天文學(xué)的“朋友圈”

喬小海

通常來(lái)說(shuō)，天文學(xué)研究宇宙本身以及宇宙中的各種天體，其研究?jī)?nèi)容是隨著我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)而不斷深化的。在這一過(guò)程中，天文學(xué)和其他學(xué)科產(chǎn)生了各種各樣的交叉，形成了一個(gè)不斷發(fā)展、有趣的“朋友圈”。

“幼年”的天文學(xué)

遠(yuǎn)古時(shí)代沒(méi)有電燈和手機(jī)，沒(méi)有高樓和汽車，也沒(méi)有千萬(wàn)人口的超級(jí)城市。那時(shí)候的人們?nèi)粘龆?、日落而息，每天都生活在大自然中，他們看到頭頂壯麗的日月星辰，不禁會(huì)感到敬畏和好奇。敬畏使得太陽(yáng)、月亮等天體被當(dāng)成神靈一樣的存在；好奇則驅(qū)使人們記錄和研究這些天體的運(yùn)行規(guī)律。于是，天文學(xué)誕生了。

史前時(shí)期的天文學(xué)和神話、宗教等有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，最早的天文學(xué)家很可能是當(dāng)時(shí)的神職人員。英國(guó)著名的史前遺跡巨石陣是大約5000年前人們舉行宗教儀式的場(chǎng)所。關(guān)于巨石陣的具體用途，因?yàn)槟甏眠h(yuǎn)而眾說(shuō)紛紜。然而有一點(diǎn)是確定的，巨石陣中那些幾十噸重的巨大石柱并不是隨意排列的，而是具有天文觀測(cè)的功能，比如可以標(biāo)記春分、夏至、秋分、冬至?xí)r太陽(yáng)的位置?？梢娫诋?dāng)時(shí)，天文學(xué)和神話、宗教是一個(gè)“圈子”里面的朋友。

語(yǔ)言和文字的出現(xiàn)加速了人類的知識(shí)積累進(jìn)程。在長(zhǎng)期積累的天文觀測(cè)記錄中，人們逐漸發(fā)現(xiàn)了日月運(yùn)行的規(guī)律，這種規(guī)律可以用于預(yù)測(cè)未來(lái)的天象。對(duì)天象的預(yù)測(cè)不僅強(qiáng)化了天文在神話和宗教中的地位，也使得天文從高高的天上來(lái)到人間，天文學(xué)的“朋友圈”因此多了一個(gè)小伙伴，叫作“占星術(shù)”。占星術(shù)的英文單詞（astrology）來(lái)自希臘語(yǔ)，帶有“astro-”的前綴，而天文學(xué)的英文單詞（astronomy）也帶有同樣的前綴，這在一定程度上說(shuō)明當(dāng)時(shí)兩者之間的密切關(guān)系。在天文學(xué)的“朋友圈”里，有很多帶“astro-”這個(gè)前綴的名詞。

占星術(shù)的占卜語(yǔ)言也許可以含混模糊，但是河水泛濫和耕種的時(shí)間卻需要追求精準(zhǔn)。于是，數(shù)學(xué)也加入了天文學(xué)的“朋友圈”，從此，數(shù)學(xué)和天文學(xué)一直是形影不離的好伙伴。兩河流域的蘇美爾人發(fā)明了六十進(jìn)制的計(jì)數(shù)法，在天文學(xué)領(lǐng)域中與十進(jìn)制共同使用。我們現(xiàn)在可以簡(jiǎn)潔地用赤經(jīng)和赤緯的度數(shù)來(lái)說(shuō)明天體的位置，就得感謝蘇美爾人的這套計(jì)數(shù)方法。古代希臘人將幾何學(xué)引入天文學(xué)，他們發(fā)現(xiàn)大地是球形的，并計(jì)算了地球的大小。我國(guó)自古就是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時(shí)要有一套較為精確可靠的歷法體系。同時(shí)，中國(guó)傳統(tǒng)中對(duì)天象重視，也賦予了歷法和天文觀測(cè)科學(xué)以外的重要含義，使得制定歷法并預(yù)測(cè)日月食等天象成了中國(guó)古代天文學(xué)的重要任務(wù)。

