第一章地球

当今的人们爱活动，凡是能外出旅游的人都尽量出游。有些幸运者可能已去过欧洲之外的地方旅游（甚至周游过世界），欣赏过各地风光美景。好，现在我们则开始进行一次别开生面的、有史以来最漫长的旅游——在空间遨游。我们漫游（或者假装漫游）太空时，我们的地球看上去就像太阳光线中的一粒尘埃；整个宇宙的历史是如此久远，使我们感到人类的历史简直发生在钟表的“滴答”之间。而一个人的一生，不过转瞬而已。

当我们穿越太空时，我们要设法描绘一幅现在宇宙的图画——浩瀚无边，令人难以置信；空旷寂寥，使人颤栗。在那极端的沉寂中，我们难得有机会碰上冰冷的、毫无生气的物质的微小颗粒；在更罕见的情况下，会遇上熊熊燃烧的气态的球——我们称之为恒星，——只有这些景象聊以慰藉我们感到孤独、荒凉的心灵。大多数恒星在太空中独来独往，但是我们也会时而遇上个被行星家族环绕的恒星，它得用自己的光和热使那些行星光明、温暖。然而，这些星体很少有像我们的地球这样，它们中的绝大多数跟地球是截然不同的，我们无法描绘它们的景致，也无法想像它们的物理条件。

当我们在时空漫游时，我们将把瞬间画面延伸，像电影胶片一样，不仅展现宇宙的现在，而且还展现宇宙的过去和未来。我们将把天空看成是100 万年前的、10 亿年前的，甚至是万亿年前的。我们将观看广袤的星空。星星的数量之多就像沙滩上的沙粒，它们在那里诞生、成长直至死亡，就像一场大戏里的一个微不足道的情节。我们将观察一颗不起眼的沙粒—— 太阳——在混沌初开之际的大动荡中破碎成小块，最后在其周围形成了一家子行星。我们将观察这个家族中的较小者——地球。在开天辟地之初， 我们的地球是个高温的气态球，逐渐冷却，最后终于成为适于生命繁衍的摇篮。我们将看到生命的诞生。人类出现后占据着空间一席之地，他们瞪着惊恐的双眼，看着这个孕育其生命的陌生世界，繁衍生息；他们怀着莫名其妙、或许是迫不及待的心情战战兢兢地注视着未来。

在我们动身作漫长的旅行之前，让我们先关注一下我们在这个空间的家园——地球，从中我们能获得大量知识。这对我们的旅行将大有益处。我们知道，地球是球形的，我们可通过周游世界时标出我们的足迹以了解这一点，也可以通过观察船越过海平面时的情景了解这一点，还可以通过观察月食时地球在月球上的影子的形状来判明这一点。听起来，做到这一切似乎轻而易举。殊不知人类在这个地球上住了几十万年之后，才有了足够的智慧懂得这些道理。时至今日，仍然有人在错误的思想影响下，认为

大地是平的。古希腊人，包括荷马人，认为大地是平的，像个圆盘。那些海洋绕着圆形大地流动。他们认为海洋都是些河流。天空是圆穹，像个盘子盖在盘子上那样罩在大地上。公元前 570 年左右出生的毕达哥拉斯可能是第一个认为大地是球形的人。

我们还知道地球在旋转。日复一日，夜复一夜，我们总看到太阳、月亮和星星从东方升起，缓缓地漂过天空，在西方落下。自从人类有了智慧曙光以后，想必已经注意到这一现象。只要人类认为大地是平的，那就很容易把天空想像成一个大圆穹顶绕着大地转，而不会想像成大地在大圆穹顶下面旋转。毕达哥拉斯虽然认为地球是球形的，并在宇宙中漂浮着，但他也没有想到地球会在星空之下旋转。他认为地球是宇宙的中心，是静止的，那些日月星辰都附在那个大天球上围绕着地球从东转到西。就我们所知，邦徒司的赫拉克莱第斯（大约公元前 388—315）是明确指出地球在自转的第一人。由于地球自转，使得星辰看上去好像在天空运动。

我们能毫无困难地证明我们自己在星辰下运动，而不是星辰在我们头上运动。我们现在都开汽车，都熟悉物体有一种属性，我们把它叫做“惯性”。大约在公元 100 年左右，普卢塔克曾这样描绘它：“一切物体在没有外力干扰时都会保持自身运动”。1500 年后，艾萨克·牛顿又重新为物质的这一特性下了定义。他说，任何物体在没有外力影响时，都保持其静止状态或保持直线匀速运动。当汽车在快速行驶时，我们把发动机停下， 汽车并不立即停止运动，汽车的冲力还会使汽车跑一段距离。要想使车停下来，我们就得踩车闸，或者让地面的摩擦力或风的阻力使汽车慢慢停下来。不仅是一切物体，而且任何物体上所有部分似乎都有保持现有运动状态的倾向。只有用力拉一下，强迫它改变，运动方式才能有变化。如果我们转动汽车的方向盘，我们能使车的底部跟着前轮运动，但是车的上部似乎要继续先前的运动路线。因此，如果我们猛转方向盘，我们知道是危险的，汽车会倾翻。或者当路面积冰或泥泞时，汽车轮子就“抓”不住路面， 汽车的后部就会继续先前的运动方向。这样一来，汽车后部就会甩出。在穿越时空的旅行中我们会常常遇上这个惯性问题。

这一点眼下对我们很重要，因为它给我提供了非常简单、最有说服力的证据，证明地球在转动。如果我们在绳子的一端拴个球或其他重物，使它像钟摆那样摆起来。这时我们会发现，不管绳的上端如何缠绕，重物始终在空中沿着相同的方向摆动。就像不能通过缠绕绳子的顶端来控制重物在空中的摆动方向一样，我们也无法用方向盘来控制冰面上的汽车轮子。现在我们架设一个大摆锤，让它朝一个确定的目标摆动，例如朝向一

个教堂的塔尖。我们想让这个摆锤摆得时间长一些，我们就得把一个很重的物体挂在高高的屋檐下。在做这个试验时，如果摆锤太轻，它很快会因为空气的阻力而停摆。如果地球在空间是静止的，我们的摆钟自然会继续朝教堂塔尖摆动，一直摆到空气阻力使它停下来。但是实际情况并非如此。

我们发现摆锤偏离那教堂越来越远。摆锤原先摆动的实际方向是不会改变的，因此我们可以得出结论：移动位置的只能是教堂。情况果真如此。地球的转动使教堂与地球一块移动。

现在让我们开始旅行。先到北极去，并且带上我们的摆锤，到那里再做一次试验。咱们不看陆地，只注视天空，让这个重锤朝着天空某一颗星星摆动；如果我们选定大角星（牧夫座α星），那么摆锤就会一直朝着大角星摆来摆去。这就证明大角星在天空的位置一直不变。如果此时我们低头看地面，就会发现地球表面移动了，而我们摆锤的摆动方向却没有移动。地球转动的速度是每 24 小时转 1 周，——说准确点，是 23 小时 56 分 4.1

秒转 1 周。在其他纬度做这个试验就没有这么容易了，而且既不好解释， 也不容易描述。

这个试验就是众所皆知的博科摆实验。在 1852 年，这位法国物理学家当众做了这个试验。他把大摆锤悬挂在巴黎万神殿的大圆穹顶上，有数千人现场观看。当他们看到大摆摆动的方向与殿内墙壁的位置相对变化时， 许多人惊叹他们能够感觉到他们脚下的大地在转动。

惯性原理还提供了第二个、但不那么直接的证据，证明地球在转动。我们英国人已经习惯了我们天气的瞬息万变，殊不知在地球的其他地区有的气候几乎不变。赤道附近的天气一向很炎热，当风刮过这一地区时，空气受热上升，就像在一间热房间或烟囱里的热空气往上运动一样。同样， 当风刮过北极和南极地区时，空气受冷下降。

如果地球根本不转动，在赤道上受热的空气与在两极受冷的空气就会使整个大气持续不断地进行南北流动。在两极地区空气受冷下降，紧随其后的下降的空气造成的压力，使这股冷空气沿地球表面向赤道地区移动； 在赤道地区这股空气受热上升，在上空向两极地区移动。这种循环是确实存在的，但是却被地球旋转所造成的更为复杂的现象给掩盖了。

地球在旋转，同时也带动整个大气的循环体系一起旋转。但是循环中的空气不能总跟上固体地球作同步旋转，有滞后现象。在挪威的某座山或某一地区，围绕地轴旋转的速度大约每小时 500 英里，而赤道附近的某个

地方，每小时旋转速度大约 1000 英里。地球转动时，摩擦力使地球表面的

空气随地球运动，但是速度一般每小时在 500 英里至 1000 英里之间。与此同时，空气又从挪威向赤道方向运动。地球上的山脉和地表面还不可能把全部空气带起来随地球同时旋转，空气总要多多少少滞后一点，这就像汽车上的离合器在没有咬合好、车轮的转速跟不上发动机的转速一样。当我们感到空气滞后时，就会有东风出现。

季风，这种赤道两侧由东向西刮的风，就是这样产生的。如果地球不转，就不会有这种季风。因此，季风也提供了地球旋转的证据。向西航行比向东航行要容易，因为向西航行时，我们周围空气的阻力使我们没有完全随地球同时运动。在往东航行时，我们要克服地球转动造成的更多的困

难。

在赫拉克莱第斯解释了地球的旋转之后，亚历山大的埃拉托色尼用精湛的技艺成功地测量了地球的大小。他和同时代的大多数人都认为与地球的宽度相比，从地球到太阳的距离要大得多。那么，如果大地完全是平的， 太阳就应当同时处在所有地方的正上方。他发现实际上并非如此。当太阳在西印（今埃及的阿斯旺）的正上方时，却不在亚历山大的正上方。亚历山大在西印以北 5 000 斯塔德（1 英里=10.14 斯塔德）。因为太阳光在这两个地方不能出自不同的方向，所以他认为“正上方”的说法肯定有区别。事实上他发现这两地阳光方向的差距是圆周的 1/50，即 7.2 度。当太阳处于西印的正上方时，在亚历山大，阳光却偏离正上方天顶 7.2 度。于是他

得出结论说两地间地面的弧度是 7.2 度。或者用我们今天的话来说是两地

间纬度相差 7.2 度（脚注①：实际上两地的纬度相差 7 度 7 分）。简单的计

算表明地球的准确周长想必是 5 000 斯塔德的 50 倍，即 25 万斯塔德。埃

拉托色尼把这个周长修正为 25.2 万斯塔德，大约相当于 24 662 英里。地

球的实际周长南北向测量为 24 819 英里，而赤道的周长为 24 902 英里。我们看到埃拉托色尼的计算结果的误差小于 1/100。

咱们再举个例子来说明一下惯性原理——任何物体在不受外力作用 时，都保持直线运动。我们用一根绳拴个重物，然后抡起来。这时绳突然断了，这个重物马上按切线方向飞出去。线断了，但是做圆周运动的重物的惯性使重物沿直线方向继续运动。在绳断之前，肯定有什么东西拉着这个重物使它保持圆周运动。当然，拉重物的是这根绳。

现在地球赤道上的物体所处的位置就像绳上的重物一样，地球带着它们每 24 小时转 1 圈 24 902 英里，时速在 1000 英里以上。按惯性原理，假如没有什么因素阻止这些物体，或拉住它们，它们本应当沿切线方向飞入太空。

• 图 1 埃拉托色尼发现当阳光垂直照在西印时，在亚历山大阳光却偏离垂直方向 1/50，即 7.2 度。他得出结果：地球的圆周是西印到亚历山大的 50 倍。

我们这里所说的那种因素叫做地球“引力”。这个引力拉住我们的身体，使我们想跳也只能跳几英尺高。当然喽，这个力也同样拉住地球上的所有其他物体。但是，这种引力也并不是万能的。物体作圆周运动时速度越快，需要拉住它的力就越大——这就像我们用绳抡重物转圈一样，抡得越快，我们感到绳的拉力也就越大。地球的引力能轻而易举地拉住时速在1000 英里以下的运动物体。但是，如果物体运动的速度再快些，地球能控

制住物体的机会就少多了。如果地球突然加速，以 17 倍于目前的速度旋转

① “脚注”表示英文原版中此类注释采用的是页下注的形式。本书中则将大部分原有脚注改用文内夹注形式，并加“脚注”二字。

——85 分钟转 1 周，地球对物体的控制将完全消失。到那时的景象将令人目瞪口呆：赤道上和赤道附近地面上的物体将沿切线方向飞入空中；当然， 大气和海洋也将相伴相随，一起升空。地球上的万物就像沾在自行车轮子上的水滴一样，轮子转得慢些，什么事也没有；一旦轮子飞转起来，轮子上的水珠将飞离轮子，一去永不复返。

就实际情况看，赤道上的物体还远未到被甩入空中的程度，但是肯定有这种倾向。例如赤道上的人不费太大的力气就能跳过 6 英尺，比在其他

地区要省劲得多。因为地球每小时 1000 英里的转速帮助他克服了一点地球引力。正因为如此，在不同纬度创造的运动记录并不严格一致，因此靠近赤道会对记录有影响。

我们可以看到证明这种倾向的进一步的证据。地球本身在赤道一带是凸出来的。这就是为什么人们常说地球像个橘子一样，是扁平的。但事实上地球的最长直径比最短的直径只长 27 英里，相差 1/300。——这样的橘子看上去是相当圆的。尽管地球扁的程度微乎其微，但是我们很快就会看到某些行星旋转得很快，一眼就能看出它们扁得很明显。再往后我们在旅行中还会看到另一类天体，它们转得非常快，它们赤道上的物体实际上被甩进太空了。

我们的地球不仅像个橘子有点扁，而且表面粗糙高低不平，有高山有峡谷。但是这样描述容易夸大地球表面凹凸不平的程度。如果按正确比例来画，地球上得有 50 英里高的山脉，画图时才能画出来。实际上地球上最

高的山峰珠穆朗玛峰也不到 5.5 英里高。在一个直径为 12 英寸的地球仪

上，重叠一层纸就代表大约 7 英里的高度，反映的高度比地球上实际出现的高山还高。考虑到各种情况，地球确实是个很完美的球体，比橘子可圆多了、光滑多了。把地球比成橘子，从第三方面来看也不恰当。地球上的山脉的形成并不规则，不像橘子皮上的小疙瘩那样均匀；山脉实际上是不规则的，像干瘪苹果上的褶，横七竖八的。说来巧了，这后一种比较还挺真实，因为地球上的山脉实际上是地壳收缩褶皱形成的；它们的存在跟干缩苹果皮上的褶如出一辙。关于这些问题，恐怕我们不能充分理解，我们得在时空方面探索更多问题——上溯开天辟地，下入地球内部，探索地球形成发展史，——此后我们才能对地球有个比较深刻的了解。

我们如何来探索地球内部呢？当然喽，我们可以挖个坑，就像开矿找煤那样，或者可以像钻井探油那样。但是，这样的方法都不可能使我们进入地球的中心。钻孔采油，只能到达地下 8 000 英尺深度，而挖煤却只到

一半——4 000 英尺。人类打的最深的洞只相当于在苹果皮上扎个小坑， 我们根本无法进入地心。

就是因为这个原因，直到最近，我们对离我们最远的星辰状态的了解都要比我们对脚下数英里深的地球内部的知识要多。不要惊奇，事实确实如此。然而新兴的地震科学却向我们展示了比现在的矿井要深上数千倍的

地球内部——差不多就是地球中心的情形。

有种种迹象表明地球内部的压力永远在变化，地球的结构也永远在逐渐地变化以适应这永远变化的压力。但是有时候地壳的这种逐渐的变化跟不上或顶不住地下压力的剧变，地壳就突然崩开，地动山摇——发生地震。

当地震爆发时，震波从破裂处向地球的各个方向传播，就像向池塘水中投一石子，波纹从石头在水面的撞击点向四面传播而传遍池塘一样。当这种震波在地球表面出现时，它们带有大量关于震波从地球内部向地表传播的长途中所遇到的地质状况的信息。因此，这些震波将由分布在世界各地地面上数百个地震台或观察站记录下来，供科学家们研究。这些地震台

（站）每年都要记录下世界各地的数百次地震。幸运的是其中大多数的震动轻微、对生命和财产都不会造成损失。这种地震要不是因为有灵敏的地震仪，根本就观察不到。

图 2 显示了这种仪器的基本部分。它包括一个长臂或水平摆，它可以在一个垂直的枢轴上自由摆动。这个立轴又以某种方式与地面上的岩石或泥土地连起来。当地面震动时，震波就随之而来，使枢轴震动，也就使水平摆开始摆动。在水平摆的远端有一枝笔，这枝笔在移动的纸上自动记录下震动波形。需要有两台这种仪器同时工作，一个水平摆南北向，另一个东西向。如果只有一台仪器，这个水平摆就不能记录它所指的那个方向上传来的震波。

如果要使这种仪器更准确地测量，水平摆的悬吊必须非常精密、敏锐。但是，这样一来地面上的一切震动都记下来了，不论是什么原因造成的。例如，它能如实地记录下过往火车、公共汽车、卡车所引起的震动。如果观测者不想被这些现象所迷惑，想排除干扰，他最好把地震仪安装在安静的地方。但即使这样，观察者还会发现海浪拍击岸边会使整个海岛震动， 从而使地震仪震动。因此，远离海边的内陆观测者凭记录也可知道海上是波涛汹涌还是风平浪静。在印度克拉巴地震台获得的记录图形的变化跟孟加拉湾和阿拉伯海的情况有直接关系。1000 英里之外的暴风雨也能被记录下来。因此，人们曾试图用地震仪来预测龙卷风和季风。

对于有经验的观测人员来说，区分上述种种情况造成的地表局部震动与地震造成的整个地球的震动并不困难。图 3 显示了地震仪的部分记录。第二行右边的大波形记录的是实际的地震，其余的小波线都是原因不明的小震动造成的。

当地震仪记录到地震波时，不同的地震台都记下震波到达的时间。根据各地震台间所记录的不同时间，可以算出震波在地球表面传播的速度。如果地球内部的结构和组成成分是规则的、相同的，那么地震波的传

播速度就应当是一样的。实际上地震工作者发现地球深处的震波传播速度比地表震波的传播速度要快得多。另一方面，在同一深度的地震波传播的平均速度也是一样的。不论传播方向是南北向的、东西向的，还是其他方

向的，无论是大陆地下传播还是在洋底传播，不管是在新大陆的地底下还是在旧大陆的地底下，同一深度的震波传播速度都一样。这表明地球内部在同一深度的构造、物质的构成大体相似；而深度不同，情况就可能不一样。

在■图 2 地震仪的主要部分。地球内部垂直的震动波传到砖结构中， 使两个水平摆作小角度摆动。这种微弱的摆动经机械杠杆加以放大、记录。

■图 3 地震仪的部分记录。第二行右侧的大波纹记录的是一次相当强烈的实际地震，其余的小波纹都由原因不明的震动所造成。

这样一来，我们可以认为地球内部就像个洋葱头一层一层相互包裹起来成球形，或者我们可以想像地球像个裹了许多层的大圆包裹。

发生地震时，大多数观察到的、感觉到的震波可能造成损失。沿地表

（即地面）传播的震波被称为“面波”。除此之外，还有两种明显的震波在地球深层传播。一种叫“P 波”或“初波”，这种波纵向运动；另一种叫“SP”或叫“次波”，是一种横向运动的波。液体或气体都不能传播横向震波，因此横向震波只能在固体中传播。实际上后一种震波在地球内部到处传播，只有一部分区域，即地核部分除外。地核大约是个直径为 2 200 英里的圆球部分。这样，我们就可以有把握地说：整个地球除了地核部分外，都是固体。地核不是液体就是气体，或者还有一种我们所不了解的物质状态。看起来地核很可能是一种很重的液体，其密度是水的密度的 10

