天文學上的觀察與聯想_風聞

當一件精美的物品放在眼前，你大概會眼前一亮，用目光觀察並欣賞。大腦也隨之跟上，加入品鑑的行列，用的方式則是——聯想。憑藉聯想，一件物品在腦海中擴展為一個畫面、一段回憶。觀察與聯想常常是不可分離的，作為一門基於觀測的科學，天文學同樣重視聯想。眼睛加足馬力、頭腦快速旋轉，重大發現就來到我們面前。

**/****/**一、古希臘學者如何確定宇宙是有限的

古希臘學者在確定了地球是球形之後，下一個問題就是宇宙是有限的嗎？自然，古希臘學者也沒有任何觀測器材。他們主要是通過觀察星空來確定是否宇宙是有限的。在那個時代，許多對天空的觀察都是牧羊人做出的，因為他們經常在野外過夜。可是觀察星空怎樣才能知道宇宙是否有限呢？古希臘學者主要是通過對森林的觀察來聯想的，下面是兩張森林的照片。

圖1.從森林外向森林裏面看（圖源：互聯網）

圖2.從森林裏面向外看（圖源：互聯網）

這二幅照片的區別是，圖1那幅照片是從森林外面向森林裏面照的；而圖2那幅則是從森林裏面向森林外面照的。從森林外面向森林裏面看，是密密麻麻的樹幹、樹枝和樹葉，幾乎看不見天空；而從森林裏面向森林外面看，則能清楚地看見天空。由此，古希臘的學者想，如果宇宙是無限的，就相當於我們從森林外面向森林裏面看，天空中應該佈滿星星；如果宇宙是有限的，就相當於我們從森林裏面向森林外面看，天空中的星星應該是有限的。而實際上我們看到的夜空確實不是密密麻麻布滿星星，如下面的照片。因此，宇宙是有限的。

圖3.夜空中零散分佈的星星 （圖源：互聯網）

圖4.夜空中散在分佈的星星（圖源：互聯網）

在這個例子裏，

觀察的是——森林和夜空，

聯想的是——宇宙是不是有限的。

對夜空的觀察，又引出從另一個角度考慮夜空與宇宙的關係，也就是後來的由德國醫生兼天文學家奧伯斯（Heinrich Wilhelm Matthias Olbers, 1758 – 1840）在1823年提出的奧伯斯佯謬（Olbers’ paradox），也叫“黑暗的夜空悖論”（dark night sky paradox）。即：如果宇宙是靜止的，而且在大尺度上是均勻的，由無數的恆星組成，那麼來自地球上的任何視線都必須在非常明亮的恆星的表面終止，因此夜空應該是完全明亮的。這與觀察到的黑暗和夜晚的不均勻性相矛盾。

在這個例子裏，

觀察的是——半明不暗的夜空，

聯想的是——宇宙是不是均勻的。

**/****/**二、地球外生命

地球外的生命是人類最關心的問題之一。大家知道，我們在夜空裏看到的星星都是能發光的恆星，而恆星都是燃燒着的“太陽”，不可能擁有生命。能夠存在生命的是行星。可是行星不發光，我們看不見他們，甚至不可能知道是否有行星在圍繞着一顆恆星運行，科學家怎樣知道呢？

在中學物理裏，有一個動量守恆定律。根據動量守恆定律，月球圍繞地球運動，實際上是地球與月球一起圍繞它們共同的質量中心運動。而太陽系八大行星圍繞太陽運動實際上是太陽與八大行星圍繞它們共同的質量中心運動。天文學家每天觀測太空中一個一個的遙遠恆星，實際上是觀察它們的運動軌跡，再根據動量守恆定律來計算每個遙遠恆星可能有幾個行星，每個行星的可能質量和軌道，再核對恆星的運動軌跡是否可以用存在的這些行星來解釋。然後，再進一步確定行星的運行軌道。