受古代社會(huì)發(fā)展和觀測(cè)條件的限制，那時(shí)候的天文學(xué)有很多在今天看來(lái)是完全錯(cuò)誤但仍然很有意思的概念。比如，古代印度人認(rèn)為大地是由大象和巨龜馱著的，這兩種動(dòng)物在印度都有分布，大象的力大無(wú)窮和龜?shù)姆€(wěn)健長(zhǎng)壽，恐怕給古代印度人留下了深刻的印象。古代希臘人曾以為大地是漂在海上的圓盤，希臘在地中海邊上，航海業(yè)至今仍很發(fā)達(dá)，因此古代希臘人對(duì)海有感情就不奇怪了。古代中國(guó)人顯然對(duì)大象或者大海沒(méi)有什么感覺，而是相信天圓地方，還把這種觀念運(yùn)用到了銅錢鑄造上。

由此可見，不同文明的天文學(xué)發(fā)展方向會(huì)受到該文明所處地理環(huán)境、文化和哲學(xué)等因素的影響。雖然不同的文明對(duì)地球有不同的理解，但是有一種觀念在不少文明中都出現(xiàn)過(guò)，那就是“地心說(shuō)”，或者說(shuō)以自我為中心的觀念。古時(shí)候的人們以為，地球甚至以為他們生活的那片地區(qū)就是整個(gè)宇宙的中心，滿天的星斗被看作天空中的裝飾品，或者是可以預(yù)測(cè)吉兇的工具。古代希臘人利用他們的幾何專長(zhǎng)，發(fā)明了一整套本輪、均輪體系，來(lái)解釋日月星辰相對(duì)于地球的運(yùn)動(dòng)，這套體系在西方的影響延續(xù)了上千年。

拉起科學(xué)的小手

到了近代，人們的活動(dòng)范圍越來(lái)越大，對(duì)宇宙的認(rèn)知也越來(lái)越深。人們逐漸意識(shí)到地球不是宇宙的中心，宇宙的其他部分也遵循著和地球一樣的物理規(guī)律。于是，物理學(xué)加入了天文學(xué)的“朋友圈”，從此天體物理學(xué)成了天文學(xué)的主力軍，并一直延續(xù)到現(xiàn)在。

1666年，著名物理學(xué)家艾薩克·牛頓使用三棱鏡將太陽(yáng)光分解為七彩光帶。1802年，牛頓的同胞威廉·沃拉斯頓通過(guò)使用狹縫，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)的這種七彩光帶中有一些暗線存在，后來(lái)德國(guó)物理學(xué)家約瑟夫·馮·夫瑯禾費(fèi)對(duì)幾百條暗線進(jìn)行了認(rèn)證和編號(hào)?，F(xiàn)在我們知道，棱鏡折射出來(lái)的七彩光帶其實(shí)就是太陽(yáng)的連續(xù)譜，光帶上的暗線是太陽(yáng)連續(xù)譜中的吸收線，又叫作“夫瑯禾費(fèi)線”。

此時(shí)的物理學(xué)也沒(méi)有閑著。物理學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里燃燒氣態(tài)、固態(tài)等狀態(tài)的物質(zhì)，并記錄它們的光譜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同種類的物質(zhì)會(huì)有不同波長(zhǎng)的譜線，而譜線是吸收線還是發(fā)射線，與物質(zhì)的狀態(tài)有關(guān)。于是，通過(guò)和實(shí)驗(yàn)室中已知物質(zhì)的光譜進(jìn)行對(duì)比，兩位德國(guó)物理學(xué)家古斯塔夫·基爾霍夫和羅伯特·本生發(fā)現(xiàn)了夫瑯禾費(fèi)線的奧秘，原來(lái)這些暗線是太陽(yáng)上元素的“指紋”，通過(guò)這些線索我們可以不用飛到太陽(yáng)上，就能知道這顆恒星含有哪些元素。

