，必须有确凿的证据。 1968年，在人类第一次观测到蟹状星云之后的第914年，在美国东部弗吉尼亚州的格林班克国家射电天文台终于在星云中找到了一颗脉冲星——即中子星，随后由另一天文台准确测定了它发出的射电信号的周期为0.033秒。科学家确信，这颗中子星，就是导致900多年前那场大爆发的恒星的“残骸”。 精确的时间测量，进一步揭开了围绕着蟹状星云的迷雾。它中心处的脉冲星的频率正在逐步变小，正是它损失的能量，“点亮”了蟹状星云。计算结果表明，蟹状星云脉冲星的年龄约1000年，恰与宋代人记录到的天关客星出现的时间相吻合。 简单地说，蟹状星云之谜初步解开，给天文学家一个明确无误的启示：宇宙中可能产生我们怎么想像都不会过分的巨大爆发事件。 脉冲星 脉冲星是20世纪60年代天文的四大发现之一。至今，脉冲星已被我们找到几百颗，并且已得知它们就是高速自转着的中子星。 脉冲星有个奇异的特性——短而稳的脉冲周期。所谓脉冲就是像人的脉搏一样，一下一下出现短促的无线电讯号，如贝尔发现的第一颗脉冲星，每两脉冲间隔时间是1.337秒，其他脉冲还有短到0.033秒的，最长的也不过3.745秒。那么，这样有规则的脉冲究竟是怎样产生的呢？ 天文学家已经探测、研究得出结论，脉冲的形成是由于脉冲的高速自转。那为什么自转能形成脉冲呢？原理就像我们乘坐轮船在海里航行，看到过的灯塔一样。设想一座灯塔总是亮着且在不停地有规则运动，灯塔每转一圈，由它窗口射出的灯光就射到我们的船上一次。不断旋转，在我们看来，灯塔的光就连续地一明一灭。脉冲星也是一样，当它每自转一周，我们就接收到一次它辐射的电磁波，于是就形成一断一续的脉冲。脉冲这种现象，也就叫 “灯塔效应”。脉冲的周期其实就是脉冲星的自转周期。 然而灯塔的光只能从窗口射出来，是不是说脉冲星也只能从某个“窗口”射出来呢？正是这样，脉冲星就是中子星，而中子星与其他星体 （如太阳）发光不一样，太阳表面到处发亮，中子星则只有两个相对着的小区域才能辐射出来，其他地方辐射是跑不出来的。即是说中子星表面只有两个亮斑，别处都是暗的。这是什么原因呢？原来，中子星本身存在着极大的磁场，强磁场把辐射封闭起来，使中子星辐射只能沿着磁轴方向，从两个磁极区出来，这两磁极区就是中子星的“窗口”。 中子星的辐射从两个“窗口”出来后，在空中传播，形成两个圆锥形的辐射束。若地球刚好在这束辐射的方向上，我们就能接收到辐射，且每转一圈，这束辐射就扫过地球一次，也就形成我们接收到的有规则的脉冲信号。 脉冲星是高速自转的中子星，但并不是所有的中子星都是脉冲星。因为当中子星的辐射束不扫过地球时，我们就接收不到脉冲信号，此时中子星就不表现为脉冲星了。 暗物质 茫茫宇宙中，恒星间相互作用，做着各种各样的规则的轨道运动，而有些运动我们却找不着其作用对应的物质。因此，人们设想，在宇宙中也许存着我们看不见的物质。 20世纪30年代，荷兰天体物理学家奥尔特指出：为了说明恒星的运动，需要假定在太阳附近存在着暗物质；同年代，茨维基从室女星系团诸星系的运动的观测中，也认为在星系团中存在着大量的暗物质；美国天文学家巴柯的理论分析也表明，在太阳附近，存在着与发光物质几乎同等数量看不见的物质。 那么，太阳附近和银道面上的暗物质是些什么东西呢？天文学家认为，它们也许是一般光学望远镜观测不到的极暗弱的褐矮星或质量为木行星30～80倍的大行星。在大视场望远镜所拍摄的天空照片上已发现了暗于 14星等，不到半个太阳质量的M型矮星。由于太阳位于银河系中心平面的附近，从探测到的M型矮星的数目可推算出，它们大概能提供银河系应有失踪质量的另一半。且每一颗M型星发光，最多只能有几万年。所以人们认为银河系中一定存在着许许多多的这些小恒星“燃烧”后的“尸体”，足以提供理论计算所需的全部暗物质。 观测结果和理论分析均表明漩涡星系外围存在着大质量的暗晕。那么，暗晕中含有哪些看不见的物质呢？英国天文学家里斯认为可能有三种候选者：第一种就是上面所述的小质量恒星或大行星；第二种是很早以前由超大质量恒星坍缩而成的200万倍太阳质量左右的大质量黑洞；第三种是奇异粒 5子，如质量可能为20～49电子伏且与电子有联系的中微子，质量为10电子伏的轴子或目前科学家所赞成的各种大统一理论所允许和需求的粒子。 