在這個例子裏，

觀察的是——恆星的運動，

聯想的是——行星的軌道。

這也就是天文學中的天體測量學（Astrometry），最初天體測量學是製造星表而產生的，以便天文學家可以跟蹤星體。

確定了行星的運行軌道之後，我們仍然無法看見行星，因為行星不發光，反射的光也很難到達地球。但是，當行星的運動軌道越過恆星時（就像我們在地球上看到日食時那樣），我們就可以看見行星了。然而看見行星並不等於就知道了是否行星上有生命存在。那科學家怎樣判斷生命的存在呢？

科學家主要是根據行星的大氣中是否存在以下四種氣體來確定是否有生命，那怕是最簡單的生命。因為這四種氣體：水、二氧化碳、臭氧、甲烷（沼氣），都和生命有關（圖5）。

圖5.四種與生命有關的氣體（圖源：互聯網）

當行星越過恆星時，恆星的光線會穿過行星的大氣層到達地球。因為這4種氣體會吸收不同的光譜，科學家分析到達地球的光譜就能知道是否有這4種氣體存在（圖6）。

圖6.由於吸收臭氧和二氧化碳光譜的變化（圖源：互聯網）

在這個例子裏，

觀察的是——行星的大氣的組成，

聯想的是——行星上的生命。

**/****/**三、維京人的航行

大家都熟悉中國的四大發明中有指南針。有了指南針，航行就方便得多。據記載我們中國人用指南針航行是在宋代，大約是1040—1044年間。

實際上，僅僅有指南針並不意味着順利航行，因為地球有些地方的地球磁場異常，如加拿大的拉布拉多沿岸（Labrador）。實際上，鐵礦也會影響指南針的指向。甚至船上的鐵器，包括固定羅盤的鐵釘都會影響羅盤的方向。當然，近代的羅盤帶有自動校正系統，包括用軟件校正。

很多人都參與到對羅盤的改進中來，大科學家開爾文（William Thomson, 1st Baron Kelvin，1824–1907，絕對温度就是用他的名字命名的）也參與進來，並在十九世紀80年代獲得了一個專利，在羅盤兩側配2個鐵球來抵消外來磁場和鐵器的影響，這種羅經櫃上的球（圖7）被俗稱為開爾文球。

圖7.羅經櫃（羅盤兩側配有兩個鐵球（Q）來抵消外來磁場和鐵器的影響）（圖源：互聯網）

在這個例子裏，

觀察的是——外來磁場和鐵器對羅盤的影響，

聯想的是——用鐵球（Q）來抵消外來磁場和鐵器對羅盤的影響。

那麼，在指南針（羅盤）發明和應用之前，人類是靠什麼來確定方向進行航行的呢？人類最早的航行是在能看見海岸線的距離航行，當然，那時的船也主要是靠人為動力。隨着船隻性能的改善，人類有了遠距離航行的可能性。

在太平洋，波利尼西亞人主要通過觀察鳥類、星座、波浪和湧浪來確定附近的陸地。並用歌曲、神話故事和星圖來幫助人們記住重要的導航信息。在印度洋和中國南海，人們主要通過季風來判斷方向。在地中海，腓尼基人和迦太基人使用測深錘測量海水的深度來確定航船離海岸多遠，而且測深錘還附有牛油，從海底吸附上沉積物來判斷航線。古希臘海員利用夜晚觀察大熊星座航行到了埃及。這些實際上都是觀察與聯想的例子。

在歐洲歷史上有個著名的維京時代（大約790–1066），維京人的船到達過歐洲很多地方，甚至到達過北美洲。一個有趣的問題就是他們如何導航的。因為維京人是在夏天航行，北歐的盛夏日照時間特別長，因此維京人不可能利用星星導航，而只能利用太陽導航。那維京人是怎樣導航的呢？

實際上，維京人常常沿北緯61度航行，這是從挪威到格陵蘭的航線（圖8）（Horvath G, et al. On the trail of Vikings with polarized skylight: experimental study of the atmospheric optical prerequisites allowing polarimetric navigation by Viking seafarers. Philosophical Transactions of the Royal Society B 2011; 366: 772-782）。