另外，元素周期表上排第二的氦元素就是首先在太陽(yáng)上發(fā)現(xiàn)的。1868年，法國(guó)天文學(xué)家朱爾斯·簡(jiǎn)森和英國(guó)的諾曼·洛克耶爾通過(guò)觀測(cè)太陽(yáng)日珥，各自獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了陌生的黃色譜線，該譜線與當(dāng)時(shí)已知的地球上的元素都對(duì)不上號(hào)。后來(lái)才知道這就是氦，它的名稱Helium在希臘語(yǔ)中是“太陽(yáng)”的意思。

到了現(xiàn)代，通過(guò)光譜研究遙遠(yuǎn)天體的化學(xué)組成已經(jīng)成為天體物理學(xué)研究中的家常便飯。天文學(xué)和物理學(xué)分享了關(guān)于宇宙中元素豐度和核合成的有趣知識(shí)。宇宙大爆炸之后，宇宙中基本只有氫和氦；第一批恒星誕生之后，通過(guò)恒星核心的聚變反應(yīng)將氫合成為氦、碳、氮、氧、鎂、鈣、鐵等重元素；在恒星演化末期的各種爆發(fā)中，這些元素被拋灑到宇宙中，中子星合并等高能天體物理過(guò)程則造就了金、鉑等元素。這些元素不僅讓元素周期表變得更長(zhǎng)，還形成了地球和地球上的智慧生命。我們能夠在這里讀雜志，還得感謝在億萬(wàn)年前合成重元素的那些恒星。

不久前，天文學(xué)還給物理學(xué)送了一份小禮物，說(shuō)起來(lái)這其中還有地球科學(xué)的參與。早在20世紀(jì)初，人們就發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)對(duì)地震波的測(cè)量來(lái)確定地球內(nèi)部的構(gòu)造。半個(gè)世紀(jì)之后，這種利用波動(dòng)探測(cè)內(nèi)部的技術(shù)被用到了太陽(yáng)上，這就是日震學(xué)。我們看到的圓圓的太陽(yáng)只是它的光球部分，光球以下的太陽(yáng)內(nèi)部是不透明的，也就是說(shuō)，我們沒(méi)法直接探測(cè)那里的光，就像我們看不到地球內(nèi)部一樣。好在太陽(yáng)上也有波，于是日震學(xué)利用在太陽(yáng)光球上測(cè)到的波，來(lái)計(jì)算太陽(yáng)內(nèi)部的物理狀態(tài)。這種方法相當(dāng)成功，以至后來(lái)發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)中微子數(shù)目比預(yù)期的少很多時(shí)，日震學(xué)方法可以讓天文學(xué)可以很有底氣地對(duì)物理學(xué)說(shuō)：“問(wèn)題不在我這里，你自己再找找看吧?！弊詈螅锢韺W(xué)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題還真出在自己這里。原來(lái)當(dāng)時(shí)對(duì)中微子物理性質(zhì)的認(rèn)識(shí)有誤，在發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩之后，問(wèn)題得到了解決。發(fā)現(xiàn)者梶田隆章和阿瑟·麥克唐納也因?yàn)椤霸诹Ｗ游锢眍I(lǐng)域開辟了新的疆土”，獲得2015年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

激增的“新朋友”

在21世紀(jì)的今天，仍然有人會(huì)在夏至和冬至到巨石陣舉行文化活動(dòng)，也仍然有人相信星相命理，喜歡談?wù)摗八妗保翘煳膶W(xué)已經(jīng)不再是當(dāng)年那個(gè)跟占星術(shù)玩過(guò)家家的小孩子了。