倍或 12 倍。这种液体的主要部分很可能是铁熔液，可能还混有镍。很可能像地质学家们认为的那样，它的化学结构跟常常落在地球上的陨石类似。事实上，这种陨石的密度通常并不一定是水密度的 10 倍或 12 倍。但是， 我们通常不可能在很高的压力下看到它们，而地心的压力肯定非常高，因为它要支撑地球大部分重量。粗略的计算表明，地心每平方英寸的压力大约在 7 500 吨左右，这相当于大气对地球表面的压力的 100 万倍。地心的

压力可能更高，达到每平方英寸 1 万吨。

我们可以把地核当成我们的包裹。这第一层大约有 1700 英里厚，通常称之为“地心圈”。在这一圈，两类地震波都能传播，这表明它是固体， 比钢还硬。即使在地心圈内部，地震波传播的速度也不是均衡的。如果把地球作为一个整体看，在地球深处地震波能快速传播，表明较深层的物质比浅层的物质要硬。在地心圈内部，可能有这种现象存在：最深层的铁、镍等重物质会逐渐变成像构成地表岩石那样的较轻物质。

地心圈延伸到距地球表面大约 50 英里处，因此剩下的这几层相对要薄一些。科学家认为，这几层所含物质是岩石类的，因此被称为“岩石层”。地震学家探测出有明显的三层，而地震波在这三层地质结构中传播的速度和方式都不同，这至少为研究岩石层的结构提供了某种迹象。地质学家们对最深层的情况没有取得一致意见，但是对中层和上层的结构取得某些共识。一般认为中层可能含玄武岩，上层几乎肯定含花岗岩。

图 4 是地球内部结构图，是按地震学资料描绘的。地球的核心部分及我们上文描写的地心圈各层构成地球的基本的永久性部分。如果我们把地球看成是个苹果，那么苹果核就是地核，果肉就是地心圈，果皮就是岩石层。这样画出来的地球结构图不会太不合比例。除了这几层之外，外面可能会偶然地、暂时出现性质多变的别种地层。我们不妨把这些比作苹果皮外面的尘土、雨水。

首先看苹果皮上的“尘土”。这是地球表面被称为“沉积层”的地层。沉积层可能有若干层，它们的整个厚度各地区相差很大，从数英里到零， 因为有些地区岩石层的花岗岩层几乎露出地表。

其次看苹果皮上的“雨水”。这是地球表面的海洋，其深度从最深 5 英里到零不等，因为大洋中也有露出水面的陆地。

最后看地球表面的外层——大气层。它包括两层，一层叫“对流层”， 另一层叫“平流层”或者“同温层”。我们将在第二章对此详细讨论。

• 图 4 根据观察到的地震波形想像出的地球内部结构图。地球表面最高的山峰，只相当于岩石层的 1/10，因此肯定比图中最外面的线要细。最外面那条线可代表地球表面。

我们知道地表薄层有许多不同的物质。一般来说，深层所含物质比浅层所含物质要重，就好像重物质沉到地球深层、而轻物质浮到上面似的。但是，这种分离远不那么泾渭分明。一些已知的最重的物质，如铅、水银、金等也能在最外层发现。

后面我们将看到在盘古开天地之时，地球如何从一个很可能是一大团灼热的气体开始其一生的。地球是在一场大灾变中诞生的，当时很可能是个天翻地覆的混沌世界，各种物质都搅混在一起，但有的并未完全化合。后来平静下来了，大动荡停止了，较轻的物质开始逐渐往上浮，较重的物质逐渐往下沉，有的沉到地核里。

在此期间，地球的温度一直在下降，直到液化，最后出现固体。当地球某一部分成为固体后，这一部分内部的各种物质就不能再上升或下沉

了，于是就在一块固体物质内固定下来了，从此就永远固定在这个位置了。从地壳上和地球内部轻重物质的分布情况来看，当初的分离进行得相当不错。当然还没等彻底分离开，地球就已经固体化了。

地球最外面的几层因为已经没有保温层了，所以冷却得最快，因此是最先固体化的。这样一来，地球就是由硬外壳包着内部较软、较热的气体和液体，——就像个肉馅饼，骗人的较凉的外皮里裹着的馅仍然烫得无法下嘴。就像把馅饼放在一边让它凉着一样，地球也有一段漫长的时间使内部几层也慢慢冷却下来，同时也收缩。因为大多数物质，特别是气体，遇冷都要收缩。

普通馅饼的皮完全可能承受住馅饼的重量，但是当馅有数百万吨重 时，那普通的硬皮就不行了。地球的外壳想必也有过类似的情况。内部的

几层冷却收缩后便脱离开地壳表层，并且不再支撑地壳的重量，于是地壳就塌陷到内部的层面上寻找支撑物。在这个过程中就出现这样一个问题： 在物体表面固化并停止收缩的情况下，如何才能进一步变小？解决的办法只有一个：发生褶皱，就像一个苹果那样，时间一长，苹果柔软的果肉和核就要收缩，于是苹果皮就起褶皱。图 5 显示的是地球表面几乎成垂直状态的褶皱使得页岩和石灰岩破碎。那一层层破碎的原始岩石想必也是这种地球运动的结果。

地球这种方式的运动形成了高山和峡谷。这个过程还没有完全停止， 地球表面仍在慢慢地变动，那里隆起，这里下陷，不断出现新的增高和新的下降。有时会有地震造成的突然滑动，这在前文已经讨论过。有时正在下陷的地壳和已经下陷的地壳会对地球内部的热的物质造成压力，迫使它沿着裂缝上升，直至喷出地面，像火山、油井、温泉和间歇泉等。这种情况在地球的早期历史中肯定进行得更为激烈，在目前地质状态中留下了当年火山运动的痕迹。因为有很多山脉有证据证明它们是当年火山爆发时形成的，虽然现在地球上的活火山不多了。

■图 5 这是凯立拉岛西南端的地质构造：一层层黑色页岩和石灰岩石板褶皱及碎裂的情景。左侧一把地质锤提供一个参照比例。褶皱造成的破碎，有的是地质锤的千倍大，有的只有它的千分之一。■图 6 图中显示的火山岩，在巴兰特律以南的阿艾夏海岸。这些火山岩是岩浆流入大海经冷却而形成的。

很早以前火山爆发时喷发出来的大量的岩浆和熔岩流，至今在地球表面不少地区仍可见，在地质上称之为“火成岩”。图 6 显示的就是阿艾夏海岸的巴兰特律的岩浆流。这股岩浆流想必是直接流入大海，立即冷却凝固，形成了现在大片的“枕状岩”。这片岩石虽然可能经过了 4 亿年的风吹浪打，却依然保留着当年的磅礴气势。北爱尔兰的安特雷姆著名的玄武岩巨人岬提供了类似的例证：当年喷涌而出的熔岩，遇水后立即形成现在这种六边形石柱。这些从火山口喷出的熔岩，为我们提供了地球内部物质最真实可靠的样品。水和气体想必也是以类似的方式从地球内部喷出，成为大气层和海洋的组成部分。

当地壳陷落，与其已经收缩的内部物质合成一体时，那些褶皱并不是完全胡乱形成的。因为地壳在结构上并非绝对规则，很可能含有轻物质， 也含有重物质。一般来说，较轻的物质在上面，形成山岭，而较重的物质则往往下沉到山体的下部，构成山谷和海底。因此，我们会自然而然地认为每立方英尺的高山物质应比每立方英尺的海底物质轻。近来认真仔细的测量证实了这一点。

科学家们并不试图从这座山上取一立方英尺的物质，再从一个海底取一立方英尺的物质进行比较。这种方法对于高山来说太原始了，而对于海底来说又是不可能的。从前，人们把一个很长的摆锤——就像非常古老的

钟摆一样，但是制做得非常精密、科学——放在高山顶上，通过摆的摆动来测高山的结构。最近几年，摆锤被更精密的仪器代替了，但是基本的工作原理是一样的。

山顶上比下面的平原离地心远一点，因此地球的引力相应的会小一 点。当一个钟摆被拉向一侧，让它摆起来，那么摆锤到达最低位置比在平原上要慢一点，因此所需要的时间就比在平原上所需要的时间长。换句话说，山顶上的钟表会越走越慢。如果山体是由地壳上的平均物质构成的， 我们就可以准确地计算出钟会慢多少时间。如果实际所慢的时间比计算出来的时间稍微慢一点，说明构成山体的材料比地壳的平均质量要轻。如果把钟放在潜艇上带到海底去，条件刚好相反，如海底是由地球上平均物质

组成的，这个钟就会比平原上走得快一定时间；如果钟走得比这个值还快， 说明海底是由重材料构成的。

最近（编者注：此指本书的写作年代而言）有个理论叫做“地壳均衡论”，它使上述理论更加严密。这一理论认为：高山高耸于平原之上，就像船高出水面一样，——它们都在漂动。这一理论还假定高山像船一样， 它的整个重量决定它在漂流时的高度。一条船，包括船身、船员和货物的总重量是 3 万吨，它漂流时的高度是它排水 3 万吨时的高度。换句话说，

如果突然使这条船脱离水面，水面上就留下了大坑，需要 3 万吨水来填平。

这一说法正好跟 2 200 年前阿基米得原理相吻合。

地壳均衡论假定高山漂流的高度也是由上述理论决定的。当然喽，高山不是真正在水上漂流或者在真正意义上的液体中漂流。我们都知道，普通沥青看上去像固体，但是在长时间持续不断的压力下它会像液体一样变形；而液体只要受到压力，马上就变形。沥青的弹性很强，可以变形达数小时或几天；冰的变形要几个月或几年（如我们在冰川所见），而玻璃的变形则需数十年甚至数百年。我们现在讨论的物质如果经过数百万年也能变形的话，也就可以说明问题。多种方式的计算表明，我们必须深入到地层 20 英里处才能找到富有弹性的层面。好了，我们现在的问题是个常识问题：沥青或任何其他物质受热后更具可塑性，更容易变形。这个道理恐怕对地壳也适用。所以 20 英里深的地球内部能够提供所需要的可塑度。地壳均衡论认为，重达万亿吨的高山能漂起来（耸立起来），就是因为它取代了山下地层深处可塑性地层里的万亿吨物质。最精确的测量表明这个理论准确地解释了观察到的高山的高度。

说到这里，我得把我们的话题暂时放一下，向读者介绍一项更新的理论。提出这个理论的是一位名叫韦格纳的德国科学家。这项理论很有意思， 尽管在科学家们当中并未受到广泛认同。这项理论认为各大陆和大岛屿都在漂移，不仅像船一样漂动，而且像独立的船一样可以相互靠拢或彼此分离。这一理论认为新旧两块大陆原本就是一艘巨大的船，后来发生海难破碎成两块，然后就彼此远离，其中一块构成欧洲和非洲，另一块组成南北

美洲；并且提出一项证据说：如果把新大陆往东北方拉 3 150 英里靠在非洲的西南部，使巴西的伯南布哥对着非洲海岸的喀麦隆湾，会相当吻合。虽然从地图上看并不十分吻合，但是我们不能认为这纯属巧合，因为这两个地区在大西洋沿岸的地质构造非常相似。那里的山脉、岩石甚至化石都相似。正是因为这些理由，地质学家们长期以来一直猜想这两个大陆当初是连在一起的，共同组成一个大陆。而新理论解释了这两个大陆是如何分离的。如果把北美再向东拉，将会与欧洲很吻合，北美的新英格兰将与我们的旧英格兰靠在一起。韦格纳认为，现在漂在大洋上的所有陆地，在若干亿年之前曾经是一整块大陆，约占地球表面的 1/3。

除了这些理论或假说之外，我们还知道，山脉，甚至包括大陆的高度， 并不是固定不变的。当我们爬山时，我们会不时地看到石头往下滚，但如果你看到石头往上滚一定会大吃一惊。雨水、雪、冰甚至还有风，常年不断地对岩石侵蚀和风化，使山坡上的岩石破裂、松动，最后终于有一天滚落到山下。我们会看到山脚下那熟悉的景象：到处是巨大的砾石、成堆的碎石岩屑等。图 7 显示的是在位于昆伯兰的瓦斯特韦特的东侧，一座不算高的山脚下堆积的大量碎石岩屑。高山顶上的积雪变成冰川，慢慢滑进峡谷，同时夹带大量大小不等的岩石。在丘陵地带，雨水、山洪冲刷山坡， 夹带大量泥沙流入大海。我们到处见到高山上的物质被冲到海底。这个过程使高山的高度降低、海底增高。

• 图 7 昆伯兰的瓦斯特韦特东侧堆积的碎石岩屑

地壳均衡论表明，总的高度至少能部分地互相弥补。因为当山上的土石被冲下山来，山脉失去了重量，因而就漂得高一点，补充了一点失去的高度；而海底接受了河流冲来的大量泥沙而变得重了，于是就会下降，从而部分地抵消了因大量泥沙的沉积而增加了的高度。

这种在高度上连续不断的调整，加上其他原因，导致了地球表层的海陆变迁：整块陆地降到海平面以下，海底隆起，形成新大陆或高山。公元前 6 世纪希腊的色诺芬尼曾有记载：在内地，甚至在高山上发现贝壳，在纽约的锡拉丘斯采石场还发现海藻和鱼类的化石。我们不必在这次时空旅行中到古希腊去寻找海陆变迁的证据；在我们身边俯拾皆是，尤其在伦敦的白垩山，那里有大量的海洋微生物的化石和贝壳。这表明，那里从前曾经是相当深的海底，很像现在的大西洋中部的海底。在英国沿海，我们也在海底发现森林和动物的尸体。

• 图 8

  朗古仑以北两英里处的艾格尔威赛格山上水平的条状石灰岩泥土、沙石从山上冲下来，叫做“剥蚀”；泥沙等冲入大海、沉入海

底，称作“沉积”。沙石沉入海底形成沉积层，这我们在前文把它比作苹果皮上的尘土。如果不是因为反复出现地球表面的升降变迁、反复调整高度，那么海底的沉积层应当很均匀，一层层很平整，就像平桌子上的书本一样。在地球上有很广大的地区——加拿大东部的广大地区，西伯利亚东

部的广大地区，波罗的海沿岸、俄罗斯西部地区以及远古冈瓦纳大陆的残存地区，包括南美洲东部的大部分地区、南部非洲、阿拉伯和印度——不同的沉积层都一层层平整地排列着。在较小的范围里，如在铁路或公路和路堑、海边的山崖、内陆的高山上常常能看到一层层沉积层，整齐的、层次分明的岩石或沙土（如图 8 所示）。地质学家们把这种沉积层叫做“条

痕”。图 9 所显示的是美国科罗拉多河谷这种条痕地层的大面积下切。这种切割不是人力在几天之内完成的，而是大自然在数百万年间鬼斧神工的力作。

• 图 9 科罗拉多河谷北侧。暴露出来的早期沉积岩一层层排列得平整、均匀，很有规则。

科罗拉多河千百年、上万年在这块土地上流淌，慢慢下切，冲刷表面松软的泥沙，将其带进大海。我们看到岩层一层又一层堆积起来，总厚度达 5 000 多英尺；绝大多数层面粗略看上去都相当平整，但是有经验的地质学家能发现有几处地层隆起和沉入海底的证据。

在其他地区可能不一定有普遍的地球表面的下沉和上升，但是局部地区的地壳可能会裂开、断块错开，于是“条纹”就不再是连续的了。这就是“断层”（见图 10）。

• 图 10 在兰纳克的莫桑德·克莱的士代尔钢铁厂的条文状砂岩的断

层

如果有一条像科罗拉多河这样的河纵贯我们英国大地，我们就可能用

一张显示我们英国地下不同层次的地质图来代替图 9 的照片。可惜，我们没有这样的河为我们提供这一景象。但是通过在各地挖洞钻孔所获得的地质资料来分析研究地表构造，使地质学家有可能画出一幅英格兰斯诺顿到威尔士的哈韦奇一线地表构造图。不管世界其他地区的地质层如何，我们看到我们英国的地质层已经不再像书本那样平整有序了，而是倾斜、破碎、断裂，这是由我们在前文讲过的地层高度升升降降重新调整造成的。很显然，这里发生过地层的大面积偏斜，使西边翘起、东边下沉，而局部地区发生显著的变异。东部地下发生的隆起现象，是把岩石层抬高到离地表只有几英尺，而其他地方却在数千英尺之下。这种地质层的偏斜并没有引起地面相应的倾斜。因为地表原本应当很高的地方已经被侵蚀、风化、冲刷掉了，并填补了原来的低洼处。如果我们继续把地质层比作书本，我们就该想到这本书现在不但搓皱得不成样子，而且有很大一部分被搓碎、扯掉了。

图 11 显示的是伦敦从南到北 70 英里较短地段。在这里，无论在北面还是在南面，我们都没有看出很明显的倾斜。最显眼之处是，从总体上看这本书略有弯曲。我们看到伦敦处于黏土层上；再往下是断裂的白垩层， 厚度有 650 英尺。我们已经看出，这里曾经是海底，很容易重现当年发生的变迁：首先是地下的地层隆起，使本来平坦的海底变成起伏不平的陆地；

然后水从地势较高的黏土层向西流经白垩层；接着形成了比较宽阔的河 流，逐渐沉淀下白垩沉积层，部分地淤填了河床，却使较高的白垩山不受影响。第二步是原始人开始在河边适宜的地区定居。最后，伦敦就出现在黏土层上，白垩山环绕四周。白垩山在伦敦南侧，从丹佛那白色的悬崖到吉尔德福德那连绵的群山，通到猪背岭往西，一直延续到汉雷的托马斯以北，穿过奇尔特恩山，直到赫特福特夏的白垩城，最后到剑桥夏。即使在这张地图上，地质层的变形仍然很广泛。但是，在只有几英尺宽的岩石标本上，有时甚至在非常薄的显微切片上都能看到非常相似的地层变形。

• 图 11 伦敦地质结构剖面图。北起乌本，南到苏塞克斯的韦尔德， 大体上是南北走向。

现在，这本倾斜扭曲的书本真正有趣之处在于它实际上是一本历史 书。不论这本书有多倾斜弯曲、多破碎，每一页都是在一个确定的时期沉积下来的，都有一定的长度、宽度和厚度；或者至少是在一个确定的时代期限内形成的，因此当时的全部历史就埋藏在其中。

为了真正弄明白这一点，我们把思路从托马斯转到尼罗河畔。尼罗河每年都在下埃及的大地上泛滥，洪水退后，沉积物使埃及的高度升高 1 英

寸左右。如果我们在这沉积层上往下挖 1 英尺，我们就会发现 500 年前的

遗弃物。往下挖 4 英尺，我们就一定能找到公元前后的物品。实际上，埃及的土壤成了埃及历史的分层记录。只要往下挖这土地，我们就可以翻阅那些历史篇章。古币的铭文告诉我那些法老的特点和成就；普通的器具、武器和工具向我们展示出人们当时的生活。

对于世界其他地区的地面，我们也可以用同样的方法处理，只是每一英尺的沉积物并不一定总能代表 500 年历史，因为沉积物是在不同地区以不同速度沉淀的。而且许多历史篇章并不一定像我们在挖掘时见到的那样一页页有规则连续排列。在许多地方由于断层、地壳的升降破裂，以致把整本书都搓乱了、书页撕破了。这也是幸运的事情。因为，假如地层不发生升降变化，书页都那么整整齐齐地排列着，那么我们就得下挖 100 多英里才能接触到最下层的篇章。而事情正好像自然发生的那样，我们常常钻孔钻到比较浅的地方，有时甚至走过某一地区就能接触到暴露在外的较深层的书页。