欧洲核子研究中心的粒子物理学家伊里斯认为，星系晕及星系团中最佳的暗物质候选者是超对称理论所要求的S粒子。这种理论认为：每个已知粒子的基本粒子 （如光子）必定存在着与其配对的粒子（如具有一定质量的光微子）。伊里斯推荐四种最佳暗物质候选者：光微子、希格斯微子、中微子和引力粒子。科学家还认为，这些粒子也是星系团之间广大宇宙空间中的冷的暗物质候选者。 到现在，已有不少天文学家认为，宇宙中90％以上的物质是以“暗物质”的方式隐藏着。但暗物质到底是些什么东西至今还是一个谜，还待于人们去进一步探索。 寻找黑洞 自从在理论上证明了黑洞存在的可能性以后，探索黑洞便成了最引人注目的研究。那么黑洞到底隐藏在哪里呢？ 或许你想象不到，在宇宙间发现黑洞是件多么难的事情。你不可能简单地用一架望远镜仰望漆黑的天空，就此老老实实地期望发现一个黑洞。因为黑洞不发光，使得它们极其难以捉摸。 黑洞可能有大有小，但它的类型却是有限的。黑洞的特性是指它的质量、自转和电荷。如果我们以从大质量恒星演化而来的黑洞为目标，则搜索黑洞就会容易些，因为我们对这类黑洞的起源比较了解。恒星在晚年核燃料全部耗尽，星体在其自身引力作用下开始坍缩。若其质量大于太阳质量3倍，则坍缩的最终结果就是产生黑洞。此类恒星级黑洞的质量一般不超过太阳的50倍。此外，在双星系统中，黑洞天体可以从它的伴星吸取物质并发射X射线，而X射线我们是可以观测和分析的。正是对双星系统的分析，我们获得了黑洞存在的最好证据。其中天鹅座X—1是最强有力的黑洞候选者。 寻找不同质量黑洞也是可能的。远小于恒星质量的小黑洞可能在宇宙开始时大爆炸的引力混沌中形成，大爆炸异乎寻常的力量把一些物质挤压得极其紧密，于是形成了“原生黑洞”。其典型尺度仅相当于一个基本粒子，质量与小行星相仿。20世纪70年代研究黑洞的一个引人注目的结果是小黑洞的蒸发理论。但目前尚未发现正在蒸发的小黑洞。质量比恒星大的黑洞也可能存在。星系和球状星团的中心部分恒星很密集，星体之间容易发生大规模的碰撞而产生超大质量天体的坍缩，形成质量超过太阳质量1亿倍的大黑洞。这些大黑洞可能为在巨大的星团中观测到的X射线源提供能量，它们也可能是给类星体供应能量的“发电站”。如果整个宇宙停止膨胀的话，宇宙的结局就会是一个黑洞。 然而，黑洞的存在与否，以及它的类型和性质，仍有待我们去证实与检验。黑洞就像其本身的特性一样，用它极其强大的引力吸引着我们去探测这一宇宙的杰作。 由于黑洞极其独特的性质，使对它的发现和检测变得非常困难。面对巨大的挑战，科学家们充分发挥了他们的卓越才能和智慧。 解决问题的钥匙正是问题的性质本身。所有黑洞的周围环绕着强引力场，以至于黑洞视界内的任何辐射都无法逃离黑洞。因此使我们不能直接探测到它们。然而也正因为这样，可以通过观测黑洞对周围事物的强引力作用而对它进行检测。虽然有一点是不幸的，我们永远不能直接观测到黑洞本身，而是间接发现和检测。但是我们终于摆脱了困境，找到了出路。 检测黑洞的一种可能方法牵涉到光的引力偏转现象。光线通过一个强引力场时会发生弯曲。当光线在黑洞附近通过时，则由于环绕黑洞的强引力场引起时空有很大的曲率，这种效应将显著得多。当地球、黑洞和遥远的星体排在一条直线上时，地球上的观测者将看到遥远星体的两个像，分别在黑洞两侧。而这种借助黑洞扫曲遥远的背景恒星或星系的配置就像光线通过一个玻璃透镜一样，所以称之为引力透镜，当然这种方法本身就是很困难的。因为这要求地球、黑洞和背景星体三者必须极其准确地排列成一条直线，而这种完美无缺的排列是极罕见的。 在探测黑洞这个问题上，也许观测黑洞对气体和尘埃的吸积现象比观测引力透镜格外奏效。因为掉进黑洞的气体可能会发出在远处可以检测的辐射。由于星际空间几乎是完全真空的，星际气体的原子彼此相距如此之远，以至一个孤立的黑洞不可能吞噬这种气体快到足以产生可以检测到的辐射。我们必须改在气体供应充足的附近去探测黑洞。而双星系统是理想的候选者。当一个双星系统中有一个黑洞存在时，另一颗恒星风中的粒子经过黑洞附近时被俘获进入绕黑洞的轨道而形成吸积盘。