圖8.維京人沿北緯61度的航行（航線3）（圖源：互聯網）

在格陵蘭島南部，本世紀考古學家發現了一個木製的圓盤的殘留部分（圖9）和石器，圓盤上刻有直線和曲線。最後，科學家們確定這個木製的圓盤是日晷。

圖9.考古發現的木製日晷（圖源：互聯網）

 科學家們對考古發現的日晷進行了復原（圖10）。復原的日晷上刻出的直線、曲線和細紋引起科學家們的興趣，因此進行了立體復原（圖11）。

圖10.復原的日晷（灰色的部分是沒有被考古發現的部分）（圖源：互聯網）

圖11.立體復原的日晷（圖源：互聯網）

在中國，日晷是用來確定時間的。那維京人日晷上的直線和曲線有什麼意義呢？最後的分析發現維京人用這種日晷來導航。如果沿北緯61度航行，維京人航行的時間是五月到八月，水平放置日晷（圖11），太陽影子從日出到日落是沿着日晷中的曲線移動（圖10和圖11），當太陽影子沿曲線移動時，直線指的方向是春分和夏至的座標，而刻出的細紋指向北極的方向。這樣維京人首先將日晷轉動到太陽影子投在曲線的位置，再根據早晨、中午和傍晚進一步調整日晷的位置，最後細紋就指向北方。

在這個例子裏，

維京人觀察的是——太陽在日晷上的移動，

維京人聯想的是——春分和夏至的座標、北極的方向。

科學家觀察的是——破碎的木製圓盤，

科學家聯想的是——日晷和維京人沿北緯61度的航行。

但是，當冷空氣經過温暖的海面時，水蒸氣會形成所謂的“凍煙（frost smoke）”，也就是著名的“北極海煙（Arctic sea smoke）”，其高度可達幾百米。在這種情況下，如果是太陽初升或日落西山，航海者的頭上是晴空萬里，而周圍則是濃霧瀰漫，根本無法辨別方向。另一種情況是烏雲遮日的時候，這種情況往往持續幾天。還有一種情況是在夏季，北緯60度，傍晚的太陽從地平線消失之後有長達1.5小時的暮光，而清晨太陽從地平線升起前也有長達1.5小時的曙光，也就是長達3小時矇矇亮的天，但沒有太陽（圖12）。維京人在這三種情況下怎樣航行呢？

圖12.北緯70度夏季的長達4小時的曙光和暮光。紅色、橙色和黃色的球體表示太陽的位置，橙色代表曙光和暮光時的太陽位置（圖源：互聯網）

因此，1967年丹麥的考古學家蘭姆斯庫（Ramskou）提出一種假説（Ramskou T. Solstenen. Skalk 1967; 2: 16-17），認為維京人使用太陽石（sunstone）導航。因為，在十四、十五世紀冰島的教會和修道院的紀錄裏，提到了太陽石（圖13）。

圖13.太陽石（圖源：互聯網）

2013年，人們在英國海峽羣島的奧爾德尼島（Alderney）附近發現了一艘十六世紀沉沒的戰船殘骸，在殘骸中人們發現了太陽石。這就進一步給這種使用太陽石導航的理論提供了佐證。

太陽石是斜長石的一種，因其晶體中含有赤鐵礦、針鐵礦等紅褐色片狀礦物包裹體，對光反射而出現金黃色耀眼的閃光。在挪威、瑞典、美國和西伯利亞均有產出，多用來做珠寶飾品。但是，冰島產的太陽石卻與眾不同（圖14）。

圖14.冰島太陽石（圖源：互聯網）

冰島太陽石是碳酸鈣的斜方六面體晶體，這種晶體內沒有直角（圖15）。

圖15.冰島太陽石晶體的內角（圖源：互聯網）

直射的太陽光不是偏振的光線，而折射的太陽光則是偏振的光線。因為我們的藍天是太陽折射的光，因此是偏振光。這就是為什麼用偏振鏡照相可以遮住偏振的藍光，增加相片的對比度（圖16）。