如果我们依次翻阅地球表层这一页页历史，或者凭智慧的目光观察所走过的一片地区，实际上我们是在翻阅地球史（不仅仅是埃及的历史）， 翻阅它记录下来的不同的文明史。首先，我们看到的是文明程度很高的人类遗留下来的钱币、石刻；然后看到原始人使用的器具、金属武器和火石， 有时伴有他们猎获的动物尸骨。在更深层，我们将看到更为古老的记载： 类人猿遗留下来的只有他们的遗骨。再往下，我们来到那蛮荒的史前时期， 这里只有鬼怪似的庞然大物的遗骨；再往地层深处看，就只有爬行动物、鱼类和植物的化石；到最后一页，是没有生命的土壤、水和岩石。

我们在地层中看到那遥远的过去所发生的那一桩桩改天换地的事件， 实在令人叹为观止，尽管我们还不能准确地说出各事件发生的具体年代， 我们当中的很多人连这一历史长河中最精彩的事件发生的年代都没记住。这些情况在学校中未能广为人知的原因是我们希望能像记数学公式一样准确地记住它们。有趣的是当我们读到大约 700 年前，英王约翰被迫签署大

宪章时，我们后代人却要劳神记住那个年代 1215 年，都觉得挺枯燥。现在物理学家发现一种能够确定这部地球历史书各个篇章日期的方

法，这是最佳的可能的方法。探测到的日期很精确，令人十分感兴趣，这种精确绝不会让你觉得无聊、枯燥。我们知道有些表的表针在暗处也能看到，因为上面涂了一层镭涂料。表针在黑暗中发荧光，清晰可见。但是我们用精密的仪器可以测出那种光并不像看上去那么稳定。它发光是由镭原子无数次分别爆炸引起的，而每一次爆炸都导致一个镭原子的死亡，或者应当说每一次爆炸都造成一次转换。因为，镭原子并未完全消失，而是留下一个特殊类型的铅原子，作为先前存在的记录。这种由镭向铅的转换的速度绝对是匀速的、规则的，完全可以在实验室中被测量出来。这样，如果我们能测量出表针上有多少镭、多少铅，我们就能知道这个表针有多长时间了，也就知道这块表有多少年了。

我们可以用类似的方法来测定地壳岩石的年龄。

在显微镜下观察像云母和电气石这类矿物的薄片时，人们会发现它们有“彩晕”，显示出多个同心圆，如图 12 所示。在这些晕的中心总有一个微小的、放射性物质的斑，像镭一样在进行规则有序的衰变，只是更慢一点罢了。这种物质可能是铀，也可能是钍，也可能是二者的混合物。这些多彩的环就是这种放射性物质在衰变过程中产生的。在试验室中，可以人工造成类似的晕，所以很容易弄清楚它们的构成模式。人们还知道年代久远会使晕的颜色变深。所以通过察看岩石中晕的总体颜色，人们就能估计出岩石的年龄。

但是，含大量铀和钍的岩石并没有晕。在这种情况下，化学分析的方法可以准确地告诉我们岩石分解到什么程度，据此我们也能估计出岩石的年龄，就像我们凭夜光表针来估计表的年龄一样。例如，加拿大东部大量的伟晶（花岗）岩就是用这种方法测定的，大家一致同意这种岩石是 12.3 亿年前形成的。有的岩石的年龄更久远，但不会久远得更多。一般说来， 得出的数字不会比上述数字更精确。

■图 12 云母片上放射性物质的微小斑痕产生的彩晕（放大 200 倍） 如此说来伟晶岩是我们这部地球史书中最古老的一页，成书的日期已

经明确下来了。在这一页上我们知道，在 12.3 亿年前地球就有了固体地壳，上面有河流纵横流淌，把地面上的泥沙冲刷到大海里。再深层的地层的形成年代没法确定，它显示的将是地球冷却、固化的全过程。我们目前尚说不清楚这些早期过程延续了多久，但是肯定有好几百万年。因此，估

计地球的年龄不会少于 15 亿年。

地球的年龄不会比这个数字大得太多，否则地球上的放射性物质早就衰变完了，放射现象为何物，我们就无从知晓了，这就像有朝一日未来的高级“生物”——如果那时有什么生物的话——不知道放射为何物一样。不过，这将是万亿年之后的事。除非放射性物质能够再生，而现在我们对此却毫无所知。更为详细的研究表明，地球的年龄不太可能大于 34 亿年，

很可能比这个数字小。有人估计地球的年龄应当在 15 亿年与 34 亿年之间，

比较可靠一点应当是 20 亿年左右——是人类历史的 10 万倍以上，是基督

教时代的 100 万倍以上。很难想像这个数字究竟意味着什么。我们最好把

“百万”这个数字想像成一本大厚书里的字母。比方说一本书有 500 页，

每页 330 个词，平均每个词 6 个字母。如果我们用这本书来代表地球的年龄，那么有人类的历史用最后一个词就能代表，而基督教时代却连最后一个字母都占不上。就在这最后一个字母的时空里，有罗马帝国的兴衰、基督教在世界各地的传播、欧洲西部广大地区摆脱了凯撒的野蛮统治纷纷建国成立了目前这些国家⋯⋯60 代人在此期间生生息息。至于你我这一辈子，在历史长河中仅是短短的一眨眼，在这部书中只是一个小点，就是字母“i”上面的小点。

■图 13 已知的最早藻类。图片显示的是放大 190 倍的化石切片。■图

14 在寒武系岩石中发现的海绵、水母、海星、蚯蚓和珊瑚虫化石。这些都是非常原始的生命形式，有的至今仍生活在世界上，形态没有多大变化。如果我们读完这部百万言巨著的最后一个词之后还要继续看，我们的

历史书就是地壳及其内部的各层了（前面讲的是地壳上面的沉积层）。把地球内部层层岩石和泥土做为书页，许多书页在漫长的岁月中也都褶皱、破碎。但是，整个布局仍井然有序，而且有的层面也确定了形成日期。现在我们假定把书页理平，开始翻看这部地球历史巨著的各个篇章，能看出些什么东西呢？

我们从 20 亿年前开始，在数亿年的地质构造中，我们看到地球开始冷却、安定下来，但没有任何生命迹象。翻过一页又一页，只见到地质活动情况。直到后来翻到 12.3 亿年这一页，我们才看到含碳的地层。这为地质学家们提供了假想的证据：海洋中开始存在某种最简单、最低级的生命形式，生命已经来到了地球上。我们继续往下翻，看到的还是些地质变化—

—稳定的沉积层只是因为大地震、地壳升降才使地层发生一些形变。最后终于翻到 10 亿至 5 亿年前，我们才看到生物残骸的化石——只不过是岩石里夹杂的一些斑痕罢了（见图 13）。地质学家们认为，这些斑痕是生命的遗骸，当然是生命的最原始形式。然后又过了很久，翻到 5 亿至 4 亿年这一页，我们看到生命形式复杂多了，种类也丰富多了，发现有蚯蚓化石、水母化石和其他一些器官不齐全的低级动物的化石，跟现在的同类动物没有多大区别（见图 14）。

斗转星移，转眼翻过了数百万年，我们终于翻到了画面动人的一页， 这里的植物化石看上去很像是今天的植物。它们看上去像植物，实际上却不是植物，因为它们生活在海底，更像海葵或海星（见图 15）。但是，此后不久，生命开始进军陆地，我们看到第一批类似青草和蕨类的植物化石。随着陆地植物繁衍增多，我们看到地球逐渐呈现出目前的面貌。草根把沙土固定住，使之成为固定的土壤。与此同时，出现了以草为食的动物，以及以这些草食动物为食的其他肉食动物。这个时期是大型爬行动物主宰世界的初期。这个时期的代表性动物是巨型异齿龙（见图 16），它是一种巨大的肉食性蜥蜴，据信在 2.5 亿年前生活在现在的北美地区。

简单低级的生命形式，如蚯蚓、水母和海绵（见图 14）出现了，它们的形态与今天的同类没有多大类别；但是较为复杂的生命形式势必经过许多变化。随着我们继续翻阅这本书，就翻到被地质学家们称为“二叠纪” 和“三叠纪”及物理宇宙论者所说的大约 2 亿年以前的篇章。在这里我们看到高高耸起的山脉完全改变了地球的面貌。在北半球，许多海洋，包括现在的太平洋和印度洋，在那时却是一片陆地，只有大西洋那时才是一片汪洋。在南半球，从海中升起了一片巨大的大陆，地质学家们称之为冈瓦纳大陆，它西起现在的南美洲东部，直到现在的非洲、澳大利亚。地质学家们向我们展示了岩石中的一个小凹坑中的鱼化石，那些鱼紧紧地挤在一起，像罐头中的沙丁鱼。它们在死前的最后一刻挤在一块争抢那仅有的一丁点水。由于海洋太小，蒸发出来的水分太少，因此雨量就自然而然地减少，结果大陆的大部分成了沙漠，尤其是在现在北欧的位置上我们看到海洋缩小成湖。由于干旱日益严重，盐湖的浓度越来越大，最后竟形成了盐矿。我们在彻夏和斯坦福德夏都能发现这种盐矿。

■图 15 大约 4.5 亿年志留系的化石。这可能就是人们描绘的所谓海百合时代。因为图中所示的植物生长在海底，非常茂盛，它们的遗体化石构成厚厚的海底石灰岩层。海百合其实并不是植物，更像海星或者海葵。

■图 16 巨型异齿龙，大型笨重的肉食爬行动物，身长 9 英尺。据说栖

息在距今 2.5 亿年前现在的北美地区。

■图 17 单鳍巨头螈，为爬行动物的一种，2 亿年前的大旱时期栖于陆地。

到后来大干旱时期过去了，但是前文提到许多生命形式却未能在后来的历史篇章中再现。它们很可能都灭绝了，只有那些能很快适应新环境的生物得以生存下来。在图 17 中就有个例子（巨头螈，丑陋的甲胄侍卫）， 是一种有魄力、不屈不挠的丑陋的爬行动物。在大干旱时期，海洋干涸后它在陆地上活了下来。

这部地球巨著的下一页是侏罗纪，大约在 1.5 亿至 1 亿年前。这一页告诉我们地球上出现了大规模的海陆变迁。海洋淹没了很多沙漠，世界又变得潮湿起来，对各种生命形式要好客、温柔些。大干旱时期幸存下来的

爬行动物得以迅速繁衍，从海洋到陆地，又从陆地进入天空。我们在这个时期第一次看到长翅膀的爬行动物化石。这些动物是凶恶难看的鸟，有的长牙齿，有的有喙而无齿。

生活在这个时期的许多动物（如恐龙）不能适应后来发生的巨大变化， 成了生存斗争的失败者，尽管它们都在地球上生活了很长一个时期，但最终在残酷的环境出现后大批绝迹了。图 18、19、20 和 21 是 1 亿至 0.8 亿

年前生活在现在的北美地区的 4 种恐龙，它们后来都灭绝了。

■图 18 三角龙。 9 000 万年前生活在现在的北美，是一种草食动物。

它身长 25 英尺，颅骨与象的颅骨一样，但大脑只有小猫咪的大脑那么大。

■图 19 棘龙。 9 000 万年前生活在现在的加拿大。它用于进攻或自卫的唯一的武器似乎是长满长长骨刺的尾巴。

图 18 是三角龙。三角龙是这一类拥有自卫构造的动物的典型代表。它有三只角，每一只都有几英尺长。当它受到攻击时，它只能背靠屏障，立起后腿，等着进攻者撞到它的角上。三角龙是个庞然大物，有 25 英尺长、

9 英尺高。它仍属爬行动物，雌性三角龙产出巨卵。

图 19 显示的是几乎是同一类的另一种动物，叫棘龙，是那种行动“最迟缓、笨重的安全堡垒”爬行动物的成员。它对付进攻的办法很可能是平躺在地面上猛摇猛甩它的尾巴，因为它的尾巴上长着许多骨质的刺，就像十字军士兵使用的带长钉的狼牙棒。在这个时期，无论是进攻武器还是防御武器都是比较原始简单的，那些动物谈不上有什么智力。三角龙的头颅6 英尺长，但是其大脑只相当于小猫咪的大脑。

图 20 显示的是翼手龙。那是一种像巨大的鸟一样的爬行动物。翼展大

约 18 英尺。它是那种看起来什么都能干、可是哪一样也干不好的可怜虫之一。它长着一对大翅膀，可是并不那么强劲有力，不能使笨重的身子升空， 因此不善飞翔；而它的腿也很弱小，也不能支撑笨重的身子在陆地上很好地行走，说不定它根本就不能跑。它甚至在地上蹲着都不能，因为连着翅膀的肘总是碍事。看来它只能匍匐在峭壁顶上、大岩石尖上。科学家们想像，它只能没日没夜地奋力往悬崖峭壁上爬，然后纵身跃入气流中，就像滑翔机一样在空中盘旋，然后扑向自己的猎物。随后又是一轮艰难跋涉。或许我们对这种动物感到可怜，它的一生就像一个练习滑雪的运动员，在没有缆索的滑雪场上无休止地攀登又攀登。

图 21 是梁龙，是迄今为止在地球上发现的最大的动物，大约有 30 英尺高、90 英尺长；体重肯定抵得上大象的一家子——像爸爸、像妈妈加上一窝孩子，可能还得加上几个叔叔、姑姑。体重肯定在 40 吨至 50 吨之间。它的身体太庞大了，四肢几乎支撑不住。它很可能生活在沼泽地带，这样它的长脖子就派上了用场。它确实需要水的浮力来帮助它支撑庞大的身

体，使它活得稍微轻松点。

■图 20 翼手龙。是一种长翅膀的爬行动物，大约生活在 9000 万年前，

翅膀展开有 18 英尺长，前臂和后臂之间有薄薄的皮膜相连。■图 21 梁龙。

这是生活在 9000 万年前的巨大的爬行动物，身长 90 英尺，但长颈和鞭子似的长尾占去了大部分。

图 22 上显示的是另一种巨大的、更难看的爬行动物——妖龙，或者叫做爬行鲸。它生活在我们的大西洋这一边，在我们英国的许多采石场上过去和现在都经常发现它的头骨。它身长大约 60 英尺，就像它美洲的近亲梁龙一样，生活在水中能减少体重给腿造成的压力，以便生活得轻松些。咱们可不能讥笑这种可怜动物无能。假如我们到了木星和土星上，我们发现自己也会处于这样难堪的处境，说不定也要采取谨慎措施，免得因自己的身体过重而垮下来。

就像我们人类不能适应木星和土星的环境、在那里一刻也呆不下去一样，上面提到的那些庞然大物在这长期残酷的生存斗争中，也不能适应地球上环境的变化而败下阵来，让位给更为灵活小巧的竞争者——哺乳动物以及人类——它们靠的是活动能力和智力，而不是靠全身盔甲或庞大的身体和体重。这些巨大的或身披甲胄的爬行动物退出历史舞台，在生存斗争中灭绝。中世纪的披坚执锐的士兵让位给现代不穿盔甲的士兵，城堡、战船让位给坦克和鱼雷快艇，飞艇让位给飞机等等，原因都是一样的。

在大型爬行动物灭绝后，我们就看到了哺乳动物时代。这个时期的动物大体上跟现在的动物差不多。图 23 显示的是重脚兽，在 2 500 万年前它生活在现在的埃及一带。它的体型比前一个时代的庞然大物要小巧多了， 但是仍有普通的犀牛那么大或小象那么大。这使我想起了吉卜林先生的童话故事《就应该这样》。故事说的是象的长鼻子是怎么得来的。小象对自然的历史非常好奇，总爱问这问那，至少它的家庭成员都这么看。它们特别不喜欢老爱问“鳄鱼吃什么”之类的问题。有一天，小象问正在沼泽中晒太阳的鳄鱼。鳄鱼说：“你低下头来，我悄悄告诉你。”于是小象就低头凑近鳄鱼，可是鳄鱼毫不留情地猛然咬住它的鼻子，说：“小象，今 天⋯⋯”它死死地咬住不放，使劲拉呀，扯呀，结果把鼻子拉长了，就成了今天每头象都有的那种长鼻子了。重脚兽看起来很像小象，想必处于往象发展的过程中。其实它脸上突出来的部分并不是鼻子，而是两个尖锐的骨质角，正好长在鼻子上方。它的眼睛上方各长两个突出物，看上去一定很凶猛、很怪异。

■图 22 妖龙。又叫爬行鲸。它是图 21 中梁龙在英国的近亲，体长大

约 60 英尺，相当重。

■图 23 重脚兽。大约 2500 万年前生活在现在的埃及。外表乍看上去像大象，可是在许多方面又像犀牛。

图 24 上显示的是体形更小、但更为凶猛的动物剑齿虎。大约在 1000

万年至 100 万年前它生活在现在的欧亚大陆。体型跟现在的狮子、老虎差不多，但是长着两颗非常细长可怕的牙齿，前面的牙非常锐利，后面呈锯

齿状。无论是闭嘴还是吃东西，这些牙肯定碍事。人们会纳闷：这种动物为什么没饿死呢？

图 25 上是大地懒，大约在 100 万年前生活在现在的南美洲。我们可以把它同图片中的人相比较，来判断它的大小。这个巨大的动物并不凶猛， 并很可能是人类捕获的对象，甚至是人类家养的动物，因为在一个山洞中同时发现大地懒和人类的骨头化石。这种巨大的地懒在地球上已经灭绝 了，只有人类存活下来成为我们唯一的祖先。在这最后的 100 万年间的某个时期，一种哺乳动物猿人进化成人类——也许是突然之间发生变化的结果。一个人的一生与 100 万年的确不能同日而语，但是 100 万年对地球的

整个历史来说，也仅仅是弹指一挥间。图 26 画出了地球发展的各个时期的

时间比例。从出现了人类祖先至今的 100 万年，在这表中连最细的线的位置都占不上。

但是，即使在这 100 万年里，人类大部分时期过着不开化的生活，跟他们捕食的其他动物没有太大的区别。在人类发展的最后这几十万年中， 我们看到穴居野人像动物一样跟别的动物拼杀，像动物一样嗥叫。到最后10 万年前，原始的人类才有了说话的能力。他们开始不但能设想、设计， 而且还能跟同类交流思想、交换设想和打算。这就赋予他们战胜其他动物的无与伦比的优势，从此人类开始了突飞猛进的发展。进步的程度再也不是以百万年计了，而是以千年、进而以百年计。到现代社会更是日新月异了。人类在最近这 50 年中的进步是爬行动物从侏罗纪到二叠纪这 5000 万年间的变化所无法比拟的。

■图 24 剑齿虎。是现代猫科动物的远祖，但绝对不是老虎。

■图 25 大地懒。草食动物，当它坐在后腿上够树叶吃时 20 英尺长，

12 英尺高。

■图 26 地球历史的各主要时期和重大事件（事件和时间在很大程度上是想像的）。

地球上的色彩斑斓，生机勃勃，气象万千，宜于生命。这一切都得益于它的大气层。没有大气，天空将一片漆黑，紫外光将无情地侵害地球⋯⋯ 第二章大气

我们对地球已经探索得够深入的了。现在让我们离开地球，让我们的思想、眼光转向空中，看看大气的情况。

大家都清楚将会看到什么东西：白天我们会看到明亮的太阳、蔚蓝的天空，可能还有朵朵白云；而夜晚则会看到满天星斗，有时会看到一轮明月或别的行星。我们之所以能看到这些天体，是因为它们的光透过地球大气层传给我们；我们看得很清楚，那是因为大气层是透明的，没有任何东西阻碍光线的传播。