当这些向内盘旋的气体越来越近黑洞时，它们被摩擦加热到越来越高的温度，恰在它们最终掉进黑洞之门前产生极其强烈的X射线。 由于地球大气对X射线的吸引完全阻碍了地面观测。在此天文学家必须在地球大气之外进行观测。于是在1970年12月12日，美国发射了一颗名为 “乌呼鲁”意即“自由”的X射线天文卫星。“乌呼鲁”的上天使得对黑洞的检测得以实测。一年后便发现了一个最理想的黑洞候选者——天鹅座X—1双星系统。此后相继发射了一系列X射线检测卫星，例如“爱因斯坦天文后”等等。因而接连不断地得到越来越好的X射线图，从而对黑洞的检测工作进展迅速。 寻找快速X射线闪烁的捷径在于从天空里接连不断发现的许多X射线源中间找到黑洞的候选者。我们说不定会立刻发现黑洞比任何人想象的要多得多。 黑洞的神奇魅力，使对它的检测成为现代天体物理学的前沿，也是整个科学和人类认识观的前沿。 类星体 20世纪50年代后，类星体的发现，使之成为最引人注目的天体之一。由于它们看上去像恒星，因此就称它们为类星状天体，简称类星体，然而类星体与恒星有着天壤之别。那么类星体的结构是怎样的呢？ 通过对类星体的大量观测和研究，使我们对类星体有了大致的了解。首先，我们知道类星体 （或至少是其内部的产生能量的区域）是很小的。这个事实是通过它们的快速高度变化推导出来的。其次，类星体是极其明亮的。这个事实则根据它们的巨大红移，因而意味着它们位于离地球非常遥远的地方而推断出来的。这两个事实合在一起，使类星体成为迄今天空中所发现的最异乎寻常和捉摸不透的天体。天体物理学家面临着这样一个艰难的任务，试图去解释在仅仅比太阳系大几倍的体积内何以能产生相当于100个星系的能量输出？ 为了解释这一难题，经过科学家的努力，在理论上构造出了类星体的一般的总体模型。 类星体中心是未知的能源——高速电子的源。外面有许多高速电子云。这些小云产生了射电和光学的继候辐射，可能还产生了其他波段的连续辐射。外面的气体纤维在高能连续辐射的作用下电离，并把这种辐射转变为发射线光子，就是波长一定的一些光子。类星体的最外面可能是高速运动的云，当它们从朝着我们传播的辐射中俘获光子时，就产生了吸收线。 这就是我们在理论上所描述的类星体的基本模型。 听起来似乎我们已经对类星体了解得一清二楚了。然而，可别忘了，我们并不知道类星体的能量是从哪里来的。对类星体的演化也一无所知。为了解决这些问题，现在已经提出几种互相竞争的理论。 一种观点认为，类星体是与星系形成相联系的现象。在原星系坍缩的过程中，早一代大质量恒星抛出的物质聚集在原星系的核心，在短暂而强烈的爆发性恒星形成中，可以达到相当的光度。类星体可能与此有相似的过程。然而由于类星体显然有正常含量的重元素。这相当于恒星已演化到一定的程度，而不可能处于演化的初期阶段，因此这一事实成为这一理论的困难。 另一种不同的观点认为，类星体代表星系演化的最后阶段。在星系的中心区域恒星的密度非常高而恒星的分布倾向于把大质量的恒星和小质量恒星分开，前者落向中心区，开始相互碰撞。恒星间的碰撞是灾变事件，有可能导致超新星的爆发。在挤紧的稠密恒星系统中，高比率的恒星爆发就可以提供类星体的能源。 一种更流行的类星体模型是，类星体是一个超重天体，是处于星系致密核心。是质量为太阳质量1亿倍以上的巨大黑洞。大质量的黑洞将把离黑洞过近的恒星弄碎。直至全部吞掉。当物质被吸积到黑洞中去时，它们变得非常炽热，由此产生的X射线辐射就可以满足类星体的能量需求。 在各种类星体理论模型中，最可能的是大质量黑洞模型这个模型很吸引人，可以想象，每个大星系的核心都可能埋藏着这样的黑洞。而且它也能很好地解释许多观测到的现象。 然而，类星体至今仍然是一个未解之谜，许多问题仍未揭晓。为了解答这些尖端问题，天体物理学家们还在继续他们的探索。 类星体是如此的莫名其妙——它是那么的小却又产生那么多的能量，以致于使它成为对天文学家最大的挑战之一。因此，对这个宇宙中最遥远、也是最明亮的天体进行观测和研究，已经成为目前最重要的课题之一。 近几年来，在大尺度范围对类星体的巡天观测有了巨大的进步。首先，巡天技术的改进丰富了寻找类星体候选体的方法。目前主要的技术有：射电源选择方法、多色方法、无缝光谱方法、X射线源选择方法、弱变光天体选择方法等等。