天文学上的观察与联想

　　当一件精美的物品放在眼前，你大概会眼前一亮，用目光观察并欣赏。大脑也随之跟上，加入品鉴的行列，用的方式则是——联想。凭借联想，一件物品在脑海中扩展为一个画面、一段回忆。观察与联想常常是不可分离的，作为一门基于观测的科学，天文学同样重视联想。眼睛加足马力、头脑快速旋转，重大发现就来到我们面前。

　　一、古希腊学者如何确定宇宙是有限的

　　古希腊学者在确定了地球是球形之后，下一个问题就是宇宙是有限的吗？自然，古希腊学者也没有任何观测器材。他们主要是通过观察星空来确定是否宇宙是有限的。在那个时代，许多对天空的观察都是牧羊人做出的，因为他们经常在野外过夜。可是观察星空怎样才能知道宇宙是否有限呢？古希腊学者主要是通过对森林的观察来联想的。

　　从森林外面向森林里面看，是密密麻麻的树干、树枝和树叶，几乎看不见天空；而从森林里面向森林外面看，则能清楚地看见天空。由此，古希腊的学者想，如果宇宙是无限的，就相当于我们从森林外面向森林里面看，天空中应该布满星星；如果宇宙是有限的，就相当于我们从森林里面向森林外面看，天空中的星星应该是有限的。而实际上我们看到的夜空确实不是密密麻麻布满星星。因此，宇宙是有限的。

　　在这个例子里，观察的是——森林和夜空，联想的是——宇宙是不是有限的。

　　对夜空的观察，又引出从另一个角度考虑夜空与宇宙的关系，也就是后来的由德国医生兼天文学家奥伯斯（Heinrich Wilhelm Matthias Olbers, 1758 – 1840）在1823年提出的奥伯斯佯谬（Olbers' paradox），也叫“黑暗的夜空悖论”（dark night sky paradox）。即：如果宇宙是静止的，而且在大尺度上是均匀的，由无数的恒星组成，那么来自地球上的任何视线都必须在非常明亮的恒星的表面终止，因此夜空应该是完全明亮的。这与观察到的黑暗和夜晚的不均匀性相矛盾。

　　在这个例子里，观察的是——半明不暗的夜空，联想的是——宇宙是不是均匀的。

　　二、地球外生命

　　地球外的生命是人类最关心的问题之一。大家知道，我们在夜空里看到的星星都是能发光的恒星，而恒星都是燃烧着的“太阳”，不可能拥有生命。能够存在生命的是行星。可是行星不发光，我们看不见他们，甚至不可能知道是否有行星在围绕着一颗恒星运行，科学家怎样知道呢？

　　在中学物理里，有一个动量守恒定律。根据动量守恒定律，月球围绕地球运动，实际上是地球与月球一起围绕它们共同的质量中心运动。而太阳系八大行星围绕太阳运动实际上是太阳与八大行星围绕它们共同的质量中心运动。天文学家每天观测太空中一个一个的遥远恒星，实际上是观察它们的运动轨迹，再根据动量守恒定律来计算每个遥远恒星可能有几个行星，每个行星的可能质量和轨道，再核对恒星的运动轨迹是否可以用存在的这些行星来解释。然后，再进一步确定行星的运行轨道。

　　在这个例子里，观察的是——恒星的运动，联想的是——行星的轨道。

　　这也就是天文学中的天体测量学（Astrometry），最初天体测量学是制造星表而产生的，以便天文学家可以跟踪星体。

　　确定了行星的运行轨道之后，我们仍然无法看见行星，因为行星不发光，反射的光也很难到达地球。但是，当行星的运动轨道越过恒星时（就像我们在地球上看到日食时那样），我们就可以看见行星了。然而看见行星并不等于就知道了是否行星上有生命存在。那科学家怎样判断生命的存在呢？

　　科学家主要是根据行星的大气中是否存在以下四种气体来确定是否有生命，那怕是最简单的生命。因为这四种气体：水、二氧化碳、臭氧、甲烷（沼气），都和生命有关。

图1.四种与生命有关的气体（图源：互联网）

　　当行星越过恒星时，恒星的光线会穿过行星的大气层到达地球。因为这4种气体会吸收不同的光谱，科学家分析到达地球的光谱就能知道是否有这4种气体存在。

图2.由于吸收臭氧和二氧化碳光谱的变化（图源：互联网）

　　在这个例子里，观察的是——行星的大气的组成，联想的是——行星上的生命。

　　三、维京人的航行

　　大家都熟悉中国的四大发明中有指南针。有了指南针，航行就方便得多。据记载我们中国人用指南针航行是在宋代，大约是1040—1044年间。

　　实际上，仅仅有指南针并不意味着顺利航行，因为地球有些地方的地球磁场异常，如加拿大的拉布拉多沿岸（Labrador）。实际上，铁矿也会影响指南针的指向。甚至船上的铁器，包括固定罗盘的铁钉都会影响罗盘的方向。当然，近代的罗盘带有自动校正系统，包括用软件校正。