也许是因为我们对这一切都习以为常了，因此认为这一切都是理所当然的、就应该是这样的；也许我们认为空气这东西太稀薄、太微不足道、太轻飘了，不可能阻挡光线的传播。不过我们知道地球上有多少空气，因为普通的家用气压表早就给我们测定出来了。当我们看到气压表的指针指向“30”时，表明我们头上的空气相当于 30 英寸厚的水银，同时也相当于

36 英寸厚的铅，因为相同体积的水银比铅要重，其重量比为 6∶5。为了使

这个重量有具体的视觉效应，我们不妨想像自己身上盖着 144 条铅毯子， 每一条都有 1/4 英寸厚。我们根本不可能看透 144 层铅毯子，因此我们感到惊讶或者感到幸运的是我们能看透与其相当的大气。

我们在地球上做到这一点确实是幸运的，在其他行星上就没有这样幸运。当我们从地球上观察其他行星时，我们发现它们中的大多数都被不透明的大气所笼罩，使我们根本就看不到它们的表面。这就提醒我们，如果我们在这些行星上旅行，就不可能透过其大气看到这些星球上空的星斗。不过，我们可以详细地探讨一下光的透明与不透明问题。我们知道，

光是一种波，而波分长波和短波。例如，就海浪来说，有长达数百英尺宽的浪头，能使最大的舰船颠簸摇晃；也有几英寸长的小浪花，对大船来说毫无影响，只能摇动一叶轻舟，甚至对轻舟也不起什么作用，只不过使水中的小物件轻轻晃动，使软木塞、海藻等物晃动。光波也是如此，有长波， 有短波。不同波长的光以不同的方式对物体发生作用。

太阳发出的光几乎含有各种波长，是一种混合光。当然喽，有些波长的光的量很微小。我们的眼睛既看不到太阳发出的很少的那几种波长的

光，也看不到量很大的那几种波长的光。这是因为大气层使它们不能通过。如果这些光有朝一日穿过大气层，大量地到达地球，就可能把地球烧毁， 把人类毁掉——我们就会被烤黄、烧焦变黑，马上就呜呼哀哉了。然而幸运的是，我们的眼睛永远也看不到那些能致人类于死地的光。一般来说， 我们的眼睛只能看到大量到达地球的那种波长的光，就是形成白昼的那些波长的光。

或许这不足为奇。我们是几百万代之前那些祖先的后代，他们的器官，

包括他们的眼睛，几亿年来已经逐渐适应了周围的环境。因此，我们无论在动物还是人类身上，很少发现无用的器官。当某一器官用不着了，它就没有用了，最后就逐渐消失了。否则，有那种器官的动物就会消失，就像我们在第一章所讲到的那些身披甲胄的爬行动物那样绝迹。能看到根本不能到达地球的光的那种眼睛，对动物、对人类都是个累赘。如果有哪种人生有这样的眼睛，那么到现在当然已经灭绝了。

由于人类的身体已经过数百万年的进化，我们的肺和血液已经对大气适应了，我们的皮肤对气候也适应了——黑色皮肤适合热带气候，白色皮肤适合温带气候，如此等等。因此，我们的眼睛已经适应了白昼的光。我们的眼睛正好适应了大量到达地球的那几种光并非偶然。当我们到达木星时，我们不可能看透木星天空中的云。然而，如果人类在木星上生活了几千代，人类的眼睛也可能适应某些透过木星云层的特殊波长的光，他们会因为自己生活在木星上、为生活在清澈美丽的木星大气中感到庆幸，从而怜悯那些生活在其他星球上、生活在地球上的居民，可怜他们被那里的不透明大气所笼罩。

由于我们知道宇宙物质，尤其是光，都是通过辐射的方式来到地球的， 因此详细了解不同的光和不同的辐射的特性是很重要的。当我们在阳光下观看彩虹和带着露水的青草时，会看见一道彩色的光。但是，当太阳落山或被云朵遮住，那彩虹和露珠上的光彩也随之消失了。这就证明这种光首先是来自太阳的。但是，这种光不是直接到达我们的眼睛，而是从相反的方向折射过来的——是通过那些细小的水珠，如阵雨的雨滴反射过来的。当光进入水珠、又从水珠中反射出来后，就分解成各种不同的颜色，就是我们所看到的虹。当然，我们有更有效的方式来分解光，就是用精密的仪器——光谱仪。

太阳光通过上述方式分解后变成一条彩带，红色在一端，紫色在另一端。这条彩色的光带叫做“光谱”。在红、紫二色之间还有其他颜色。太阳光的一条连续完整的彩带包括红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。如果我们分解另一种光，就会得到另外一种光谱，但是，无论是什么光，光谱中的颜色都毫无例外地同上述顺序一样。这是因为光的不同颜色是由光的不同波长决定的，而光谱中颜色排列的顺序都是根据波长的顺序排列的。

如果我们用另一种仪器——衍射光栅来分解光，就能得到一个简单的证据。这种仪器只不过是块金属板，用钻石或其他坚硬的尖锐物体在板上刻划出数千道等距离的平行线条。当光照在金属板上时，那些小线条就能分辨出不同长度的波，并向不同的方向反射，就像土豆筛子按土豆大小筛选土豆一样。那连续的划痕之间的距离相当于筛子眼，我们可以根据波被反射的方向计算出波的长度。当光被这种方式分解后，不同的波长又组成一个光谱，颜色的顺序跟我们上文提到的顺序完全一样。至于颜色的顺序究竟有什么含义，我们不必从头探索。现在可以一目了然，光的不同颜色

是因为光有不同波长。在光谱中，颜色的顺序是按光的波长顺序排列的。实际测量表明，红光的波长最长，每英寸有 3.3 万个波形。我们按橙、黄、绿等颜色的顺序依次看下去，波长逐渐变短，最后看到紫光的波长是每英寸 6.6 万个波形。

声音也有波，当然它与光波有很大区别。声波需要空气来传播，而且波长要比光波长得多，是 100 多万倍。像不同波长的光造成不同颜色一样， 不同波长的声音有不同的音高。例如钢琴上的中音部 C 的波长是 4 英尺， 而最高音部的 C 的波长是 2 英尺。当一个声音的波长是另一个音的波长的一半时，我们说这个音比另一个音高 8 度。因此，当紫光的波长是红光波

长的一半时，我们说紫光是红光的高 8 度光。事实上，当我们把光谱上的

7 种色光看成是 7 个音符亦未尝不可：红色——C 音，橙色——D 音，黄色

——E 音，绿色——F 音等等；我们已经看到，所有的可见光都出现在一个8 度音程（1 个倍频程）内。我们的耳朵能听到 11 个 8 度音程的声音，但

是我们的眼睛却只能看到 1 个倍频程的光。

我们已经注意到，太阳发出的光远远超过我们的眼睛所能看到的 1 个倍频程的光。在我们能看到的最深的紫色光之外，还有许多光我们看不到， 它们的波长更短，所以通常称之为“紫外辐射”，或者叫做“紫外光”、“紫外线”。这种光我们的眼睛看不到，原因就像水中涟漪对舰船无影响一样，它们的波太短。但是这种光对摄影底片的影响却非常大。如果我们的瞳孔是用跟底片上的感光材料相类似的材料构成的，那么我们的眼睛也能看到紫外线。

在光谱的红光一端以外，也有许多我们的眼睛看不到的光。这些光的波长都比红光的波长还要长，通常被称为红外线。当一个固体——例如铁匠炉火中的马蹄铁——被加热时它最先发出暗红色的光，然后随着温度的提高它会依次发出明亮的红光、橙色光、黄色光等。加热使马蹄铁发光， 温度越高，发出的光的波长就越短。我们可以说，当一个物体被逐渐加热后，它发出的光的波长在光谱上越来越短。一个物体直到它发出的光进入了光谱中的可见光时，我们才能看到该物体自身的光，在此阶段之前，它发出的光是光谱上红色之外的红外光。我们的皮肤（而不是眼睛）对这种辐射更为敏感。如果我们把手挨近热的马蹄铁，不等我们看见它发光，就会感觉到它在辐射、放热。这表明红外辐射的最根本的特点是发热，而不是发出可见光。普通的摄影胶片既不受红外光的影响，也不受红光的影响， 因此我们在暗室中可以使用红光，感光胶片不会受到损害。如果构成我们的瞳孔的材料跟胶片的材料类似，那么我们的眼睛就根本看不到红光，也很难看到黄光或绿光，只能看到蓝光、紫光以及我们现在的眼睛所看不到的紫外光。

虽然我们的眼睛只能看到 1 个倍频程的光，但是科学家们发现了能观

察 64 个倍频程的光的方法。它们的发光范围就像一个有 64 个 8 度音的巨

大钢琴，在这个钢琴上我们只能听到可见光那个频程的音，而其余的音全都听不到（见图 27）。这个音程上一个高音就是紫外光。摄影胶片能受到这种光的影响，使我们知道了这种光的存在。这种光还能使某些化学物质发出荧光。这表明，当这些物质受到紫外线照射时，它们发出可见光。—

—似乎这些物质获得了放射能，使可见光的范围又扩大了。然后在可见光部分往上的 10 多个倍频程内出现了 x 射线。在 x 光下，密度较小的物质比密度大的物质更加透明。所以，当用 x 射线照射一堆混合物质时，密度大的物质就会在密度小的物质上留下较深的阴影。正是因为有这一特性，外科医生用 x 光来观察骨折，还用来探测被现代画覆盖了的古画。

■图 27 发光范围的中部。每一个部分都代表光的一个倍频程，每一部分的两端都是不可见光，只有中间的阴影部分是可见光。

再往上的特高音区出现了由镭放射出来的γ射线。最后，在可见光倍频程以上第 32 倍频程出现了某些宇宙射线的成分。这种射线能穿透若干英尺厚的铅。

在另一端的低音程区首先出现了我们前文已经描述过的红外光。大约在第 3 个倍频程上，有一块热铁块发出的热，第 4 个倍频程上有沸腾的水壶辐射出的热。现在特殊的感光胶片是由对红外线敏感的材料制成的，这样就可以拍摄在这种光下的物体。可是这些东西我们肉眼看上去则是漆黑一片。再往下，从可见光往下大约在第 30 倍频程，这里的光波波长是可见

光波长的 10 多亿倍。这种波很有趣，也很重要，它们就是用于广播的无线电波。黄光的波长大约只有四万分之一英寸；但是，如果我们要接收无线电广播的节目，就得把收音机调到 1500 米或 342.1 米的波长才行。除了把波长扩大了几十亿倍之外，无线电波也具有光波的许多特性。例如一个发射台上的平行的导线处理无线电波，就跟衍射光栅处理可见光波几乎完全一样。如果我们让一种颜色的光照在衍射光栅上，我们会看到这种光只向一个方向反射的光束。这个方向取决于光的波长。同样的道理，如果只有一种波长的无线电波通过发射台的天线发射出去，它们就会以一束电波往单一的方向发射，发射到印度、中国、日本，发射到任何我们想发射的地区，就看我们用哪种波长了。

我们对辐射和光的基本特性作了初步研究之后再来研究一下传播它们的媒体——大气层。我们当中的大多数人会以为大气只不过是天空中一层透明的气体而已，但是科学研究表明，大气结构是非常复杂的。我们可以通过下面的方法得出大气结构的非常清楚的概念：就像认识地球那样，我们把大气层也看成若干层，一层裹一层，最里的一层裹着地球。

包裹着地球的第一层大气叫“对流层”。这多变的一层的厚度在不同时间、不同地点各异，大约在 5 英里到 10 英里之间，平均厚度约 7 英里。尽管这在整个大气层中只不过是很小的一部分，却含有空气的大约 90％。这是因为越低层，大气的密度就越大，空气也越多，压力也越强。而高处

则相反。对流层由于有风和风暴不停地翻动而得名。其外层则相反，叫做“平流层”。这里几乎绝对平静，不刮风也没有风暴，因为它们达不到那样的高度。

大气是多种气体的混合体，有的气体较轻，有的气体较重。如果有充分的时间让大气静止下来，较轻的气体会逐渐向上移动，就像奶油逐渐漂浮在牛奶表层那样。实际上，大气层从来就没有一次安静过几天以上。我们已经知道，地球的自转造成季风、风暴以及其他形形色色的风。如此看来，大气层更像是奶油搅拌器，而绝不是盆中静止的牛奶。这种永无休止的搅动，使对流层中的空气充分混合，因此各地的空气成分都是一样的。我们已经知道，对流层中的空气中氮气与氧气含量的比例是 4∶1，其他气体的含量要小得多。其他气体中的主要成分是水蒸气。它具有特殊性能。在对流层的各种气体中，只有水蒸气能凝结成水珠，然后就会以雨或雪的形式落在地球上。我们对喷水很熟悉，但是从来没见过喷氧、喷氮或喷氦。当空气被风搅起来上下翻滚时，水蒸气往往凝结成水滴，因此人们普遍认为风头过后就有雨。如前所述，搅动使空气在对流层中均匀地混合起来， 但是水蒸气是一个例外，空气的翻滚反倒使它降到最低点，落在地球表面。随后，降下的雨水又要蒸发，并储存在大气中。还不等水蒸气上升得很高， 另一场风就又把它吹下来，形成雨雪，降到地球上。人们发现水蒸气在空气中并没有均匀地扩散开，而是局限在大气中最低的高度上。实际上，在水平线附近，空气中水蒸气的含量有 1/80；但是在对流层的顶部，这个比例要小得多，是 1/10 000。事实上，大气层中所有的水蒸气都集中在对流层，将形成雨、雪或雾。普通的雨云（见图 29）通常出现在数百英尺到一英里或更高一点的空中；而最高的云、好天气时高空的云，俗称卷云或卷层云（见图 28）是在 5 英里到 6 英里高的高空形成的。在对流层以上，什么云都没有。

大气层中空气不断地上下翻滚造成了非常有趣、非常重要的结果。当我们向某种气体施加压力时，它不仅体积缩小，而且温度还上升（给空气加压时其温度升高的现象可以在给轮胎打气时看到）。与此相反，给空气减压则会使其降温。因此，从压缩气体罐中释放出来的气体总是凉的，有的甚至会结冰，成为霜雪。这正是许多灭火器工作的原理。当空气被对流层的风或风暴卷向高空时，它所受到的压力减少，温度降低，就像从气筒里打出来的气一样。如果上面提到的那股空气又被风或风暴卷下来，它受到的压力增加，温度也随之提高，就像打进轮胎里的空气那样。因此，在对流层中，上层总比下层的温度低。如果我们登山或乘飞机升空，我们会发现空气越来越凉；当我们进入煤矿的巷道或来到山谷的底部，温度就会高一些。

■图 28 卷云。这是天空中最高的云，通常在 5 英里至 6 英里的高空， 是由细微的冰晶组成的。而其他云都是由小水珠组成的。

■图 29 云与雾。这是罗恩山谷的云雾。山上方的是积云和层云，而后者被说成是不接触地面的雾。山谷中充满了雾，同样可以说它是接触地面的云。

如果大气只是一团混合的空气，我们会发现每升高 1 英里，气温就会

下降 29 华氏度。但是还有许多其他因素要考虑进去，例如地球温度、太阳的光照和地球表面的不同高度。用气球作的实际观察表明，随着高度的上升，温度的下降是相当有规律的：每上升 1 英里，温度就下降大约 17 华氏

度。当海平面的温度是 60 华氏度时，在 7 英里的高空，温度将是-60 华氏度左右。这接近史料记载的地球表面最低温度-94 华氏度。这个温度是在西伯利亚的沃克堆恩斯托克记录的。

早年的科学家们曾设想，任何人只要在空中升得更高一些，都会发现空气越来越冷；直到最后，空气极为稀薄，此时很难说还有什么气温可言。1898 年在巴黎附近放出了一系列气球以探测极高的空中的气温。这一试验

证明前面提到的那种设想是错误的。人们发现，升到 7 英里至 10 英里高度后，温度几乎保持不变，有时甚至会略有上升。据我们现在的了解，原因是有的气球已经升到翻腾的对流层之外，进入了平静的平流层，这里没有风暴对空气加压并使温度上升，或将空气减压而使温度提高。

当我们设法探索平流层的高度时，所遇到的困难跟探索地球深度所遇到的困难一样。探索地球的最轻而易举的方法就是打洞，要么是科学工作者亲自下去采集标本，要么是用仪器在地下取得样品。但是，用这种方式进入地下的深度终究有限，而要再往深处就只能借助于波了。同样的，要探索平流层，要么我们乘坐气球升空采样，要么用气球采集。这两种方法都是常用的，但是都不大可能升得很高。到目前为止（编者注：此指作者写书的时期），人类升空还没有高出 13.7 英里。这是 1934 年 1 月从莫斯科放飞的气球所达到的最高点，但是乘员却没能活着着陆。没有乘员的气球所达到的最高高度是 23 英里，这是在帕多瓦放飞的气球所达到的高度。在目前的情况下，要想达到比这个高度更高的高度只能用波。在探测地球时，只能使用一种波——地震波；但是，在研究平流层时，有三种不同的波可以利用，它们是光波、声波和无线电波。这三种波都能通过平流层， 并且可以使它们传递某些信息，就仿佛在气球上设置各种自控仪器一样。

通过平流层的光当然是太阳和其他恒星发出的光。这些光带到地球的信息是：当它们通过大气层时某些光失去了。许多失去的光是光谱仪上属于紫外线的那些波长的光，而且正是那些不能穿越臭氧层的紫外线。于是人们自然会得出结论：臭氧层阻止了紫外线到达地球。臭氧是一种特别重的氧气，一个分子中有三个氧原子，而不是通常的两个。人们一般认为臭氧的最大作用是使海边的度假者精神勃勃，使苍白的面孔容光焕发，使人显得健康等等。臭氧在科学上有什么价值，人们尚无所知。化学分析表明， 在海滨胜地、在海上和陆地上确有相当数量的臭氧。

科学家发现，到达地球的紫外线的量随太阳在天空位置的不同而变 化。由于两者之间的关系是明确的，因此有可能估计出吸收紫外线的臭氧层的位置。牛津大学的道布森教授及其他科学家最新研究表明，大多数臭氧层处于 25 英里外的高空，平均高度大约为 15 英里。臭氧的总量奇少， 总重量大约相当于一层 1/1000 英寸厚的最薄的纸的重量。紫外线通过数英里厚的普通空气后并没有明显的减少，但是，就那么薄薄的一层臭氧却足以阻止紫外线到达地球。那么，在某种意义上说，我们的大气层对所有的光都是透明的。这无论如何是一种幸运，否则我们可能被另一种不同的大气所笼罩。在此情况下，大气中的不同成分将像臭氧阻挡紫外线那样有效地阻挡太阳光中的其他成分，从而使太阳光也好、其他的光也好，都不能通过这种大气层。

幸运的是臭氧并不是把全部紫外线都吸收了，因为一定量的紫外线对人类是有益的。据说矿工或长期在地下工作的人，如果偶尔适当地接触人工紫外线的照射，会大大改进他们的健康状况。营养不良的儿童只要使皮肤接受一定量的紫外线辐射，从而产生身体所必需的维生素 D，他们的健康就能很快地恢复。但从另一方面讲，接受过量的紫外线反倒会比不接受紫外线更为有害，接受过量紫外线致死的消息我们时有所闻。

臭氧层控制着我们接受太阳紫外线的量，可以说给我们提供了恰好需要的量。当我们在其他行星上旅行时，我们会发现那里的大气层使紫外线通过的量要么太多，要么太少，对我们的健康都不利。地球的大气层对人类如此恩惠的理由很可能再次说明，经过了数百万代适者生存的选择，我们现在的身体刚好适应了地球大气层为我们提供的紫外线的量。如果人类及其祖先在其他行星上也生活上几百万代，那时我们也会感到地球上紫外线的量是无法忍受的，是有害的。