另外，近年来，许多国家如英、美、加拿大等国都采用了机器方法进行自动选取，主要运用于无缝光谱方法和多色方法。自动选取方法的优点是可以大批量进行，同时减少了选择效应。 其次，由于巡天技术的改进，天文学家储备了大量的类星体候选体等待观测。据保守估计，总共有5万个类星体候选体有待观测，而就算把全世界的大望远镜全调动起来，也需要13年以上的时间。何况，类星体候选体的数目还在成倍的增长。到目前为止，估计已经证实的类星体在5000颗以上。 1982年，澳大利亚的天文学家在“意外中”发现了一颗红移量为3.78的类星体。打破了自1973年以来一直保持的红移量为3.53的纪录。1990年天文学家发现了红移量达4.75的类星体，已经接近了宇宙学理论预言的红移量为5的理论极限。 最近，根据新的观测资料，不断对类星体的空间分布进行研究，已经得出了有关类星体的面密度和空间分布的较系统的数据。一种较合理的宇宙学理论认为：宇宙在演化过程中由均匀状态 （微波背景）向成团状态（星系）过渡，首先形成的是类星体。因此它是研究宇宙形成和演化过程的最重要的探测体。类星体在宇宙中的分布究竟是系统性的成团结构，还是大尺度上的均匀分布，对于理解宇宙在这一阶段上的演化过程非常重要。但目前的理论分析和观测资料还不能下十分肯定的结论。 然而，随着人类对宇宙不断深入地探索和研究，类星体的真实面目终将展现在我们眼前。而通过它，人类将更深刻地了解我们世世代代所生活的这个神奇辽阔的宇宙空间。 视超光速现象 1972年，美国天文学家首先发现了赛佛特星系3C120的膨胀速度为光速的4倍。我们现在都已知道，根据著名科学家爱因斯坦的相对论理论，光速是世界上最快的速度，没有任何物质具有的速度能超过它。但是天文学家在以后的工作中又陆续发现了几个类星体（如 3C345等）的两个射电子源的分离速度为光速的7倍，甚至达到10倍。以后的研究使天文学家认识到：这些现象反映出来的超过光速的现象只是一种视现象。实际上，上述天体的速度并没有超过光速，分析出的原因可以有几种：一、为引力透镜或是一种折射而引起的，二、为射电源的依次闪光而使人产生错觉，三、透视现象。另一些人则给出了不同的解释。他们认为这种现象的产生是由距离上的视觉错误造成的，其发射点实际不在同一距离上，对这一解释，天文学家现在已找到了观测上的一些证据。但是，具体的原因是什么，现在还不能说已经找到了答案；若依据现有理论有一点是肯定的，即光速是无法逾越的，很多天文学家都坚信这一点，并由此出发去寻找宇宙的答案。 宇宙中的反物质 量子理论的早期成就之一就是预言了反粒子的存在，无论是已发现的粒子还是理论上预言的粒子，都有一个共同的特点：每一种粒子都有一种相应的反粒子。粒子和反粒子的质量相同，而其他一些性质（如电荷等）却正好相反。在比原子更小的基本粒子尺度上粒子和反粒子是高度对称的，它们总是形影不离，缺一不可。然而，一旦大于这个尺度，却出现了强烈的不对称性。我们的地球、太阳系和银河系都是“正”粒子组成的“正”物质。那么反物质又在何处呢？ 在银河系中，我们可以断言没有反物质构成的恒星。否则，广大的星际介质就会与反物质发生湮灭，从而产生数量远超过观测值的γ射线。然而在星系际空间深处可能有反物质存在，甚至可能有由反物质构成的反恒星组成的反星系。但是银河系以外的星系究竟是由物质还是反物质组成的，现在还无法判断。因为我们对遥远星系的知识完全来源于它们发出的光子，而光子的反粒子就是它本身。因此即使是反物质组成的星系，其光学性质也与我们的星系相同。 然而即使反星系存在，它们与星系之间必须由真空隔开，否则就要发生强烈的湮灭反应。现在我们知道星系际空间的许多区域被稀薄气体占据着。同这些气体的相互作用使得湮灭在反物质区域不可避免，从而产生可观测的超量γ射线。 可是我们并未发现这种特别现象。因此，至少目前我们推断：宇宙看来基本上是不对称的，物质大大超过反物质。 著名的物理学家温伯格等人把大爆炸宇宙理论和基本粒子大统一理论合在一起对这一问题进行了探讨。他们认为在极早期宇宙中，物质和反物质的数量必定几乎相等。辐射场大量产生粒子——反粒子时，偶尔也有极少的质子和电子掺杂在这个炽热的环境中，每1亿个光子和粒子对只多出1个质子。