現(xiàn)代天文學(xué)不再僅僅滿足于坐在自家后院看星星，而是發(fā)射飛船去進(jìn)行天體探測(cè)。有的飛船傳回了近距離的天體特寫照片，有的甚至實(shí)現(xiàn)了登陸，采樣并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析或者送回地球。現(xiàn)代天文學(xué)還建造了開普勒空間望遠(yuǎn)鏡和凌星系外行星巡天衛(wèi)星這樣的專門儀器，去探測(cè)太陽(yáng)系外面的行星，尋找地球的遠(yuǎn)房親戚。這樣一來(lái)，不僅行星科學(xué)這一分支正在蓬勃發(fā)展，其他學(xué)科也紛紛發(fā)來(lái)“添加好友申請(qǐng)”。有了實(shí)地采集的樣本，還有觀測(cè)到的圖像，天文學(xué)和化學(xué)可以聯(lián)手仔細(xì)分析，看看在宇宙中原子是如何變成分子的，這就是天體化學(xué)要做的事。對(duì)于一些天體表面的奇特地形，地質(zhì)學(xué)可能很想搭天文學(xué)的便車去考察一下，這個(gè)方向被叫作“天體地質(zhì)學(xué)”。隨著在太空深處發(fā)現(xiàn)了各種有機(jī)分子，生物學(xué)迫不及待地想要找天文學(xué)討論茫茫宇宙中外星生命的問(wèn)題，于是就有了天體生物學(xué)。

在我們自己的星球上，地球科學(xué)的研究已經(jīng)向上發(fā)展至外層大氣，天文學(xué)研究則從太陽(yáng)等天體擴(kuò)展至星際空間，于是天文學(xué)和地球科學(xué)在太空勝利會(huì)師了。新興學(xué)科空間天氣研究的是從太陽(yáng)大氣到地球大氣的廣袤空間，比如，太陽(yáng)大氣中的耀斑事件，可能會(huì)導(dǎo)致地球電離層中電子密度的變化；太陽(yáng)大氣中磁化等離子體的拋射，可能導(dǎo)致地球磁場(chǎng)的變化?？梢?，天文學(xué)的研究?jī)?nèi)容也是隨著人類的不斷探索而深入的，當(dāng)人類開著飛船進(jìn)入星際空間，平時(shí)出門要關(guān)注的天氣預(yù)報(bào)自然就變成了空間天氣預(yù)報(bào)了。和土地、海域一樣，空間作為一種資源，也引起了法學(xué)的關(guān)注，于是有了“空間法”的概念。

現(xiàn)代天文觀測(cè)數(shù)據(jù)的劇增使得數(shù)學(xué)有了新的用武之地，統(tǒng)計(jì)學(xué)被派來(lái)和天文學(xué)討論，內(nèi)容是如何對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果產(chǎn)生了天文統(tǒng)計(jì)學(xué)。至于計(jì)算機(jī)科學(xué)，很早就成了天文學(xué)的好幫手。不論是綜合孔徑、主動(dòng)光學(xué)、自適應(yīng)光學(xué)等觀測(cè)技術(shù)，還是宇宙學(xué)數(shù)值模擬、日震學(xué)計(jì)算、行星際激波傳播等計(jì)算分析，都離不開計(jì)算機(jī)的支持。這樣一來(lái)，各大天文臺(tái)招收計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生也就不足為奇了。

現(xiàn)代天文學(xué)的“朋友圈”是如此熱鬧，就連歷史學(xué)和考古學(xué)也發(fā)來(lái)“邀請(qǐng)函”，請(qǐng)?zhí)煳膶W(xué)利用天體力學(xué)計(jì)算和考證古代觀測(cè)記錄、歷史事件的精確年代和真實(shí)性，這個(gè)新學(xué)科叫作“考古天文學(xué)”。如果相關(guān)的事項(xiàng)涉及法律事務(wù)，那么就該由法醫(yī)天文學(xué)出場(chǎng)了。據(jù)說(shuō)林肯當(dāng)年就用月相知識(shí)，說(shuō)明證人不可能利用月光分辨出人的面孔，從而打贏了官司?，F(xiàn)在，天文學(xué)家利用月球的運(yùn)動(dòng)規(guī)律確定了著名畫家文森特·凡·高一幅畫作的具體日期，這幅名為《初升月亮下的麥垛》的畫，描繪的是1889年7月13日晚上9點(diǎn)08分的法國(guó)鄉(xiāng)村美景。

在將來(lái)，如果真的發(fā)現(xiàn)了外星生物或外星智慧生命，那么哲學(xué)、倫理學(xué)、軍事學(xué)、政治學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等學(xué)科可能會(huì)擠破頭地想要跟天文學(xué)搭訕，那時(shí)天文學(xué)的“朋友圈”怕是要被擠爆了。