　　很多人都参与到对罗盘的改进中来，大科学家开尔文（William Thomson, 1st Baron Kelvin，1824–1907，绝对温度就是用他的名字命名的）也参与进来，并在十九世纪80年代获得了一个专利，在罗盘两侧配2个铁球来抵消外来磁场和铁器的影响，这种罗经柜上的球（图7）被俗称为开尔文球。

图3.罗经柜（罗盘两侧配有两个铁球（Q）来抵消外来磁场和铁器的影响）（图源：互联网）

　　在这个例子里，观察的是——外来磁场和铁器对罗盘的影响，联想的是——用铁球（Q）来抵消外来磁场和铁器对罗盘的影响。

　　那么，在指南针（罗盘）发明和应用之前，人类是靠什么来确定方向进行航行的呢？人类最早的航行是在能看见海岸线的距离航行，当然，那时的船也主要是靠人为动力。随着船只性能的改善，人类有了远距离航行的可能性。

　　在太平洋，波利尼西亚人主要通过观察鸟类、星座、波浪和涌浪来确定附近的陆地。并用歌曲、神话故事和星图来帮助人们记住重要的导航信息。在印度洋和中国南海，人们主要通过季风来判断方向。在地中海，腓尼基人和迦太基人使用测深锤测量海水的深度来确定航船离海岸多远，而且测深锤还附有牛油，从海底吸附上沉积物来判断航线。古希腊海员利用夜晚观察大熊星座航行到了埃及。这些实际上都是观察与联想的例子。

　　在欧洲历史上有个著名的维京时代（大约790–1066），维京人的船到达过欧洲很多地方，甚至到达过北美洲。一个有趣的问题就是他们如何导航的。因为维京人是在夏天航行，北欧的盛夏日照时间特别长，因此维京人不可能利用星星导航，而只能利用太阳导航。那维京人是怎样导航的呢？

　　实际上，维京人常常沿北纬61度航行，这是从挪威到格陵兰的航线（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）。

图4.维京人沿北纬61度的航行（航线3）（图源：互联网）

　　在格陵兰岛南部，本世纪考古学家发现了一个木制的圆盘的残留部分（图9）和石器，圆盘上刻有直线和曲线。最后，科学家们确定这个木制的圆盘是日晷。

图5.考古发现的木制日晷（图源：互联网）

　　科学家们对考古发现的日晷进行了复原（图10）。复原的日晷上刻出的直线、曲线和细纹引起科学家们的兴趣，因此进行了立体复原。

图6.复原的日晷（灰色的部分是没有被考古发现的部分）（图源：互联网）

　　在中国，日晷是用来确定时间的。那维京人日晷上的直线和曲线有什么意义呢？最后的分析发现维京人用这种日晷来导航。如果沿北纬61度航行，维京人航行的时间是五月到八月，水平放置日晷，太阳影子从日出到日落是沿着日晷中的曲线移动，当太阳影子沿曲线移动时，直线指的方向是春分和夏至的坐标，而刻出的细纹指向北极的方向。这样维京人首先将日晷转动到太阳影子投在曲线的位置，再根据早晨、中午和傍晚进一步调整日晷的位置，最后细纹就指向北方。

　　在这个例子里，维京人观察的是——太阳在日晷上的移动，维京人联想的是——春分和夏至的坐标、北极的方向。科学家观察的是——破碎的木制圆盘，科学家联想的是——日晷和维京人沿北纬61度的航行。

　　但是，当冷空气经过温暖的海面时，水蒸气会形成所谓的“冻烟（frost smoke）”，也就是著名的“北极海烟（Arctic sea smoke）”，其高度可达几百米。在这种情况下，如果是太阳初升或日落西山，航海者的头上是晴空万里，而周围则是浓雾弥漫，根本无法辨别方向。另一种情况是乌云遮日的时候，这种情况往往持续几天。还有一种情况是在夏季，北纬60度，傍晚的太阳从地平线消失之后有长达1.5小时的暮光，而清晨太阳从地平线升起前也有长达1.5小时的曙光，也就是长达3小时蒙蒙亮的天，但没有太阳。维京人在这三种情况下怎样航行呢？