但是，随着辐射的冷却和粒子对的湮灭，每个光子能量减少，过剩的物质最终变为主要的成分。结果，原子现在构成了质量密度的主体。 宇宙创生的最初一刹那，宇宙曾经是高度对称的，即正反粒子数大致相等。然而，为什么早期宇宙有这么一点儿不对称而导致在今天反物质如此之少呢？这是大爆炸宇宙学理论的未解之谜。也正因为如此，物质的我们才出现在这个世界中，这也是宇宙的奇妙之处吧。 对称的宇宙 人们都热爱、崇尚并且追求美好的事物，在对自然界的，尤其是在对整体宇宙的探索中更是如此。以和谐、统一和完美作为信仰的科学家们在理论上构造出了简单和对称的宇宙模型，因为人们都相信对称是完美的特征。那么，事实上是否如此呢？ 随着科学技术的日新月异，天文观测手段也有了惊人的突破，从传统的光学波段遍及到整个电磁波谱的探测，使我们对宇宙大尺度结构有了长足的认识。观测表明，相对我们自己的星系，宇宙在大尺度上是各向同性的。虽然在较小的范围内物质的分布是不均匀的，有成团性。但如果把这些局部的起伏平滑地去掉，则整体上表现出均匀性。在最大望远镜所及范围内，星系的分布是非常均匀的。换句话说，从我们的星系看去，宇宙在大尺度上不存在任何优越的方向 （即这个方向与众不同）。对我们来说，宇宙所表现出的是各向同性的，对称的。 然而我们井不知道其他星系的观测者观测到的宇宙是否是各向同性的，没有任何方法可以直接验证这个结果。但是我们可以作一个简单的逻辑推理。如果其他星系的观测者所看到的与我们的观测结果不符，那么，我们得到的是各向异性的情况，也就是说“上帝”在创造宇宙时，在整体结构上把地球或我们的星系放在了最优越的地位，宇宙仅对我们来说是各向同性的——我们是宇宙的中心。 古代的人们是这样认为的，然而当代的科学彻底打破了这一神话。因为 “以自我为中心”和“自以为是”思维方式被证明是错误的。而原则上，其他星系的观测者们也会发现，宇宙是如此的均匀、对称。 当然，观测结果与均匀结构一致是对于我们所能达到的宇宙范围而言，但观测并未证实情况必须如此，而更大尺度上的均匀对称性还只是天文学家们的一种美好的愿望而已。 宇宙的对称性并不仅仅包含空间分布这一事实。而作为四维时空中必不可少的时间上也是宇宙对称性的一个重要因素。现代科学理论已经否认了牛顿绝对时间的正确，因而不存在为所有观测者都接受的统一时间系统，每个观测者所测的时间是不一样的。由于考虑到宇宙整体均匀性和各向同性以及把星系联系起来的哈勃定律，可以得到一个美妙的结论，每个星系的观测者所得的时间是同步的，我们得到了一种类似牛顿的宇宙时系统。宇宙在时间也是对称的。 由于对称时空的完美组合，使我们所认为的宇宙和谐、迷人。然而对称与美毕竟只是我们的梦想，宇宙会满足我们的梦想吗？我们只刚刚开了个头。 小行星的发现 自1930年3月天文学家们发现冥王星以后，我们便知道，太阳系中环绕着太阳这颗中心天体运动的，有九大行星及其卫星，同时还有许许多多的小行星、彗星、流星体和星际物质等等。 那么，小行星又是怎样发现的，它们位于太阳系宇宙空间什么地方，共有多少颗小行星，它们又是怎样形成的呢？ 很多年以来，科学家们在研究太阳系里各个行星的轨道时，发现了一件有趣的事。他们发觉，行星并不是随随便便的散居在太空的，而是非常有“秩序”地按着某种规则分布在太阳的周围；它们几乎是像排过队似的，彼此之间的距离都成一定的比例。 1766年，德国有一位中学教师提丢斯，发现当时已知的水星、金星、地球、火星、木星和土星这6颗行星与太阳的平均距离有一定的规律，它们可以用有趣的数列来表示，即是：4，4+3，4+6，4+12，4+48，4+96。4即为水星距太阳之间的平均距离（约58百万千米）；4＋3为金星与太阳之间的平均距离，即58百万千米+58百万千米的四分之三 （43.5百万千米），等于101.5百万千米；4＋6为地球与太阳之间的平均距离，即58百万千米+87百万千米，等于145百万千米，以下类推。这样计算的结果，虽然这6颗行星与太阳之间的距离，与我们现在知道的它们与太阳之间的平均距离还有些出入，但是已相差不了多少，例如，地球与太阳之间的平均距离仅差2.67％。