在从太阳和其他恒星发出的光中，还有某些波长的光在到达地球前就已经消失了，尤其是光谱中的红光和红外光两部分。这些消失的光波可以通过氧气、水蒸气和二氧化碳探测出来。它们没有为我们了解大气层的构成提供什么新知识。

关于光波的情况我们先了解这么多。我们会发现从无线电波中能了解更多的东西。与光波不同的是，无线电波不是从宇宙中进入大气层（极少量的无线电波除外），因此我们必须研究从无线电发射台发出的无线电波。我们已经知道，无线电波与光波从本质上来说是相同的，只不过无线电波的波长比光波长数十亿倍。由于两者本质相似，因此两者在性能上有许多共同之处。两种波都是直线传播的，而且都能被地球上的固体所阻挡。正像我们看不到地球另一面一样，我们也不可能接收到地球另一侧发射的无线电信号。因此，当早期的实验人员毫无困难地接收到地球另一侧的无线电台发射的无线电信号时感到无比的困惑。他们还能收到接收台附近的发射台发出的无线电波，这种电波绕地球两圈只需半秒种。不仅如此，凡是

操纵过无线电台的人都会发现，当两个发射台的功率相同时，较远处的电台的收听效果比近处的要更好一些。

人们逐渐得出结论：无线电波向四面八方发射，但是当某束电波接触到地球表面以上某一高度时就会重返地面。如果我们发现光波有这种特 性，就可以得出结论：在高空某处有一面巨大的镜子把光波反射到地面。在某种意义上讲，很厚的云层对于光波来说起到了类似于镜子的作用。例如，当天空乌云密布时，伦敦上空的闪光可以在离伦敦很远的地方看到。但是向地球反射无线电波的镜子想必与此大不一样。对普通的光来说，它

必须是完全透明的，而在晴朗的夜晚，相距遥远的电台的收听效果亦颇佳。众所周知，普通的镜子反光是因为镜面是一种导体，其表面通常有水

银或其他金属。而在特殊条件下，空气或其他气体也能导电，因此就没有理由说镜子就不可以含有空气或其他气体。一般来说，气体被“电离”后就能导电，这就是说电子从分子中被分离出来，成为自由运动的电子，并能传递电流。这一过程与水银膜或金属表面导电的过程正好不谋而合。1902 年，有两位科学家——美国的肯涅利和英国的亥维赛——分别提出一种假想：在高空想必有一层电离化的气体，对来自地面的无线电波来说就像镜子一样，能把它们反射到地面去。此后，他们的假想被充分证实，这层电离的空气层称为 E 层，或者叫肯涅利—亥维赛层，通常处于 65 英里至 70

英里的高空，但是有时会发现电离层高出或低于 20 英里，也就是说电离层

出现的范围在距地球 45 英里至 90 英里的高空。

最近又发现了第二层电离层，被称为 F 层，或者叫阿普顿层——是以发现这一电离层的科学家的名字命名的。这一电离层的高度在 90 英里至

250 英里的高空，其高度比肯涅利—亥维赛层更高，范围也更大。这两层电离层中的任何一层都不能单独反射所有的电波。有些电波可以穿过肯涅利—亥维赛层，最后却被阿普顿层反射回来。假如情况不是这样的，那么阿普顿层也就永远不会被发现。

大气层中的其他几层也是以同样的方式发现的。最低层叫作 D 层，可能就在 25 英里至 30 英里的高空。这一层在凌晨特别活跃，能把长波反射回地球。除长波以外，大部分电波都轻而易举地穿过这一层，但是归根结底总会被更高的一层电离层反射回来。今后收听外国电台时，我们可以停下来，思考一下：这些电波传送的节目是通过什么途径传到我们这里来的。我们可以想像这些电波离开发射台后扶摇直上，很可能冲破 D 层，进入更高的天空，使那里数以万亿计的电子自由运动，这些电子就像足球守门员一样，纷纷扑捉到达的电波，不许通过，然后就把这些电波踢回地球，于是这些电波就被我们的天线接收到。在天线上，电波又使大量电子自由运动。如果我们的发射台是戴文垂国家电台，发射的频率是 200 千周，高空

的每一个“守门员”都必须每秒钟前前后后跑上 20 万次，把电波踢回地球；

在地球的天线上，电子也得来回跑 20 万次；如果接收的条件不错，这些电

子还要在收音机里跑进跑出，并在电子管里激活一大堆电子。就这样，在上万亿的电子反复多样的活动下，我们终于收听到无线电节目。

也许人们会感到奇怪，怎么会有这么多电离层？我们不要忘记，大气层是含有多种气体的混合体，不同成分的气体要在不同高度上加以电离。此外，电离的过程中可能还需要各种不同的中介物质，并且在不同的高度上发挥作用。主要的中介物质很可能是紫外光，它在电离气体的分子方面起着举足轻重的作用。因此，各电离层都必须在臭氧层上面。这是非常重要的，因为臭氧层能吸收紫外线。

最近，科学家们又发现了其他反射层，这些反射层处在大气层以上数英里的太空中。我们可以通过计算发出的电波经反射后被接收的时间来测定反射层的高度。例如，如果反射回来的信号在发射后 1/1000 秒收到，而无线电波的传播速度是每秒钟 186000 英里，那么，电波发射上去和返回的

总距离是 186 英里，反射层的高度应是 93 英里。实验人员最近测得收到返

回的信号距发射的时间为 3 至 30 秒不等，这表明在大约相距 300 万英里的外层空间也有反射层。就像有最近的反射层一样，这些反射层是最遥远的， 很可能含有带电颗粒，而这些带电颗粒又不能悬浮在大气层中，它们很可能是从太阳上发射出来的带电颗粒，处在向地球运动的途中。

当我们观察太阳时，会看到它不断喷射出带电颗粒。有些带电颗粒在太空穿行了大约 30 小时之后与地球大气碰撞。按照电磁的一般规律，运动中的带电颗粒能被磁体吸引而偏离运行路线。地球正是个巨大的磁体。于是，当这些带电颗粒向地球运动时不再按直线移动，而是被地球这个巨大磁体的南北极所吸引。斯托莫教授已经向人们显示：在某些地方，这些带电颗粒被迫旋转迂回，滞留太空，许久不能向地球方向运动。在这些地方肯定积蓄了大量的带电颗粒，长时间地旋转运动。很可能是这些带电颗粒构成反射层，将地球上发射的无线电波反射回地球。当这些带电颗粒进入地球大气层后就会构成极光。这是地球两极附近常见的蔚为壮观的景象（见图 30、31）。

下面我们来考虑一下，当声波通过大气层时我们能得到一些什么知 识。就像无线电波一样，还没有哪种声波是从外层空间传到地球的。外层空间本来是不该有声音的，因为声波要靠空气传播，而外层空间却没有空气。因此，我们只能研究我们自己弄出来的各种声音。

■图 30 这壮观的褶裥状极光是开普顿·斯科特南极探险队看到并拍摄的。这种极光通常五彩斑斓，最常见的颜色是白、黄和胭脂红。

■图 31 另一种类型的极光。其中有个带有垂直流光的圆拱。也是由开普顿·斯科特南极探险队拍摄的。

当发生爆炸或出现其他巨响时，声波就从产生声音的地方向四面八方传播开，就像无线电波从发射台传播出去一样。垂直向上的声波会遇到各种不同的命运，但只有一种情况是不会发生的——永远沿直线传播出去。

因为外层空间没有大气，也就失去了传播声波的媒体。科学家们发现，声波传播到一定高度后，就有某个反射层将它们反射到地面，跟无线电波被反射到地面一样。我们的收音机能很好地收听 200 英里外的电台节目，而

对 100 英里处的电台的收听效果则不佳。同样道理，大炮的轰鸣或一声巨

响，常常可以在 200 英里处清楚地听到，可是在 100 英里处却不那么清楚。我们都很熟悉，而小孩子们也懂得计算闪电与我们之间距离的方法—

—计算出闪电与雷鸣之间相隔的秒数，然后除以 5，得出的商就是距离闪电的英里数，理由是声音在空气中传播的速度大约是每 5 秒钟 1 英里。如果用这一规则来判断爆炸的距离却往往不灵。这种声音好像传播得很慢， 或者说要比在地面上直线传播慢。实际上声波要到达反射层之后又返回地面，根据这个时间我们就能知道这个反射层的高度。计算的结果表明，这个反射层应当处于平流层。我们能轻而易举地推测出是什么原因使波束改变方向。我们已经知道，到了平流层上的一定高度后温度开始上升。众所周知，声波遇到热空气后就会返回到原来的冷空气中。

我可以自己做试验来验证声波的这一特性，而不必亲自到平流层去。在温暖的秋季傍晚，在太阳下山后不久，地面上会漂浮一层薄雾，而此时天空依然晴朗。这说明上面的空气比底层的空气的温度高。正是由于这两个层次温度的差别，造成了天空晴朗而地面上薄雾■■，形成了对流层与平流层的小型模型。在这种情况下，声音沿地面传播得很远，而且很清楚。声音不会往上传播，因为每当声波往上冲时，上面的热空气都会把它们顶回来。在夜晚冰冻的地面上或者在薄暮中的湖面上都会发现类似的情况。在上述任何一种情况下，声波都会从更高的高度和更大的范围返回到地

面，就如被较暖的平流层将声波反射到地面一样。

流星（将在后文讨论）的坠落进一步证明，在平流层以上升得越高， 温度也越高，而且还表明在 10 英里至 20 英里的高度上非常寒冷，到大约

100 英里的高度时，温度反倒会相当暖和。

图 32 的表格显示地球大气层不同高度上温度的变化。

我们一直非常关注地球大气层的透明度，却几乎忘记了大气层并不是完全透明的，而且有时根本就不透明。我们生活在英国，非常清楚蔚蓝的天空有时会乌云密布，有时又大雾弥漫。

而且，即使根本没有云雾，有时天空的景象也不是完全透明的。当我们来到月球上，仰望月球天空，那里没有蓝天，而是黑洞洞的，因为月球没有大气。同样的道理，如果逐渐除掉地球的大气，那么天空也会逐渐由蓝变黑。我们可以乘上飞机升入高空，穿过大部分大气层，就能看到天空由蓝变黑的早期过程。这里列出的天空不同高度的颜色，是 1934 年苏联科学家在莫斯科升空的气球“平流层号”上的观察人员记录下来的：

高度 颜色

5.27 英里（8.5 千米） 蓝色

6.82 英里（11 千米） 深蓝

8.06 英里（13 千米） 深紫

13.02 英里（21 千米） 黑紫

13.64 英里（22 千米） 黑灰

如果我们能完全飞出大气层，毫无疑问，天空将是漆黑一片。当我们再往上看时，实际看到的是空气颗粒团、尘埃、水蒸气等，每一种物质都能吸收一些太阳的射线，然后又向四面八方散射开。部分散射的光线来到地球，于是我们看到的天空是明亮的，而不是漆黑一片。

■图 32 图表显示对大气层探索的结果。以同样的比例尺观察，地球是

个直径为 50 英尺的球体。

天空看上去实际上是蓝色。或许人们会纳闷：太阳光并不特别显出蓝色，为什么天空偏偏是蓝色而不是别的颜色？原因是这样的：太阳光本来是各种波长的光的混合光波，而空气颗粒、水蒸气和尘埃对不同的波并不一视同仁。蓝光的波长比红光的波长短，而那些微粒的直径比这两种光的波长又都小得多。只不过这些微粒更接近蓝光波长，能更有效地散射蓝光， 因此当我们仰望天空时，散射的光线被我们看到，显出的主要是蓝色。微粒越小，散射的蓝光就越多，而大雨时大气中较大的微粒被冲刷掉了，因此大雨过后天空显得碧蓝如洗。同样，在大海上空、在高山之巅我们也会发现天空更蓝，因为我们摆脱了地面上那蒙蒙尘埃。在这种情况下，只有非常小的空气分子散射阳光。当较大的尘埃颗粒也散射光线时，我们就看到那种熟悉的朦朦胧胧的天空。

我们直接看太阳时，所看到的光线是那些没被分散、没被散射的光。由于被散射的光中蓝光远多于红光，因此到达地球的光中，红光或偏红色的光要多一些。于是太阳看上去比实际颜色要红一些。如果我们与太阳之间的空气或尘埃特别厚，例如在日出和日落时分，当阳光斜射穿过大气层时，太阳看上去比平时更红一些。这种现象有人在 1883 年以一种非常引人注目的方式进行了观察。当时正值克拉卡托火山喷发出大量的火山灰。这些尘埃首先使火山周围 100 英里方圆范围内一片黑暗，然后又笼罩了世界。在此后一连数月，大气层中含有这些灰尘，使得日出和日落的景色特别壮观。

水蒸气和雾的微粒也有类似的作用，所以雾中看太阳，太阳显得更红一些。街灯的情况也如此，最远处的街灯看起来要红一些。厚厚的云层有时把阳光完全遮住，但是白天，云团边缘却闪烁着银光或者是金色的光芒； 而在日落时出现的是深红色。

尘埃、水蒸气和雾的微粒对各种光在不同程度上都有散射作用；但与蓝光相比，红光却较不受到散射的影响，因为红光的波较长。红外光的波更长，它根本不受散射的影响。因此，假如我们的眼睛对红外光敏感，就能透过层层迷雾清清楚楚地看到远处的物体，就像在普通空气中看景物一

样。

摄像机弥补了我们眼睛在这方面的不足。我们注意到有些摄影胶片对红外光敏感。我们的眼睛看不到远处景物时，特殊的红外底片却能清楚地拍摄出来。装备了红外摄影器材，就可以利用飞机到相当高的高度拍摄地球，照片非常清楚地显示地球的表面呈弧形。

宇宙无限，奥秘无穷。人类

仅为了解和证明地球绕太阳旋转就用了数千年时间，各种学说纷起。一些星体的运行轨迹等问题已开始为人类认识。

第三章天空

现在让我们把思路转向地球及其大气层之外的现象，也就是所谓天文学现象。我们看到各种天体永无休止地在天空中运行，白天出现太阳，夜里出现月亮和星星。看上去它们都是由东向西运行，实际上是因为地球自转带着我们不停地由西向东运动，我们才会看到这种现象。

最引人注目的当然是太阳每天穿越天空的运行，从而带来了光明与黑暗（也就是白天和黑夜）、热与冷的交替。月亮的升起和下落及它在天空中运行的现象同样引人注意，而且这种注意肯定自地球上有了人类就开始了。

我们的大气层只使太阳光线的明暗变化起作用，不能使太阳的形状和亮度改变。但月球就不同了，月球的形状、亮度都在不停地变化着。每个月它都经历一个完整的变化周期，我们称之为“月相”。开始它只是一道细细的光，称为新月；大约一个星期后，新月逐渐变大成了半圆，称为半月；再过一个星期它就成了整圆，称作满月。之后月亮又渐渐变小，直到最后成了细细的新月。

新月时，月球总是离太阳较近；随着月球形状的扩大，它离太阳越来越远；直到满月时，它几乎正对着太阳，因此满月的月球半夜总在南方。不论是新月、半月还是满月，月球的亮面总朝着太阳，这说明月球本

身不发光，只是被阳光照亮的部分看上去有光。在某种罕见的情况下，地球正好走到月球和太阳中间，地球暂时遮住了照射到月球上的阳光，我们就称这种现象为月食。这时我们能亲眼看到月球本身是没有光的。

还有另外的、更罕见的情况就是月球刚好走到地球和太阳中间，—— 我们称之为日食。当月球经过太阳的正面时，月球看上去完全是个黑影。这使我们又一次亲眼证实了月球本身是不发光的。

人类的这些发现，听起来似乎很简单，实际上它经历了好长一段时间。早期的人类容易受表面现象的误导，对太阳、月球及恒星的大小、运动及物理结构曾有过种种怪诞的想法。如公元前 6 世纪，希腊哲学家阿那克西曼德（大约公元前 611—前 546 年）断言太阳、月球、恒星都不过是苍穹上面的洞，火从天上通过这些洞在闪光。他认为月球的盈亏是慢慢打开和关闭月球洞的结果，而日月食的发生是因为各自的洞口完全被封闭了。

几年之后，我们发现阿那克西门斯（约公元前 585—前 526 年）的主张是太阳、月球和恒星均是由从地球上升到天空中的火组成的。他想像太阳是一种扁平的火叶片，由于幅度宽阔，飘浮在空中，就像滑翔机和飞机

一样。月球也是类似的东西。恒星可就完全不同了，它们更像是些火钉， 镶嵌在天空的水晶面上。由于所有这些想法与日月食不沾边，阿那克西门斯不得不假设：天上还有些具有“泥土特性”的暗色球体，大概是这些暗色球体跑到我们的地球和明亮的太阳和月亮之间才造成日、月食的吧？尽管他没这么说。

接下来是色诺芬尼（约公元前 570 年出生）。他认为太阳、月球和恒星是一连串的火云在天空中航行。他相信（正如他之前的埃及人相信的那样）每天有一个新的太阳：前一天的太阳朝西走得那么远以至于看不见了， 于是又出现一个新太阳；不时地会有一片火云燃尽了，那便是一次食。

赫拉克莱第斯（约公元前 544 年出生）则认为太阳、月球、恒星都是盆或者碗，它们收集了地球上含火的散发物，从而产生出火焰。月球碗慢慢地转动，使得月球增大又变小，经历了众所周知的月相周期。如果太阳碗或月球碗碰巧转到背离我们的方向，那便会有一次食。

到那时为止，没有一个人的想法接近事实。阿那克萨哥拉斯（约公元前 500 年出生）独具慧眼，以其非凡的洞察力对所有这些现象作了准确的解释。他说月球是“具有泥土特征的”，上面有平原和沟壑，它传送从太阳那里来的光。他解释说月球的相是它沿着太阳轨道运行的结果，通过这种方式它才被照亮。他还明确表示月食是由于月球直接走进了太阳和月球之间的地球的影子里，所以月食总是在满月时发生；而日食则是由于月球插在了太阳和地球之间，所以总是在新月时发生。

早期关于太阳和月球的物理性质的模糊观念总是自然地伴随着对它们的大小和距离的同样模糊的观念。由于太阳和月球在天空中看起来大小几乎相等，所以很明显，它们离地球的距离也肯定是相等的。但这距离是多少，却有着无穷尽的不同意见。阿那克西曼德曾经断言说太阳和地球一般大；几年后，赫拉克莱第斯说太阳的直径只有 1 英尺，而阿那克西曼德采取了中间观点，坚持说太阳比伯罗奔尼撒半岛大。第一个严肃认真地努力去发掘事实真相的人是萨摩斯的阿里斯塔克斯（约公元前 310—前 230

年）。他从唯一可行的方法着手，即在实际测量的基础上进行计算。

在半月的时候我们看到月球刚好是半面被太阳照亮，因此图 33 中的EMS 角必定是直角。如果这时测量月球和太阳之间的 NES 角的话，三角形中所有的角的大小就都知道了，这也就很容易推算出三角形相应边的长 度。阿里斯塔克斯估算说 MES 角比直角差 3 度，并推算出太阳比月球大约远 18 到 20 倍。这种估计可不对。因为事实上这个角比直角差不到 3 度的