圖16. 左：不使用偏振光過濾的相片；右：使用偏振光過濾的相片（圖源：互聯網）

有趣的是冰島太陽石的這種晶體結構導致雙折射的光學現象，通過晶體觀察的物體將出現雙像（圖17）。

圖17.冰島太陽石產生的雙像（圖源：互聯網）

在旋轉冰島太陽石時，會發現一個像始終不變，而另一個像在改變。在沒有太陽的時候，將太陽石水平旋轉，當兩個像完全一樣時，太陽石的指向就是太陽的位置。就這樣，維京人能夠順利地航行。

在這個例子裏，

維京人觀察的是——太陽石產生雙像的變化，

維京人聯想的是——太陽的方向。

**/****/**四、光速的測量

最早測量光速的人是意大利的科學家，伽利略。伽利略的測量是利用二個人在夜晚站在二個山頭上，第一個人向第二個人打光信號同時開始計時。當第二個人看到光信號時，立刻回覆光信號，第一個人看到回覆的光信號時，確定光的往返時間。我們知道光速很快，所以伽利略的這個實驗並沒有測到光速。但是從另外一個角度，這個實驗證明光速很快。

第一個真正測量光速的人是丹麥科學家奧爾·克里斯滕森·羅梅爾（Ole Christensen Rømer，1644–1710），羅梅爾是天文學家，每天觀測天體的運動。

圖18.丹麥科學家羅梅爾（圖源：互聯網）

圖19.太陽系（圖源：互聯網）

在太陽系的八大行星裏，木星是有衞星的，比較重要的是木衞一（Io）、木衞二、木衞三、木衞四等。其中木衞一繞木星旋轉一週的時間是42小時27分33秒。

圖20.木星的衞星（圖源：互聯網）

也就是説，每隔42小時27分33秒，我們應該觀測到木衞一從木星陰影中出現。科學家經過長期的觀察，發現每年有一段時間木衞一從木星陰影中出現的時間越來越晚。最晚是晚多少呢？3分半！而每年另一段時間，木衞一從木星陰影中出現的越來越早。最早是早多少呢？也是3分半！

圖21.丹麥科學家羅梅爾對木衞一運行規律的分析（圖源：互聯網）

羅梅爾在1676年對這個問題進行了這樣的分析。在圖21中A點是太陽，B點是木星，EFGHLK構成的大圓是地球圍繞太陽進行圓周運動（那時人類已經知道地球圍繞太陽運動，但運動的軌跡還是不清楚，因此羅梅爾在這裏是按地球圍繞太陽進行圓周運動來分析的），CD構成的圓是木衞一繞木星進行圓周運動。

木衞一離開木星陰影是D點，進入木星陰影是C點。因為木衞一繞木星一週的時間是不變的。所以羅梅爾得出結論，我們看到木衞一走出陰影越來越晚，是由於我們地球離木星越來越遠的緣故，而這3分半的時間是由於地球在一年中從L點運行到K點的緣故，光也從L點用3分半走到K點。因為L點到K點構成了圓形的弦，如果知道圓的半徑和圓心角，就可以算出弦長，再除以3分半就可以知道光的速度了。

由於種種原因，羅梅爾本人沒有計算具體的光速，而是同時代的荷蘭數學家惠更斯（Christiaan Huygens，1629–1695）在和羅梅爾通信後，用羅梅爾的數據估算出光速大約是地球直徑的16.67倍。

在這個例子裏，

觀察的是——木衞一的週期，

聯想的是——光的速度。

作者簡介

吳光，1984年畢業於天津醫學院，1992年在俄羅斯國立醫科大學獲醫學博士學位。1992-2000在意大利烏迪內大學、日本國立水俁病研究所、法國馬賽大學做博士後。2001-2002在瑞士巴塞爾Novartis藥物公司任模型專家。2014年起任廣西科學院研究員。