提丢斯的这个发现大家觉得很有意义，于是引起了人们的重视。几年后，柏林天文台长波得，对上述规律作了进一步的论述，人们就把它称为“提丢斯——波得定则”，一般简单的称为波得定则。 对上面的数列，如果我们仔细地看，每项后面的数都是前项后面数的两倍。但是第四项和第五项之间，却把这个“秩序”给打乱了，少了一项4＋24，这是什么缘故呢？当时便引起人们的注意，而根据波得的推测，在火星和木星之间应该有一颗行星。然而，天文学家怎么找也没有发现这颗行星，这使天文学家们感到非常奇怪，但大家认为，在火星和木星之间，肯定还有一颗行星存在着。如果找不到它，它一定是“躲”起来了，为了寻找这个“空缺”的行星，天文工作者和天文爱好者花费了许多时间，对火星和木星之间进行了大量的观测，直到19世纪初的1801年1月1日夜里，这个“躲”起来的行星，终于被意大利的天文学家皮亚齐在天文望远镜里“捉”到了。人们给这个行星起名为谷神星。这样，就完整的填补了波得定则。 天文学家一面感到高兴，一面也感到有些失望。因为这颗行星出奇的小，其直径只有770千米。还不到我们地球的卫星——月亮直径（3467千米）的四分之一。它只算个很小的行星。大约过了一年的时间，1802年，业余天文爱好者，德国医生奥伯斯又发现了第二颗小行星——智神星。智神星比谷神星还要小，它的直径还不到500千米。 当智神星被发现的时候，让当时的天文学家感到惊异。因为他们原来只想找到一颗行星，而现在却找到了一双。这时他们便猜想，既然发现了第二颗小行星，还会不会在火星和木星轨道之间存在着第三颗、第四颗、乃至更多的小行星呢？ 事实也正如这些天文学家所猜想的那样，过了两年，1804年，人们又发现了第三颗小行星——婚神星。到 1807年，又发现了第四颗小行星——灶神星。 后来，又大约过了40天，天文学家又发现了第五颗小行星。在发现第五颗小行星后的第二年，又发现了第六颗小行星，在整个第19世纪，天文学家们共发现的小行星有400颗以上。到了20世纪，随着科学技术的发展，不断先进的观测手段，小行星的发现便越来越多了。到目前为止。天文学家发现的小行星已经有2000个以上。那么，火星和木星这两颗大行星轨道之间，到底有多少颗小行星呢？具体数字很难确定。因为随时都可能会发现新的小行星。因此，关于小行星的数字，或者说有2000多颗，或说有成千上万颗。 由于在火星和木星轨道之间的小行星太多了。因此，我们称它们为一个小行星带。它们就像九大行星一样绕太阳公转。不过，它们的质量体积都很小。最大的直径只有1000千米；小的直径还不到1千米。有人估计，全部小行星的总质量，不会多于地球质量的万分之四。当然，这需要我们进一步考察。 至于这些小行星是怎样形成的，目前说法不一，有的人认为：在火星和木星之间本来是有一颗大行星的，但不知是什么原因，也许是跟一个什么星球相撞了，这个行星爆裂了。现在的小行星，可能就是这颗星的残体，不然的话，为什么这些小行星形状都不那么规则呢？还有人认为，在火星和木星之间，本来就有一些星际物质可以凝聚成为一个大行星的，但这些物质凝聚得不够结实，结果就分裂成大小不一样的小行星了。总之，有关小行星的成因，尚无定论，有待于科学家进一步的考察、分析、定论。 在发现这些小行星的工作中，我国天文工作者也作出了不少贡献。在已编号的2000多颗小行星中，有一颗名叫“中华”的第1125号小行星，是由我国天文学家张钰哲于1928年发现的。解放后，我国天文事业有了飞跃的发展，由于有了强有力的天文望远镜，从1954年秋天起，我国南京紫金山天文台已先后发现了400多颗小行星。其中，1977年有4颗新的小行星曾在国际上得到正式编号，分别被命名为“张衡”、“祖冲之”、“一行”和“郭守敬”，以纪念我国古代著名的天文学家。1979年下半年，又有4颗由我国发现的新小行星，被正式编号命名为：第2027号“沈括”；第2045号“北京”；第2077号“江苏”，第2078号“南京”。这4颗小行星都已经过多次观测，并计算出了它们的轨道。在这以后，紫金山天文台又连续发现了5颗小行星，被国际上正式编号为：第2058号“河南”；第2162号“安徽”；第2169号“台湾”；第2184号“福建”；第2185号“广东”。 