1/20，因而太阳比月球大约远 400 倍。

■图 33 萨摩斯的阿里斯塔克斯试用几何方法测量太阳和月球间距离的图示。

阿里斯塔克斯还有一种巧妙地用地球和月球本身测量距离的方法。月食时，我们看到地球的部分影子落在月球的表面，从来都只有部分影子，

因为整个影子要比月球大得多，实际上大约是月球直径的 4 倍。但阿里斯

塔克斯估算说地球的整个影子只有月球的 2 倍，并得出结论说地球是月球

的 2 倍。用这种方法计算了月球的大小后，就很容易从它空中对的角推算

出它的距离了。月球在空中看起来的大小就好比把半个便士拿到 9 英尺远

去看一样，直径为 2000 英里的天体看起来这么小肯定是在 24 万英里之外。这是一种新式计算。令人遗憾的是，阿里斯塔克斯的测量十分错误，

整个过程中根本没有丝毫接近他努力估量的量值的地方。他错误地测量了MES 角，认为地球的直径只是月球的 2 倍而不是 4 倍。除此之外，他还过

高估计了月球的大小，误差起码 4 倍，而且根本不知地球的准确体积。又过了好多年，埃拉托色尼才作出了令人震惊的精确估算。这点我们已讨论过了。

我们已经了解了地球怎样在空中转动，而所谓“恒星”（比如牧夫座 a 星和天狼星）却总是停留在相同的方向上，从而形成了一个固定的背景。太阳和月球看起来是在这背景的前面移动的，其他的天体如“行星”（源于希腊词πλανηιεζ，意为漫游者）也是这样。其中五颗最醒目的是金星（一名晨星、长庚星）、土星、火星、木星、水星。这些星在有记载以来的天文学形成前就为人知了，尽管人们还不太清楚金星只是一颗

星，不过是早晚交替出现而已。水星也一样。但是巴比伦人似乎知道这点， 我们发现毕达哥拉斯和帕美尼德斯在公元前 6 世纪就向希腊人解释了这

事。后来，差不多到了现代，又有三颗行星被发现——1781 年是天王星， 1846 年是海王星，1930 年是冥王星。除了这些大行星，还有数千颗小行星(minorplanets)，或称它们为微小行星(asteroids)。

从表面观察，行星好像以一种极不固定的方式在漫游。当其他星球以固定不变的方式自东向西在天空中运行时，行星却经常落伍，有时甚至看到它在星群中自西向东运行（叫做“逆行”）。每隔一定时间，金星和水星就会逆行到太阳的背面，之后它们又急速运行，冲到太阳前面。因此， 这两颗行星都摆动着不停地绕太阳运行，西边的摆动总比东边的来得迅 速。

行星的运行与恒星有秩序的运行形成鲜明的对照，使古人感到非常迷惑。毕达哥拉斯学派的人坚持认为行星的这种不规则运行是幻觉，行星实际上的运动肯定是平稳而有规则的。杰米诺斯(Geminus)写道：“他们不同意把那些神圣的、永恒的事物竟说成是无秩序、无规律的，说什么它们一时飞速疾跑，一时慢慢悠悠，一时又静止不动。即使是一个稳健而有条理的人在旅行，也没有人相信他会出现这么无规律的举动。”而且据说柏拉图还曾经向他的忠实的学生们出过关于找出哪类“一致和有秩序的运动” 能解释行星的运行这一难题呢！

当某一天体同时进行两种不同的运动时，即使每种运动都极其简单， 它在空中的实际运行轨道也会相当复杂。这是个普通常识。假如我骑着自

行车沿一条笔直的马路行走，我的脚在脚蹬子上绕呀绕，动作很简单，自行车的运动也很简单，可我的脚在空中的路线就十分复杂了。早期的天文学家们就是一次又一次试图以类似的方法解释行星在天空运行的复杂路线的。

第一次尝试作解释的人是公元前 4 世纪的欧多克斯（公元前 408—前355 年）。他试图用轮子套轮子，或是说球中有球的方法解释行星的运动。这些球是同心球，它们的中心都是地球。每个球都先绕里面的、再绕挨着它的外面的球转，所有的球转动的方向都不相同，每个运动的天体都有自己的球系，并附在这个球系最外面的球上。欧多克斯发现，他需要给太阳和月球各 3 个球，其余 5 颗行星各 4 个，总共 26 个球才能解释它们的运动。后来，卡里帕斯（约公元前 370—前 300 年）发现即使这么复杂的系统也不能完全解释行星的运行现象，就又加了 7 个，总共 33 个。

这套东西变得愈加复杂。但几乎是同时，本都的赫拉克莱第斯（此人我们在前面已经提到过了，他发现了地球的自转）恢复使用简单的方法， 并向真理跨近了一大步。他看出没必要用轮子或圆圈的方式来解释金星和水星的运行，只需说明这些行星根本没绕着地球转，而是像卫星一样绕着太阳转。后来萨摩斯的阿里斯塔克斯又向前跨了一大步，他假设地球也是绕太阳转的。下面引用阿基米得（公元前 287—前 212 年）的描述：“萨摩斯的阿里斯塔克斯写了一本书，其中包括某些假设，这些假设得出的结论是宇宙比我们现在所说的要大得多。他们的假设是恒星和太阳是不动 的，地球绕着太阳转圈，太阳位于圆圈的中间；而恒星也像太阳一样，位于它们那圈子的中心。它们的运转圈子是非常大的，以至于他认为地球在其中运转的圆圈和恒星的距离与这个圈子的中心到它表面的比例相同。”

这些观点在古希腊时期，或是其他任何时期并不受欢迎。人类从来就不乐意被告知他们的家不像他们经常喜欢想像的那样是宇宙的中心，而只不过是一颗绕着另一颗微粒旋转的微粒，比例是那么小，在浩瀚宇宙中如同一个点。于是我们在普卢塔克的作品中读到克林契斯(Cleanches)是怎样认为阿里斯塔克斯该被指控，因为他太不虔诚，竟然说宇宙的心脏——地球是运动的。阿里斯塔克斯告诉了人类一个令其不快的真理。但人们却很容易从其他天文学家那里听到他们想要听的一切。

阿里斯塔克斯之后约两千年，关于行星运行的最好解释是均轮和本轮说。它不是欧多克斯的轮子套轮子，而是轮子上有轮子。赫拉克莱第斯曾认为水星和金星绕太阳转，而太阳又绕地球转。很快人们就发现这套理论的扩展能解释所有天体的运行。这样一来，不管阿里斯塔克斯说过什么， 地球还是宇宙的中心。A 绕着地球转，B 绕着 A 转，C 绕着 B 转，如此类推， 就像杰克(Jack)建房一样，直到发现最后一个轮毂上的某个点上确确实实有某个行星在不断地运动时为止。

大约公元 150 年，由亚历山大港的托勒密形成的均轮和本轮理论，在

整个中世纪的黑暗时代里晃来晃去，几乎无人挑战。当然不时地也会有人提出怀疑，但直到公元 1543 年才有了严肃的挑战，波兰修道士哥白尼提议

用类似 1800 年前萨摩斯的阿里斯塔克斯提出的理论来代替托勒密的整套

理论。简言之，他认为太阳是静止的，而地球和其他 5 颗行星都绕着太阳转。三分之二个世纪之后，伽利略的天文望远镜证实了他的观点的真实性。

这种观点在中欧地区如同在古希腊一样不受欢迎，由于巨大的世俗偏见，哥白尼的书直到他临死也不予发表。伽利略不管这些，大胆地宣称他所信奉的是真理，于是整个余生都和教会的权威频频发生纠葛。

正如阿里斯塔克斯和哥白尼实际上已声称的那样，因为我们在地球上是从一个非中心的位置进行观察的，所以行星的运行才看起来是不规则 的。我们就像戏院里的观众看不到舞台上整个布景，因为我们离舞台的左边或是右边太远了。太阳提供了最合适的中心位置，从那里可以看到行星的运动。如果一个观察家把自己安置在太阳上就会看到每一颗行星以一成不变的规律一次又一次地重复着几乎同样的循环路线。他还会看到所有行星的路线几乎在同一平面，这个平面在太阳的赤道上倾斜一个小角度，大约是 7 度。

正如这位观察家从太阳的位置上看我们的家——地球正绕着它以环形路线在空中运行一样，我们从地球的位置上看，太阳正以环形路线在空中运行。太阳在空中运行的明显路线叫做黄道。而且，由于其他所有行星都像地球一样几乎在同一平面上运行，我们看到它们也以与太阳几乎相同的路线在空中运行。3 颗最近的行星——金星、水星和火星有时偏离此路线的角度分别达 9 度、7 度和 5 度，其余 5 颗行星没有一颗是超过 3 度的。因此太阳和行星们在空中的运行路线都集中在相当狭窄的轨道中。古埃及人和巴比伦人都知道这条狭窄的轨道，而且可能通过巴比伦人还传给了古希腊人。这条轨道叫做“黄道带”。

早期的人类只把星星看成是光点，可他们又不能不注意到这些光点很自然地会归属我们称为“星座”的星群中。他们把这些星群起上动物的名字、传说中的英雄，或熟悉的物体。有时以一个想像的类似的东西起名， 经常很逗乐，却毫无根据。巴比伦人把黄道带分成 12 个相等的部分，每部分里放进一个星座。除一个是例外，其余星座最初都以动物命名。“Zodiac” 这个词意为“动物圈”，这些星座最初被假定为动物的家。太阳在天空中运行时轮流去拜访，每月一次。由于天文方面的原因，一般从 4 月开始排名单，或更精确些说，从春分开始。我们可从瓦特(Watts)博士、歌谣作者的小诗里按顺序记住这 12 个星座：

白羊，金牛和双子座 接下是巨蟹，狮子在闪烁

室女宫，天秤座天蝎，人马，摩羯

手持宝瓶的人（宝瓶宫） 尾巴闪光的鱼（双鱼宫）

希腊人和埃及人给黄道带上的许多星座起的名字非常相似，可中国的黄道带却是以 12 种截然不同的动物命名的。代替白羊、金牛、双子和巨蝎的是狗、公鸡、猴和羊等。

天空中其余的星也被划成为星座，不少星座已被远古时期的作家提到过。如荷马以及约伯的书中都提到了猎户星座和大熊星座；至于小熊星座， 还在公元前 7 世纪就被泰利斯描述过了。很多星座对于许多语言和民族来说都是共通的。如猎户星常常和一个猎人或是英雄人物联系在一起，金牛座则与凶猛的动物相关。

公元前 4 世纪，所有从古希腊时代起就能看到的星座都被天文学家欧多克斯（柏拉图的学生）画在一个圆球上，后来阿拉特斯(Aratus)用文字把它们描写。其中大多数都与很久以前的古希腊或是更远古的文明时期的传说和神话故事有关。于是我们读到了关于大熊星座和小熊星座即大熊和小熊的故事。小熊是一个猎人变的，他不该杀死大熊，因大熊正是他的妈妈，天后朱诺出于妒嫉才把她变成了大熊。还有武仙座（阿拉特斯把它描写成“跪着的人”）和龙的故事。最好听的、最令人激动的要数英仙座、仙女座和鲸鱼座的故事了。安德洛墨达被囚锁在海边的大岩石上，海怪（鲸鱼座）正准备吞食她的关键时刻，柏尔修斯（英仙座）救了她。柏尔修斯让海怪看杜美沙的头。这头可以使任何看到它的人变成石头。他自己却在镜子里看它而免遭厄运。我还听过当代的一个童谣，说的是一只母牛跳过了月亮。这是由于作者看到月亮经过或是从金牛座下面经过而产生灵感编写的吧！笑着看这有趣情景的小狗无疑指的是下一个星座小犬星座了。天上还有一个圆盘（巨爵座）带着一只汤勺跑着呢。

希腊人不善于旅行，所有赤道以南的天空他们根本看不到，也就不可能划分星座。这真是遗憾。因为给这部分天空的星座起名字的当代人没能保留旧时名字的尊严和简洁。我们发现有这样的星座：印刷工的车间、画家的画架、雕刻家的笔、化学熔炉等等；更怪者，有菲特列(Frederick) 的荣耀、乔治的竖琴、查里斯一世的橡树等名称。由于希腊位于赤道北大约 40 度，古希腊人看不见的那部分天空就该是南极以内的了。这样，我们

有理由推断那些有现代名称的星座位于以南极为中心的 40 度的圈内。

大胆地说，我们发现这些星确都在 40 度的圈子内，但并不是以南极为中心。了解这一点既有趣又使人增长知识。

地球在空中像陀螺一样旋转，但它的轴不是总朝着同一个方向的，在地球赤道附近的凸出部分一直受日心力的牵引，而当这引力拧着地球轴在空中旋转时地球顶部不停地摇晃，很像小学生玩的陀螺快要停下来时的样子。

我们发现地球的轴摇晃着，每 2.6 万年绕一个完整的小圈。目前轴指

向小熊座的尾巴，可 4000 年前它指向熊的右耳，5000 年前指向熊的鼻尖，

1.3 万年之前整个小熊座还在北部天空十分靠下的位置上。当时地球的轴指向织女座附近，而织女座现在又到了天空十分靠下的地方。这些变化都是因为我们赖以生存的这个陀螺——地球在太空中不断运转的结果。希腊人在不同的年代看到的肯定是天空不同的部分，就好比我们在一只左右摇晃的船上，从船舱的舷窗看到的景象是不同的一样。这或许能解释为什么许多南部星座会有希腊的名称，比如半人马座。现在的希腊人是看不到那部分天空了，可那是在 4000 年前，当时的人们信奉半人半马这种怪物。

阿拉特斯在他的诗中所提到的那些星座并不是阿拉特斯那个时代希腊人所能看到的星座。冒昧地说，它们是在公元前 2500 年到 2800 年之前， 在希腊的纬度地区所能看到的星座。这样一来，阿拉特斯所描述的只不过是大约公元前 2800 年的一段时间里居住在与希腊不同纬度上的人们最初给起名的星座。这点对巴比伦人尤为重要，特别是因为还有其他证据证明， 这些主要的星座中有一些星座在更早些的年代就为巴比伦人所知。

星座的轮廓是靠其中最亮的星才为我们所辨析的。但还有很大数量的较黯淡的星，其中许多我们用肉眼只能勉强看到；还有许多许多不用望远镜是看不到的。

在正常条件下，普通视力的人的眼睛只能看到大约 6 英里远的 1 支烛

光。如果我们把光搞暗，或把距离再放到 6 英里处的话，那就一点光也看

不到了。我们把我们所能看到 1 支烛光的 6 英里范围叫做“视阈”。

我们把我们所看到的 6 英里远的 1 支烛光作为 1 个亮度单位，那么我

们用肉眼所能看到的最微弱的星星恰恰就是 1 个亮度单位。根据这个标

准，我们看到的最亮的星——天狼星，被发现有 1080 个亮度单位。换句话

说，就是相当于我们看到的 6 英里之外放着 1080 支烛光亮度的灯。第二亮

的星——老人星在南部天空很远的地方，有 550 个单位。这两颗星都很突

出。最接近它们、能和它们相比的是一串大约各自拥有 200 个单位左右的星：织女座为 220，五车二（御夫座）为 208，α半人马座和南河三（小犬座）每个为 180，等等。整个天空中有 100 个亮度单位左右的星大约只有20 颗。其次是 200 多颗亮度在 100～10 个单位的星，然后就是 4500 多颗在 10～1 个单位之间的星了。这就列完了我们用肉眼所能看见的所有大于1 个亮度单位的星了。整个天空中我们能看见的星大约只有 4 720 颗。它们不仅处在我们所能看见的那部分天空，有的还在地平线以下。后者大约有一半会在任何时刻跑到地平线之上，还有相当一部分藏在地平线附近的雾中或是云彩中。总的来讲，如果我们靠普通视力能看到 2000 颗星就算不简单了。

太阳和月亮是那么的明亮，大多数人都高估了它们的大小。它们绕天空运行需一整天，这就很容易证实它们各自仅需 2 分钟就能跨过它自己直

径的长度。换句话说，一整个太阳或月亮 2 分钟内就可经过任一个固定点。

这说明，要把太阳或月亮一个挨一个绕天穹排一圈，需要 720 个。由此我

们可以计算出，如果把整个天穹排满太阳和月亮，则各自需 20 万个。这个数字和可看见的星星相比就差不多是 42∶1。

一旦我们借助了望远镜的威力，我们能看见的恒星的数量便非常迅速地增加了。望远镜的主要功能是收集光波并使其投射在一个大的采光区—

—望远镜凸出的玻璃或镜片上。这些光波映入我们的眼帘就好比耳机收集声波，再将其传入耳朵一样。人眼（编者注：应指瞳孔）的直径只有 1/5 英寸，因此，直径 1 英寸的望远镜可收集 25 倍于肉眼的光，使我们可以看到任何含 1/25 以上亮度单位的恒星。这样的恒星现有 22.5 万个。可见， 仅 1 个 1 英寸的望远镜就能让我们多看到 22 万颗恒星，几乎是以前的 50 倍。威尔逊山上 100 英寸的大望远镜能显示出 3/1000000 个亮度单位的恒星，这些星的总数大概是 15 亿颗。然而这庞大的数字，如我们今后所要看到的，也大约只是恒星总数的 1/100。

■图 34 亮度标准图。右面的数字代表以“视阈”为单位的倍数，左面的数字代表星等（星的亮度）。天文学家以更高的技术测量星的亮度。通过比较中心线两边的数字，可得知两种测量之间的关系。

尽管恒星的数量庞大，但它们的总亮度并不太大。除了太阳之外，天空中恒星的总亮度只有 10 万个单位，是太阳光的万分之一。它相当于 100

英尺之远的 1 支烛光。

恒星靠自己的光闪烁。而行星却只靠太阳把它照亮，因而来自行星的光自然比恒星少得多，但由于它们离我们近，亮度便得到了补偿。

没有经验的观察者仅向天空草草地看一眼，这样一般是分辨不清行星和恒星的，尽管他可能会记得行星是不会远离黄道而漫游的。最亮的行星是金星、火星和木星。一般仅根据它们的亮度就可认出。金星，只要能看得见它，它总是最亮的；而火星和木星有时比最亮的天狼星亮些，有时则又暗些。

大多数恒星的亮度是稳定不变的，这是由于它们离我们的距离是固定的。但行星的亮度却因两个原因而变化：由于它们绕着太阳转，它们离我们的距离在不停地改变，而我们看到它们被照亮的部分也在变化。这些变化，离我们最近的金星表现最为明显。它被照亮的表面和明显的直径的变化如图 35 所示。显然，当金星离我们最近的时候，它看起来不可能最亮， 因为这时我们只能看到被照亮的细细的牙（好像新月）；当它整个表面被照亮时也不是最亮，因为这时它离我们太远，看起来很小；当它处在中间位置时看起来最亮，如图 35(c)所示。这时它有 13000 个亮度单位，有天狼星的 12 倍亮。其他的行星都无法与最亮的天狼星相比。水星最亮时有

760 个亮度单位，土星只有 360 个。

金星接近太阳时，它的直径将增至 63 或 64 秒。但这时它淹没在太阳的光芒中，几乎看不见了。

■图 35 金星的相：(a)当它离地球最远时，直径为 9.5 秒的圆；(b)

当它离太阳最远时，直径为 18 秒的半圆；(c)当它最亮的时候，直径为 40

秒的新月形；(d)直径最大时为 62 秒的新月形。

满月的亮度单位是 2 600 万，因此是金星最亮时的 2 000 倍。而太阳，

正午时分有 123 000 亿个单位，是满月的近 50 万倍。也许大家会奇怪:我

们眼睛是如此敏感，能看 1 个单位的光，而这么亮的光怎么不会使我们变瞎？实际答案是：光对我们眼睛的影响程度不是由亮度单位决定的，而是由它的位数，或是数学家们所称的对数来决定的。这样一来，太阳对我们眼睛的影响不是 12 300 亿而是 14，金星不是 13 000 而是 5，天狼星不是1080 而是 4。最暗的星还是 1。