图7.北纬70度夏季的长达4小时的曙光和暮光。红色、橙色和黄色的球体表示太阳的位置，橙色代表曙光和暮光时的太阳位置（图源：互联网）

　　因此，1967年丹麦的考古学家兰姆斯库（Ramskou）提出一种假说（Ramskou T. Solstenen. Skalk 1967; 2: 16-17），认为维京人使用太阳石（sunstone）导航。因为，在十四、十五世纪冰岛的教会和修道院的纪录里，提到了太阳石。

　　2013年，人们在英国海峡群岛的奥尔德尼岛（Alderney）附近发现了一艘十六世纪沉没的战船残骸，在残骸中人们发现了太阳石。这就进一步给这种使用太阳石导航的理论提供了佐证。

　　太阳石是斜长石的一种，因其晶体中含有赤铁矿、针铁矿等红褐色片状矿物包裹体，对光反射而出现金黄色耀眼的闪光。在挪威、瑞典、美国和西伯利亚均有产出，多用来做珠宝饰品。但是，冰岛产的太阳石却与众不同。冰岛太阳石是碳酸钙的斜方六面体晶体，这种晶体内没有直角。

　　直射的太阳光不是偏振的光线，而折射的太阳光则是偏振的光线。因为我们的蓝天是太阳折射的光，因此是偏振光。这就是为什么用偏振镜照相可以遮住偏振的蓝光，增加相片的对比度。有趣的是冰岛太阳石的这种晶体结构导致双折射的光学现象，通过晶体观察的物体将出现双像。在旋转冰岛太阳石时，会发现一个像始终不变，而另一个像在改变。在没有太阳的时候，将太阳石水平旋转，当两个像完全一样时，太阳石的指向就是太阳的位置。就这样，维京人能够顺利地航行。

　　在这个例子里，维京人观察的是——太阳石产生双像的变化，维京人联想的是——太阳的方向。

　　四、光速的测量

　　最早测量光速的人是意大利的科学家，伽利略。伽利略的测量是利用二个人在夜晚站在二个山头上，第一个人向第二个人打光信号同时开始计时。当第二个人看到光信号时，立刻回复光信号，第一个人看到回复的光信号时，确定光的往返时间。我们知道光速很快，所以伽利略的这个实验并没有测到光速。但是从另外一个角度，这个实验证明光速很快。

　　第一个真正测量光速的人是丹麦科学家奥尔·克里斯滕森·罗梅尔（Ole Christensen Rømer，1644–1710），罗梅尔是天文学家，每天观测天体的运动。在太阳系的八大行星里，木星是有卫星的，比较重要的是木卫一（Io）、木卫二、木卫三、木卫四等。其中木卫一绕木星旋转一周的时间是42小时27分33秒。

图8.木星的卫星（图源：互联网）

　　也就是说，每隔42小时27分33秒，我们应该观测到木卫一从木星阴影中出现。科学家经过长期的观察，发现每年有一段时间木卫一从木星阴影中出现的时间越来越晚。最晚是晚多少呢？3分半！而每年另一段时间，木卫一从木星阴影中出现的越来越早。最早是早多少呢？也是3分半！

图9.丹麦科学家罗梅尔对木卫一运行规律的分析（图源：互联网）

　　罗梅尔在1676年对这个问题进行了这样的分析。在图9中A点是太阳，B点是木星，EFGHLK构成的大圆是地球围绕太阳进行圆周运动（那时人类已经知道地球围绕太阳运动，但运动的轨迹还是不清楚，因此罗梅尔在这里是按地球围绕太阳进行圆周运动来分析的），CD构成的圆是木卫一绕木星进行圆周运动。

　　木卫一离开木星阴影是D点，进入木星阴影是C点。因为木卫一绕木星一周的时间是不变的。所以罗梅尔得出结论，我们看到木卫一走出阴影越来越晚，是由于我们地球离木星越来越远的缘故，而这3分半的时间是由于地球在一年中从L点运行到K点的缘故，光也从L点用3分半走到K点。因为L点到K点构成了圆形的弦，如果知道圆的半径和圆心角，就可以算出弦长，再除以3分半就可以知道光的速度了。

　　由于种种原因，罗梅尔本人没有计算具体的光速，而是同时代的荷兰数学家惠更斯（Christiaan Huygens，1629–1695）在和罗梅尔通信后，用罗梅尔的数据估算出光速大约是地球直径的16.67倍。

　　在这个例子里，观察的是——木卫一的周期，联想的是——光的速度。

　　作者简介：吴光，1984年毕业于天津医学院，1992年在俄罗斯国立医科大学获医学博士学位。1992-2000在意大利乌迪内大学、日本国立水俣病研究所、法国马赛大学做博士后。2001-2002在瑞士巴塞尔Novartis药物公司任模型专家。2014年起任广西科学院研究员。