日中有“黑气” 太阳，是我们地球上光和热的源泉。我们祖先善于实践，勤于观测，对太阳上的细节都进行详细描述，精确记载，见于史书。现今世界公认的最早的黑子记事，是西汉成帝河平元年（公元前28年）三月所见的太阳黑子现象，载于《汉书·五行志》：“成帝河平元年……三月己未，日出黄，有黑气大如钱，居日中央。”这一记录把黑子的位置和时间都叙述得很详尽。 事实上，在这以前，我国还有更早的黑子记载。在约成书于汉武帝建元元年（公元前140年）的《淮南子》这一著作的卷七《精神训》中，就有“日中有踆乌”的叙述。踆乌，也就是黑子的现象。而比这稍后的，还有：汉“元帝永光元年四月，……日黑居仄，大如弹丸。”（《汉书·五行志》引京房 （前77～前37）《易传》）。这表明太阳边侧有黑子成倾斜形状，大小和弹丸差不多。永光元年是公元前43年，所以这个记载也比前面的记录为早。 黑子，在太阳表面表现为发黑的区域，由于物质的激烈运动，经常处于变化之中。有的存在不到一天，有的可到一月以上，个别长达半年。这种现象，我们祖先也都精心观察，并且反映在记录上。《后汉书·五行志》有这样的记载：“中平……五年正月，日色赤黄，中有黑气如飞鹊，数月乃销。”灵帝中平五年是公元188年。《宋史·天文志》也记有宋高宗“绍兴元年二月己卯，日中有黑子，如李大，三日乃伏。六年十月壬戍，日中有黑子，如李大，至十一月丙寅始消。七年二月庚子，日中有黑子，如李大，旬日始消。四月戊申，日中有黑子，至五月乃消。”绍兴元年是公元1131年。 黑子，不但有存在时间，也有消长过程的不同形态。最初出现在太阳边缘的只是圆形黑点，随后逐渐增大，以致成为分裂开的两大黑子群，中间杂有无数小黑子。这种现象，也为古代观测者所注意到。《宋史·天文志》记有宋徽宗政和二年（公元1112年）“四月辛卯，日中有黑子，乍二乍三，如栗大。”这一记载，就是属于极大黑子群的写照。 我们祖先观测天象，全靠目力。对于太阳只有利用日赤无光、烟幕蔽日之际，或太阳近于地平、蒙气朦胧之中，以及利用“盆油观日”方法。始可观望记录。从汉代到明代共1600多年间，黑子记载超过100次。 上述史书所载的黑子“如钱”、“如栗”、“如飞鹊”、……都是表示黑子的形状；至于“数月乃销”等等，是表明黑子的消长过程的。因为黑子大小相间，此生彼灭，存在时间长短不一，在望远镜未发明之前，史书所载的一定是大而易见的，所以至多不过二三枚，存在几天或几月而灭，这是和近代精密观测结果相符合的。至于“日赤无光”、“昼昏日晡”等等，乃是描写观测时候的情景。这些都是合乎科学的。对于前人精察天象的实践，外国学者也多有赞扬。美国天文学家海耳（1868～1938年）就曾经指出：“中国古人测天的精勤，十分惊人。黑子的观测，远在西人之前大约2000年。历史记载不绝，而且相传颇确实，自然是可以征信的。” 欧洲发现太阳黑子，时间比较晚。他们最早的黑子记事是公元807年8月19日。这已经是公元9世纪了：但是还被误认为是水星凌日。太阳黑子的发现是伽利略（1564～1642年）使用望远镜完成的天文学进展之一；他在公元1610年才看到黑子，直到16I3年才把结果公开发表。 黑子的消长，有它的盛衰周期。平均周期11年这数字是1843年德国业余天文学家施瓦贝（1789～1875年）首先得到的。但是，如果引用我国古代太阳黑子的记录加以分析，也完全能够得到相同的结果。 1975年，我国云南天文台编集我国从公元前43年到公元1638年的黑子记录，共106条，进行计算，得出周期是10.6±0.43年；同时还存在 62年和 250年的长周期。这一重要结果，是研究我国古代黑子记录、探索它的规律的良好收获。 历代古代记录已经表明：黑子出现最多的年月，也是极光出现频繁的时期。黑子和极光互有关系。1977年7月，云南天文台又利用我国黑子和极光古记录，同时进行分析得出：极光和黑子都存在约11年的周期，并且得出结论：太阳活动和极光的约11年周期，并不是近300年才有的暂时现象。这对于研究地球物理学和天文学的一系列问题，将是很有益的启示。这同时也说明我国古代黑子资料是相当宝贵的。 彗星记事 我国很古就有彗星记事，并给彗星以孛星、长星、蓬星等名称。