尽管行星的位置和亮度在不停地变化，但天空在每个晚上看起来都很相似，它的变化不会让人吃惊。偶尔出现彗星可就激动人心了。不常见的景象中，最不寻常的属彗星和流星。彗星拖着长长的彗尾冲过天空，看上去好像是发了疯。早期的作家曾经把所有的彗星说成“长头发的星”。流星看起来则很像是它失去根柢而掉下来了。

彗星像行星一样绕太阳转，但轨道大不相同。行星几乎是作圆周运动， 因此离太阳的距离大致相同，而彗星通常在非常细长的轨道中运行。它的令人震惊的出现通常在几周或几个月内，那是它离太阳最近的时候。这期间，太阳的辐射使彗星喷射出一条长尾巴，这尾巴从不改变地背向太阳。

在彗星的本质被了解之前，它一直被当作不祥之兆。令人奇怪的是， 许多次最引人注目的彗星的出现，都和历史上一些重大事件巧合。或者以此预言未来。荷马在《伊利亚特》中写道：

红色的星，从它那火焰般的毛发中抖落下疾病、瘟疫和战争。

直到牛顿解释了彗星的运动，说明它们是违背了行星运行的同一法则，又被相同的引力牵引着，之后人们才不把它看作不祥之光。

流星的出现更令人兴奋。它们常嗖嗖作响，并经常以流星雨的形式出现。偶尔当我们仰望晴朗的夜空时会看见数十个流星，有时有无数个，像巨大的萤火虫疾驰而过。早期的中国人和日本人似乎受流星的影响很大， 他们保存着详细的记录，其中把流星描写成像雪、像大雨、像秋风扫落叶一样飞落下来。这里有一段关于公元 1519 年在朝鲜发生的流星雨的描述， 由神户天文台的 Y·Iba 披露：“有些像脱靶的箭在空中乱射，有些像红色的龙腾空狂舞，有的像火球迸裂，有的像弯弓卷曲，而其他的看上去很像双叉锥子，然后又变成多种纷乱的形状和模样。”

其实这些物体根本无权被描绘成星星。它们没有庞大的躯体，也不在数百万里之远的空间，而只是些硬石碎片或金属物质。大多数是那么小， 我们一只手中就能握住上百个甚至上千个。它们离家也很近——就在我们的大气层里。

细小的硬质颗粒穿过外层空间不停地旅行。每天有成百万的小颗粒穿射过地球的大气层，以几百倍于机关枪子弹的速度飞行。当它们最初进入大气层时，与空气的摩擦使它们初热，然后很热，然后赤热，最后白热化。到这一步，它们才看起来像星星。它们变得如此之热，以至于几秒钟就结束了生命的历程，化作气体和灰尘，从视野中消失。

这么小的物体竟然看起来会像真的星星，像天狼星和牧夫座α星一样明亮岂不令人吃惊？请记住两件事：首先，流星要离我们近得多，——它们只给少数的观众表演，只在地球上空几英里的地方而不是在几万亿英里以外的空间；其次，它们闪烁的时间要短得多，——仅仅几秒种，而真正的星星至少要闪烁了几十亿年。

与这些小物体性质相同的大些的物体叫陨石。当陨石飞过天空时，往往比真正的星星亮得多，甚至可以照亮整个地带。我们因而把它们描绘成火球。它们的外层表面有时变得如此炽热，以至于它们会迸裂开（就像冷玻璃突然浇上热水会迸裂开一样），经常发出巨大的甚至是可怕的爆裂声响。1533 年日本的一份记录写道：“满天的星星都火花四溅，飞射到地上、海上，分裂成小石块，发出极大的铿锵声，因此到处是恐惧，以为地球要被击碎，王国要崩溃，全体人都在绝望中哀叹。”

这种现象常被看作是天神发怒的象征，结果经常导致国王们或国家改变他们的生活方式。李维（Livy）讲述了公元前 650 年一次陨石降落导致了一场九天的隆重礼仪，以期能抚慰发怒的天神们。日本有记载说：好多次在被看作是告诫的陨石降落后，全国的人都动手修路。哥伦布的日记告诉我们：在他的船员们看到热带鸟之后知道他们已靠近了渴望已久的陆 地，但就在此时“看到一块陨石从天上落下，便变得非常悲伤”。

■图 36 巨大的 Hoba 陨星，估计重 60 吨。

■图 37 亚利桑那州靠近 Diablo 大峡谷附近的陨石坑。这是从空中自西北方向拍摄的照片，这个方向和陨石向地面撞击时的方向一致。

小的流星在到达地面之前就化成了蒸气。但大些的流星不会这样，它们通常落到地上，被称作陨星。小些的可能躺在沙漠里或农场上，直到被人发现送到博物馆或实验室里去分析。绝大部分被证实只不过是石头或晶石。少数由铁组成。有时混有岩石或石头，有时混有镍和钴。

大些的陨石也会在地球上掩埋自己，常常在它们落下的地方形成大洞或是陨石坑。图 37 显示的是亚利桑那州的陨石坑。它是椭圆形的，圆周 3

英里，深 570 英尺。据推测，这颗巨大的陨石肯定有 500 英尺宽，大概重

1400 万吨。

月球上温差极大，世界只呈

现黑白两色，每天都有上百万颗流星和陨石以每秒 30 英里的速度击向月球。那里没有生命的迹象，一片死气沉沉。

第四章 月球

我们知道月球在空中看起来总是差不多大，从而我们可以得出结论： 月球离地球的距离也总是差不多的。我们可以像测量一座无法攀登的山巅或是一架飞机的飞行高度一样测量月球与地球间的距离。

当一架飞机在空中飞行时，位于不同地点的人们必须向不同的方向观察才能看到它。如果它正好在一个人的头顶上空，它就肯定不会正好在 1 英里之外的另一个人的头顶上空。所以这架飞机的高度可以简单地通过测算它的方位偏离第二个人所在地点的垂直线的距离而计算出来。利用这种方法，天文学家发现地球和月球的距离在 221 462 英里到 252 710 英里之

间变动，平均距离为 238 857 英里。所以我们大致可以认为月球距地球 25 万英里远。

从这样远的距离，我们的肉眼看不到月球的细节。事实上，当我们注视着月球横穿夜空时，除了其表面一些或明或暗的斑片以外，我们就看不到更多的东西了。我们可以把这些斑片想像成月亮里一个人背了一捆木 柴，或是一位老婆婆在看书，或者像中国人认为的那样，是一只跳跃的玉兔。当然，头脑正常的人谁也不会认为这些想像出来的人或物真的在月亮里。但过去很多人认为月亮只是一面映得出地球面貌的大镜子，因此月亮表面上看起来明明暗暗的斑片只不过是我们地球上陆地和海洋的映像；另外一些人则认为那些暗淡的斑片是一些漂浮在地球和月球之间的物体。我们已知道第一个解释月相和月食现象的是阿那克萨哥拉斯，他曾断言：“月球表面跟地球差不多，有平原，有深谷。”

如果我们用一架天文望远镜，甚至用一部双筒望远镜来观察月球，它的结构之谜就真相大白了，就像 1609 年伽利略把他新制成的天文望远镜对准月球时所发现的一样，他立刻宣布月球是一个与地球相似的星球，有海洋，也有山脉。很久以来，那些暗淡的斑片被认为是真的有水的海洋，还以此命名。例如，图 38 显示的是三个大“海”之一，为麦尔·伊布利姆， 即雨海。此外还有麦尔·斯瑞尼塔蒂斯，即澄海；麦尔·柴奎利塔蒂斯， 即静海。

然而现在我们知道这些海洋并非真的有水，因为我们从未看到它们像地球景观中的远方湖泊那样反射着阳光、发出灿烂的点点鳞光。由于月球在宇宙空间的公转和自转，太阳的光线可以按顺序地从各个角度照到月球上，但月海却从未反射过太阳的光芒，从未发出过闪烁的波光，所以现在我们相信那些所谓的海洋其实只是干燥的沙漠而已。不难理解为什么“澄”

和“静”被选来命名这些猜想的月球之海了：因为我们从来也没看到过月海里有什么事情发生。“雨海”真是个欠妥的命名，实际上它只是想像的结果罢了。也许早期的天文学家认为有必要把命名多样化吧。

月球上不仅没有水，而且由于根本测算不出气体的数量，所以也可以说没有空气或没有任何气体存在。月球从太阳前方穿过而形成的月食可以清楚地证明这一推断。就在月食即将结束时的那黑暗的最后时刻，当强烈而耀眼的太阳就要从黑暗的月球后面显露出来（也就是说，太阳即将从月亮的丛山之后升起）的时候，如果月球有任何大气存在的话，就应该像在地球上太阳从山后升起时那样有色彩斑斓的曙光预示着太阳的出现。可是实际上月食后的“日出”根本没有曙光，突然之间，太阳就光芒四射地从月球后面露出来了。

■图 38 月球北半球的局部图（威尔逊山天文台摄）。图中部的“海” 是雨海。东南部是亚平宁山脉。南端是又大又深的爱拉托逊陨石坑。它左下方是更大的哥白尼陨石坑。

一架大型现代天文望远镜不但可以让我们看到月球景观中的很多细 节，而且可以进行拍摄。因为它可以被方便地改装成一架巨型照相机，而且天文望远镜的驱动仪表可以不断转动它，使镜头一直对准月球的某个局部，或对准其他任何我们喜欢的宇宙天体，所以你可以把摄影底片曝光任意长的时间而不必担心会模糊不清。

插图 38 至 41 的 4 幅照片是借助威尔逊山天文台 100 英寸的大天文望远镜拍摄的，显示了月球景观的不同细部。

我们都知道地球上的物体在日出和日落时投射着长长的影子，当太阳高挂时影子会短得多。在月球上的情况也同样，所以月球上山脉的高度可以从太阳不同时刻的投影长度估算出来。尽管月球直径只有地球的 1/4， 人们却发现月球山脉的平均高度要比地球山脉的平均高度高一些，不少山脉高达 15 000 多英尺，而且很多山脉还很陡峭。

到目前为止我们还只是从远处观察月球。现在让我们乘飞船去月球上走走。

我们的飞船必须以高速飞行——至少每秒 6.93 英里，否则就会像普通

枪支里射出来的子弹一样落回地面。如果飞船恰好以每秒 6.93 英里的速度起飞，虽然刚好能摆脱地心引力，但是摆脱之后它就没有什么速度可以飞离地球、带我们踏上旅途了。所以让我们以每秒 7 英里的速度起飞。在摆

脱地球引力之后，飞船仍可以以每秒 1 英里的速度飞离地球。这样我们大约在两天之后就可以到达月球了。

■图 39 月球南半球的局部图（威尔逊山天文台摄）。距图片左边缘的半英寸处的“海洋”是麦尔·胡默鲁姆；其右侧是更大的“海”，即云海。

我们只用了几秒种就穿出了地球大气。在穿越的过程中，我们逐渐将

所有的空气、尘埃、水蒸气等微粒抛在身后。就是这些微粒散射了太阳光线，使天空看起来呈现一片蔚蓝。随着这些微粒数量的减少，我们会看到天空的颜色如前所说的那样依次从蔚蓝、深蓝、深紫一直变到灰黑色。最后我们把所有地球大气都抛到身后时，天空中除了太阳、月亮和星辰之外， 到处都是一片漆黑。因为能把天空变蓝的蓝色光线不再被从光束中减掉， 所以日月星辰看上去比从地球上看时更亮更蓝。同样，由于不再有大气干扰星星发出的稳定的光束，它们也不再像从地球上看到的那样闪烁不定。而且它们的光线就像尖锐的钢针，使我们感到眼睛刺痛不已。如果我们回头遥望地球，就会看到它有一半左右的表面遮蔽在薄雾、云霭和微雨中。但在我们前方的月球却异常清晰地袒露着全部表面，没有大气将阳光散

射，也没有雨雾遮掩着它表面的光泽。

当然，在我们抵达月球之后一切都仍然很清晰，远比地球上的任何物体都更具清晰度。我们知道地球大气产生出许多柔和的色调，使地球的景观更加迷人：日出日落时的橙黄与艳红，雾霭中的紫红与青绿，白天碧蓝的天空，以及远处淡紫的烟霭。但月球上没有大气，也就无法把阳光分解成七彩，也不能把蓝色分配给天空，不能把红色分配给黎明和黄昏。这里只有两种颜色——白色与黑色。阳光下所有的物体都是白色的，而其余的一切则都是黑的。我们觉得这里就像一间电影放映室，唯一的光源是那盏能量巨大的灯——太阳。山谷隐藏在绝对的黑暗里，只有当太阳升到山谷周围的群山当空它才显露出来。这时山谷里的白天像突然打开了电灯一样来临了。

很显然，由于月球上没有大气，如果我们想跨出飞船到月球上四处逛逛，就必须随身带着供我们呼吸用的空气；也就是说，我们需要珠穆朗玛峰登山队员带的那种供给氧气的装备。也许你以为这种沉重的装备会使行走或攀登更为艰难，但是踏上月球的土壤后，我们立刻就会发现事实恰恰相反。月球的质量还不到地球质量的 1/80，因此月球引力也远远小于地球引力，——事实上大约只有地球的 1/6，所以我们可以背起很重很重的东西而毫不费力，甚至可以跳得很高。我们的身体变得灵敏轻松，任何人打破自己的跳高记录都不是难事。在月球上，一位优秀跳高运动员应该能跳到大约 36 英尺的高度，而一名普通跳远运动员也能跳出至少 120 英尺远。打板球赛别有情趣，因为球被击中后能飞得又高又远，所以为职业板球赛设置的投垒间距和场地面积必须是地球上的 6 倍！不过不幸的是，整个比

赛的时间是地球上的 6 倍，而且板球落地时间也是地球上的 6 倍。这样慢节奏的比赛实在称不上是比赛。

■图 40 这是月球边缘的局部图（威尔逊山天文台摄）。图左侧边缘的“海”是麦尔·耐克塔利斯，右侧是麦尔·佛昆蒂塔蒂尼，上方是“静海”的一个深“海湾”。

如果我们开枪射击，子弹会射出很远才落回月球。还记得世界大战中

射程几乎达 80 英里的重型武器吧？如果我们把它们架在月球上发射，炮弹就会直入太空、有去无回了。当然，月球上不应设置重型武器，可是一些别的事也有同样结果，例如从我们呼吸器里逸出的氧气刹那间就会飘进太空、无影无踪。

如前所述，我们的飞船必须以每秒 7 英里的速度起飞才能摆脱地心引力，否则它就会像一只板球一样掉回地面。同样，任何其他类型的发射物也必须以这种速度发射才能飞出地球。而空气分子的运动速度极少能达到每秒 7 英里那么快，所以几乎没有空气分子会从地球上逃到太空里去——

这就是为什么地球有大气的原因。相反，从月球上发射的物体只需每秒 1.5 英里的速度就可以轻而易举地摆脱月球引力，而多数普通的空气分子都具有这样的速度，因此我们会发现在月球上大气不会存留多久。

也正是由于月球上没有大气才导致月球上没有海洋、河流及任何形式的水。我们习惯认为水温达到 212 华氏度时才会沸腾。但是当我们到山顶高处野炊时就会发现我们犯了个错误：在山顶烧水，水比在平原更容易沸腾，沸点更低。这是因为山顶的气压低，因而阻止液体分子蒸发跑掉的能力弱。如果压根儿没有大气压强存在，不管温度有多低，水分子都会统统蒸发跑掉了。这就是月球上的事实。所以很显然，我们不会在月球上找到水，必须随身携带着自己的饮用水；而且我们也不能把水倒进杯子去喝， 否则就在我们想喝进嘴里的时候，杯里的水已消失得无影无踪，——水分子已一个接一个地逃离月球，遨游太空去了。

■图 41“哥白尼”陨石坑近照（威尔逊山天文台摄）。它的直径 46

英里，你可以很容易地在图 38 底部边缘处找到它。

既然月球上没有空气也没有水，我们就无法指望能找到人类、动物、树木或是花草了。多少世纪以来，人们夜复一夜、年复一年地观测月球， 从来没有人发现过任何森林、植被及其他生命的迹象。在这颗荒凉干燥的星球上，除了日升日落带来的光明与黑暗、酷热与严寒的更替以外，月球总是一成不变。月球是一个死气沉沉的星球，它只是像一个巨大的反射器、一面大镜子静静地悬浮在太空中，把太阳光反射到地球上。

现在让我们跨出飞船来探索一下月球的景观吧。我无法向你展示我们所能见到的月球细节照片，但是我可以给你看一些同样精彩的照片。大约50 年前，工程师詹姆士·纳米斯计算出月球上许许多多大大小小的山脉高

度，并根据其计算结果制作了一个月球模型。图 42 展示的是模型的一小部

分，你可以在图 38 中找到这个地区；图 43 展示的是图 38 中的另一区域。

那座靠右侧孤零零耸立着的山叫做皮库山。图 44 是纳米斯对皮库山所作的

模拟图样。图 45 和图 46 是对别的一些景观加以想像而绘制的图片（编者注：图 42、43、44 由纳米斯拍摄）。

你当然会感到奇怪：为什么月球的景观会与地球景观迥然不同呢？是因为月球的构成元素和地球的不同吗？或是因为月球的构成元素虽然与地

球相似但元素结构却不同呢？或者这所有的差异都归因于物理环境的不同吗？

■图 42 斜亘于照片下半部的是月球的亚平宁山脉，其上方是巨大的

阿基米得陨石坑。你可以在插图 21 的右侧找到它。

我们已经知道地球上的山脉、火山、陨石坑等是怎样形成的了。简言之，地球在形成之初是一团很热很热的气态球，它不断收缩、冷却、液化， 最后变成一只充满液滴和气泡的“海绵球”。这只“海绵球”继续冷缩， 气泡被挤了出来，形成了海洋和大气。这样，固体的地壳形成了。但是由于过于剧烈的收缩，地壳变得皱折不平，形成了诸如喜马拉雅山和阿尔卑斯山这样的山脉。当初这些山脉要比现在高 5 至 10 倍，后来由于雨雪霜冻的不断侵蚀才变得相对平缓一些。

看来月球山脉最初也是由于月球冷却收缩时形成的。不同的是，从月球内部挤出来的气体和水蒸气却无法以大气或海洋的形式覆盖月球，因为它们的分子早就射向太空、不知去向了。这样，在月球上那些雨雪霜冻等使地球山脉变平坦的侵蚀因素从一开始就不存在，因此月球山脉一直就是这样轮廓清晰、陡峭林立，跟形成之初一模一样。

然而月球上肯定存在着某种因素使这些山脉的轮廓如此陡峭；由于这些山脉都是断裂的岩层，因而肯定有某种因素使岩层断裂开。事实上，观测月球的人们有时能看到一些据称可能是由于岩石滚落而形成的尘埃云。由于月球上既没有雨又没有冰使岩石破碎，那么肯定有别的什么因素在起作用。如果我们到月球上走一走，很快就能发现这些因素是什么了。

我们知道偶尔冲入地球大气的石质或金属质天外物体碎片具有强大的撞击爆炸威力。较小的碎片像流星一样明亮可爱，在到达地面之前就燃烧成尘埃了；但是较大的碎片可就会给地球带来许多灾难。

当然，相似的天外物体碎片也会不断地冲撞月球表面。由于月球上没有大气来减缓它们的下冲速度，更无法趁它们冲到月球表面之前就把碎片燃烧成尘埃，所以大大小小的陨星几乎保持原速穿越宇宙空间直冲月球， 就像细细密密的枪林弹雨一样轰击月球表面。我读过许多关于在月球上探险的科幻小说，可是作者们都忘了提及一个情节：那些探险家们会置身于冰雹一样的持续不断的陨星轰击之中。这种经历可一点都不好玩。据保守计算，每天都有上百万的流星和陨星撞击着月球表面，而且其平均速度可能高达每秒 30 英里。这相当于来复枪射出的子弹速度的 100 倍左右呢！就