古书《竹书纪年》上就有“周昭王十九年春，有星孛于紫微”的记载。但是因为这本书真实年代有待考证，对这件事暂且存疑。最可靠的记录，开始见于《春秋》： “鲁文公十四年秋七月，有星孛入于北斗。”鲁文公十四年是公元前613年，这是世界上最早的一次哈雷彗星记录。 《史记·六国表》载：“秦厉共公十年彗星见。”秦厉共公十年就是周贞定王二年，也就是公元前467年。这是哈雷彗星的又一出现，不过《史记》没有记载它出现的时间。 哈雷彗星绕太阳运行平均周期是76年，出现的时候形态庞然，明亮易见。从春秋战国时期到清末的2000多年，共出现并记录的有31次。其中以 《汉书·五行志》汉成帝元延元年（公元前12年）记载的最详细。 “元延元年七月辛未，有星孛于东井，践五诸侯，出河戌北，率行轩辕、太微，后日六度有余，晨出东方。十三日，夕见西方，……锋炎再贯紫宫中。……南逝度犯大角、摄提。至天市按节徐行，炎入市中，旬而后西去；五十六日与苍龙俱伏。” 这样生动而又简洁的语言，把气势雄壮的彗星运行路线、视行快慢以及出现时间，描绘得栩栩如生。其他的每次哈雷彗星出现的记录，也相当明析精确，分见于历代天文志等史书。在西洋关于哈雷彗星记载，一般书籍认为最早是在公元66年，但是还可上溯到公元前11年，欧洲已有哈雷彗星的观测记载。不过，也还比我国《春秋》可靠记载晚了几百年。 我国古代的彗星记事，并不限于哈雷彗星。据初步统计，从古代到公元1910年，记录不少于500次，这充分证明古人观测的辛勤。 哈雷彗星的来临，姿态固然十分雄伟，但是其他彗星的出现，气势也相当壮观。《新唐书·天文志》：“上元……三年七月丁亥，有彗星于东井，指北河，长三尺余，东北行，光芒益盛，长三丈，扫中台，指文昌。”唐高宗上元三年是公元676年。这种记录，不但形象描绘逼真，而且位置准确，所经过的亮星都加注记，这正是我国古代天象记录的优点。 在古代，我们祖先不仅观测彗星的形态和位置，对彗星的成因也有见解。 《晋书·天文志》载有：“彗体无光，傅日而为光，故夕见则东指，晨见则西指。在日南北皆随日光而指，顿挫其芒，或长或短。”这种解释也是正确的。《晋书》修于唐太宗贞观十八年到二十年，就是公元644年到646年。而在欧洲直到公元1532年才有类似的认识。 在我国古代，还记录到彗星分裂现象。《新唐书·天文志》就有：“乾宁……三年十月，有客星三，一大二小，在虚、危间，乍合乍离，相随东行，状如门，经三日而二小星没，其大星后没。”唐昭宗乾宁三年是公元896年。像这样的观测记录是很细致的。在这里所说的客星，指的是已经分裂的彗星。 我们祖先重视彗孛，有些虽然不免泥于占卜，但是观测勤劳，记录不断，使后人得以查询。欧洲学者常常借助我国典籍来推算彗星的行径和周期，以探索它们的回归等问题。哈雷彗星就是明显一例。 20世纪初，英国的克罗梅林（1865～1939年）和考威耳 （1870～1949年）曾利用我国古代哈雷彗星记录，跟计算所得的每次过近日点时间和周期相比较，最古记录上推到公元前240年。对照结果都比较符合，足证古代记录的可靠。前人辛劳记录的功绩未可泯灭！ 近年来美国学者勃勒德，研究从1682年到20世纪的哈雷彗星的运动，曾经引用我国有关古代记录，来探索1986年哈雷彗星的回归，并且研究太阳系中是否还存在第10颗大行星在对哈雷彗星的运动施加影响。在爱尔兰天文台工作的中国天文学者江涛，也研究哈雷彗星运动，并且在1971年发表《哈雷彗星的从前轨道》一文。1977年，我国天文学家张钰哲（1902～1986年），利用我国古代的哈雷彗星记录，上推到公元前1057年，通过电子计算机进行运算，发表《哈雷彗星的轨道演变趋势和它的古代历史》一文，所得结果，比较理想。他解决了我国历史界关于“武王伐纣”的准确年代的疑问；初步得出这日期是公元前1057年，丰富了史学上年代学的论证内容。可见我国古代的彗星记录到现代仍然焕发出它的光辉！ 法国人巴耳代在本世纪50年代研究1428颗的 《彗星轨道总表》之后断定说：“彗星记载最好的（除极少数例外），当推中国的记载。”这种评语，无疑是公允的！ |
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