算陨星的体积不太大，但如此高的速度够令人生畏了。每秒 30 英里的速度

能使一小粒物质具有时速 30 英里的汽车的能量和毁坏力，而半磅重的陨星

就具有时速 70 英里的皇家战斗机的能量。如果这颗陨星冲到地面，立刻就能把一幢房屋夷为平地。显然我们地球居民受到地球大气的恩惠太多了， 正是它使我们免遭这种灾难。至此我们就能理解形成月球尘埃云与岩石坠落的原因了：那是陨星的作用。

■图 43 照片左侧的大陨石坑叫柏拉图陨石坑，其右侧稍向下倾的深谷

叫阿尔卑斯峡谷。你可在图 38 的右上部找到它们。

■图 44 这座孤零零的山位于柏拉图陨石坑以南（在上图和图 38 中都

可找到），名叫皮库山。它从平原上拔地而起，高达 8000 英尺。

人们常常猜测陨星的坠落可能也是形成月球上那些引人注目的环形山的原因。诚然，有些陨星可能确实能形成一些小陨星坑，但这不是所有环形山形成的唯一原因。因为如果所有的环形山都是由陨星撞击而形成的， 它们应该都和地球上的陨星坑相似才对。可是事实上月球环形山在很多方面都与地球陨星坑很不相同。月球上最大的环形结构远比地球上所发现的任何陨石坑都大得多，形状也更规则一些。由于陨石坑是由陨星从各种角度冲击到地面造成的，所以陨石坑应该有不同的倾斜度或不规则的形状， 但是月球上几乎所有的陨石坑都是正圆形的。因此它们是由于月球内部物质的运动造成的，而不是由月球之外的物体造成的。月球上许多陨石坑中部隆起，有点像地球火山的火山口。这似乎暗示着它们是由于某种火山运动造成的。——简单说，它们似乎是火山喷发后形成的火山口。

■图 45 这幅图显示的不是月球上某个特定的陨石坑，而是密布大大小小陨石坑的典型地区。（选自纳米斯与卡朋特著《月球》）

■图 46 这是地球遮蔽太阳形成日食时月球山区的典型景观。环绕地球的那圈明亮的光晕是由地球大气形成的。（选自纳米斯与卡朋特著《月球》）其他证据也证明月球表层主要是由火山群以及熔岩、火山灰等喷发物

组成的。在地球上，空气、雨水和冰霜的共同作用能把火山喷发物分解成土壤，这些土壤最终可以养育万物。但是在月球上没有任何因素作用于月球火山喷发物，更没有因素把火山灰变成土壤，因此它们永远以熔岩和火山灰的形式遍布于月球表层。

我们可用科学的方法检验这个推测。在图 46 中画家为我们描绘了一幅日食图。让我们假设这次日食发生在我们月球旅行期间，那么我们会有什么发现呢？

我们的第一感觉肯定是觉得奇冷。我们都知道在地球上发生日食时， 太阳突然被挡住后的气温是相当冷的。好在地球大气和土壤还储存了一定的热量，所以我们才安然无恙。而在月球上，不但没有大气可以储存热量， 而且月球土壤也几乎不储存热量。这是因为火山灰导热性能很差，就像裹在热水管上用以防止散热的石棉一样，阳光的热量都被隔在外面，无法进入土壤里面储存起来。就算月球内部有一定的自身的热量，我们也几乎受益无多，因为那点热量也被厚厚的像石棉板一样的月球土壤层隔在里面

了。因此，当太阳的光和热被挡住时，气温会从阳光普照时的炎热骤然降至比地球上任何时候的任何地方都冷的酷寒。

天文学家们可以把一架装备了“温差电偶”的天文望远镜对准某颗星星或月球表面的某一点用以测量其温度。用这种方法我们可以测得日食不

同阶段时月球表层的温度变化，结果发现这些变化不论温差数字或是变化速度都是极惊人的。随着地球投射的阴影移过月球表面，笼罩在黑暗里的地区的气温会在短短数分钟内从大约 200 华氏度降至零下 150 华氏度。

这样剧烈的降温足以证明几乎没有什么储存在月球内部的热量能到达月球表面。这当然也意味着月球表层肯定是热的不良导体。精确的计算结果显示，月球表层只具有与火山灰一样微弱的导热能力。

在月球上，每天的日出日落同样能造成温度的巨大变化。当然，其变化速度不会像日食时那样快得惊人。日出前月球的气温可能只有零下 250

华氏度；等到日上中天时，气温可能高达 200 华氏度，即相当于沸水的温度。即使在这样大幅度的温度变化中，月球表层大片大片的火山灰仍能使月球内部温度一直保持相当稳定。如果我们向地下挖一个大约只有一英寸深的小洞，就会发现那里的温度恒久保持在几乎接近冰水的温度。

人们对月球表面进行观察后猜测月球是由各种各样的物质——冰、 雪、岩石、银，甚至还有像干酪一样的绿色物质组成的。然而我们不能仅凭目测就能判断出一种物体的构成情况。许多物体看来类似，其实它们的结构却完全不同，例如钻石和人造宝石、真珍珠和假珍珠，你很难一眼就把它们分辨开来。但是如果我们用不同的色光照射目标物体再进行观察， 情况就好得多了。例如，在一种色光下看似相同的两个物体，在另一种色光下看时通常就截然不同了。

现在我们可以利用分光镜来作这种观察。分光镜能把普通光分成七 彩，从而便利我们分别使用不同的色光。如此一来，我们就可以让不同的色光讲述它们自己的故事了。在法庭上，法官大人总是坚持让证人分别出庭作证：警察先叙述事故案情，以及他是怎样逮住那个超速驾驶的肇事者

的；目击证人则轮流出庭讲述他们各自目睹的事故；车主则讲述他的遭遇， 等等。如果这些证人同时在法庭上又叫又嚷，法官是很难判断出真相的。同理，我们从宇宙空间接收到的不同色光发出的信号可以告诉我们其光源物质的性质，而分光镜可以帮助我们“收听”到这些有趣的“故事”。

尽管两种不同的物质有可能在好几种色光中都看似相同，但总会在某一种色光中发出不同的信号。因此，如果两种物质在所有色光中都相同、在整个光谱范围内的信号也类似的话，我们就可以相当确定地说，它们是同类物质。

如果我们用红外线和普通光拍摄同一风景，你能发现很多物体在两张照片上是不尽相同的，这说明它们是由多种物质组成的。然而当我们用同样的方法拍摄月球——不仅用普通光和红外线，而且也用其余各种色光—

—月球各部分发出的信号却都是相似的。所以，我们可以得出结论：月球表层各部分几乎都是由同种物质组成的。更进一步说，如果我们能在实验室里发现某种物质在各种色光中发出的信号都与月球表层发出的信号相 似，那么我们就可以推测说，这种物质与月球表层物质具有相似结构。

另外还有一种更深入、更具技术性的研究方法可以得出更精确的结 果。光线不仅可以被分成不同长度的波（例如分成七彩色光），而且还可以分成向不同方向振动的波。当我们用琴弓拉奏小提琴的琴弦时，琴弦会或多或少地向琴弓拉动的方向振动，其振动方向与琴身平行。但如果我们用手拨弄琴弦，弦会向我们弹拨的方向振动，这时的振动方向可能与琴身垂直。此时，琴弦奏出的声音与前者相同，但弦的振动方向却是不同的。

当光线被物体反射时，光波在空间的振动方向也会发生改变。光波转向的幅度在很大程度上取决于这个物体的性质。因此，在某种程度上，我们可以通过测量光波振动方向的改变及其幅度来辨认物质。当然，在我们得出月球的物质构成的最后结论之前还有一项很重要的工作，就是先检测一下我们所研究的物质改变光波振动方向及幅度是不是和月球表层物质所改变的一样大。这项检测工作很严格，也很有说服力，因为我们不仅能检测出在不同色光中该物质发出的信号，而且还能检测出各种色光向不同方向折射的角度。

现在，只有火山喷发物和火山灰非常成功地通过了这一系列严格检 测。除了靠近亚里士多德陨石坑的一小片区域以外，月球表层其他部分所发出的信号与火山灰的信号在各个方面都是一模一样的。用紫外线观察时那例外的一小片地方呈现黑色，但在普通光下那里与其他区域几乎没有什么不同。这片小区域的信号与撒了薄薄一层硫磺的火山岩是相同的——而硫磺是地球火山喷发物中很常见的组成物质。

综上所述，月球表层极有可能是由火山灰构成的：不论在一种色光还是在所有色光中，月球表层都看似火山灰；不论在一种色光还是在所有色光中，月球表层物质改变光波振动方向、幅度都和火山灰相同；它微弱的导热能力也和火山灰相同；而且最后一条理由是，月球表层灰状物质就散布于几乎已被确认的火山脚下。

太阳系诸星都有各自的“危

险带”，它是恒星拥有行星、行星拥有卫星的渊薮。对九大行星逐 个探察，除地球外，其余均不具备存在生命的条件。

第五章 行星

太阳系中有九大行星，地球是其中之一，它们都围绕太阳作有规律的运动。除地球之外的另外八大行星中，有五颗行星在远古时代就被人类发现了，而另外三颗行星——离太阳最远的三颗行星——相对来说发现得比较晚。

■图 47 太阳系中的太阳（上）和九大行星（下）的相对大小。九大行星按它们与太阳的距离由近而远排列，从左至右依次为：水星、金星、地球（有月亮）、火星、木星、土星（有光环）、天王星、海王星和冥王星

（编者注：图不清晰，有两颗星未显示）。

图 47 所展示的模型序列显示出九大行星在体积大小上具有较大的差异。离太阳最近和最远的行星在体积上是最小的；而处于中间位置的行星， 如木星和土星的体积是最大的；位于正中的木星是九大行星中最大的一

个，其直径达到 9 万英里，它的体积是地球体积的 1300 倍。如果把木星按某一比例缩小成一个足球那么大的话，那么地球在这个比例中只有一个玻璃弹子的大小，而火星则比一粒豌豆稍大一点。

如果我们按照一定的比例将图 47 中九大行星与太阳之间的距离缩

小，使离太阳最近的水星（它绕太阳运行的轨道不是圆的）在它离太阳最近时只有 20 英尺，那么地球离太阳的距离则为 50 英尺，而离太阳最远的行星——冥王星，其环绕太阳运动的轨道半径为半英里。

我们知道太阳系主要是由空旷的空间组成，然而如果将太阳系的空旷空间与宇宙的空旷空间相比，那就是小巫见大巫了。假如我们还采用上面的比例来构造我们的模型，那么与我们最近的恒星（除太阳外）至少也有3000 英里之远，可见宇宙空间是多么的巨大。

九大行星全都沿相同的方向环绕太阳运行。正像我们看到的一样，它们几乎处于同一水平面上，彼此之间都遵循着“单行道”的交通运行规则。除离太阳最近的水星、金星和离太阳最远的冥王星外，其余的行星都有一至多个卫星。位于中间的巨大的木星和土星，它们每个至少有九颗卫星， 也许会更多。因为利克（Lick）天文台的杰弗（Jeffer）博士最近发现了一个微小物体环绕着木星运动，他认为那是木星的第十颗卫星，其直径仅有几英里。

毫无例外，所有的卫星都沿着相同的方向环绕着它们的行星运动，而行星本身又环绕太阳运动，它们几乎都在同一水平面上。

除九大行星和它们的卫星之外，还有成千上万的天体，如小行星等，

它们也沿相同的方向环绕太阳运行。到 1933 年底，有 1264 颗这样的天体被发现。此外还有大量的彗星也沿着相同的方向环绕太阳运动。“单行道运动规则”在整个太阳系中是相同的。那么这个运动规则是如何实施的呢？ 该“交通”应如何指挥并且保持其运行的呢？

如果九大行星被完全分割开来而独自存在的话，那么每一个行星都将作匀速直线运动，而且不久它们都将消失在宇宙深处。在地球上，我们发现我们自己正以每秒 19 英里的速度在寒冷的外层空间中运行。然而，在第一章中我们探讨的历史书告诉我们，一定有某种东西在控制地球，否则地球早就消失在苍茫的太空之中了。正如我们看到一匹马正环绕赶马人在田野中一圈圈在跑一样，有一种东西在控制着马。

这种“东西”正是太阳，它对地球的控制正是通过我们所称的引力来完成的。你也许还记得——至少根据故事——牛顿是如何观察到苹果落在地上的，牛顿意识到地球是否也吸引它表面上的任何物体（如苹果等）？ 那么它是否也吸引外层空间的物体（如月亮等）？他并不认为地球吸引远距离的物体和近距离的物体所用的力是相等的。相反，他认为地球对它们的吸引力与它们之间的距离的平方成反比。

如果真是这样，那么我们就很容易地计算出地球对月亮的吸引力。月球到地球中心的距离是我们自己到地球中心距离的 60 倍，因此，地球对我

们的吸引力是对月亮吸引力的 3600 倍。对于近地表的物体来说，物体在 1

秒中内朝向地球可以下落 16 英尺，而对于月亮表面的物体（包括月球本

身），它们在 1 秒中内朝向地球下落的距离是地球表面的物体下落距离的1/3600，相当于 1 英寸的 1/20。虽然地球对月亮的吸引力很微小，但是它却使月亮精确地沿着它的轨道运行，从而避免了月亮逃逸到太空之中。尽管月亮以每小时 2300 英里的速度运行（这个速度相当于一辆特快列车的

40 倍），然而由于月球周而复始连续运行，由于它朝地球方向移动的距离

十分微小，结果使得现在月球到地球的距离与 1000 多年前几乎没有什么差异。

正像地球引力保持着月球沿着合适的环形轨道环绕地球运行一样，太阳的引力也保持了地球和其他行星以圆形或近似圆形的轨道环绕其运行。每一个行星都可以比作是在绳子的另一端环绕着我们的手做圆周运动的物体。我们的手相当于太阳，绳上的力相当于太阳的引力。物体环绕手旋转越快，绳上的力就越大。现在观测表明，太阳系中离太阳最近的行星环绕太阳旋转的速度要远远高于太阳系中离太阳最远的行星，因此太阳对最近的行星的吸引力要远远高于最远的行星。这符合牛顿定律，即引力的大小是与距离的平方成反比的。的确，正是这个定律决定了行星运动的速度和距离。所有行星都调节着它们的速度和距离，以便使它们的引力能精确地满足于它们的自转和公转。

水星环绕太阳 1 周所需要的时间要比冥王星少得多。实际上，水星绕

太阳运行 1 周需要 3 个月的时间。而冥王星环绕太阳 1 周的时间是 250 年，

这个时间是水星的 1000 倍。所以冥王星仿佛总是停留在天空中的某一位置

上一动也不动。很显然，其他的行星环绕太阳 1 周所需要的时间是介于这

两个极端行星——水星和冥王星之间的。金星绕太阳 1 圈大约需要 7 个月，

地球是 1 年，火星近 2 年，木星几乎需要 12 年，而土星需 29．5 年。

太阳就像一个火球一样向空中的四面八方放射出光和热。九大行星如同哨兵一样围绕着火球一圈一圈地行走。最接近火球的哨兵一定是热得非常难受。而离火球最远的哨兵却非常寒冷，除非它自己有热量来源用以保持它的温度，否则仅依靠火球给它传送的热量，它将永远处于寒冷的状态。

如果行星没有来自它内部的热量补充的话，那么它从太阳那儿所吸收的热量将很快地辐射到太空中去。行星吸收的太阳光能是很容易计算出来的，然而行星辐射到太空中的能量是由它的温度所决定的。其表面的温度越高，它辐射的能量就越多。本身内部没有热量供给的行星，它从太阳吸收的能量正好与它向太空中释放的能量相等。如果一个行星以很快的速度自转，那么该行星表面的温度基本上是一致的，这就像在火上旋转烤的羊肉一样，其周身受热是均匀的。实际上，大多数行星的自转速度很慢，这样就导致朝向太阳的一面的温度要高于背向太阳的那面的温度，其结果是行星晚上的温度要低于白天的温度。行星表面任一点的温度是不稳定的， 通常是在平均温度上下波动。

地球所吸收的太阳能是很容易计算出来的。为了将这些能量释放回太空中去，地球表面必须具有 40 华氏度的温度，而这一温度正好高于冰点； 同时地球还要被看作是一个无大气层的坚硬的黑色球体。在允许的范围内做了一些规定后，我们发现，计算出来的地球的平均温度要比实际观测到的平均温度低。实际观测值是 57 华氏度。这说明地球并不是从太阳那里得到了它的全部的热量，而地球本身一定有内部热量的供给。这些热量可能是地壳中的一些放射性物质。这些知识我们在本书的第一章中就介绍过

了。

我们可以采用相同的方法计算其他的行星的平均温度，但须假定这些行星都只从太阳那里获得热量，没有其内部的热量供给。九大行星的温度， 从水星温度 343 华氏度开始，一直可以变化到冥王星的平均温度 380 华氏度。有趣的是，九大行星平均温度的计算值与实际观测值极其吻合，这表明九大行星几乎都没有来自它们自己内部的热量供给，它们所有的热量几乎都来自于太阳的电磁辐射。

距离太阳最近的水星的温度是相当独特的。计算结果显示，如果水星 迅速旋转，它表面的温度将恒定保持在 343 华氏度；如果旋转得慢，那么

它表面的温度将在 343 华氏度上下波动。在极端情况下，即水星的一面始终朝向太阳，而另一面始终背向太阳这一情况下，向阳一面的温度将远高于 343 华氏度，背阳的一面将远低于 343 华氏度。计算结果还表明：水星

向阳面的中心，由于太阳直接照射，它的温度将达到 675 华氏度。目前观测到水星向阳面中心点的温度与计算的结果相当吻合，这就证明水星总是一面朝向太阳，就像月球总是一面永远朝向地球一样。换一句话说，水星总是一面永远是白天，而另一面永远是黑夜。永远为白天的这一面，由于它的温度永远是 675 华氏度，因此这么高的温度便不可能使任何大气存在。由于水星的质量仅仅是地球的 1/25，因此它的引力也比地球的引力小得多，它表面上的大气分子或任何抛射物都将以每秒 2.25 英里的速度飞向茫茫太空。如果水星表层有大气层存在的话，水星阳面表面的气体分子运动不断被高温加速，气体分子也早已逸散到太空中去了。水星外表看起来像一个黑色的圆盘，说明水星没有大气存在，因此也不可能看见反射的太阳光。

水星离太阳很近，所以它完全消失在太阳的光芒之中了。即使在最有利的时机，观测水星表面的景观也是极其困难的。然而某些永久标志我们还是能够看到的，正像月球表面那些醒目的标志一样。通过对从水星上反射回来的光的研究，我们发现：水星表面可能与月球表面十分相似，其表面可能也布满了高低不平的火山灰和尘埃。

金星是水星之外离太阳最近的行星。它与我们的地球有许多相似之处，在许多方面可以说是地球的孪生姐妹。其直径为 3870 英里，几乎与地

球直径 3960 英里一样长。但是金星上物质的密度却比地球上的要小。金星

上物质的平均密度是水密度的 4.86 倍，而地球上却是水密度的 5.52 倍。由于这个原因，金星的总质量比地球轻 19％，它表面的引力也比地球表面的引力小 15％。当金星表面的气体分子或抛射物的运动速度达到每秒 6.3 英里时，这些气体分子或抛射物将脱离金星的引力逃逸到太空中去。而在地球上这个速度是每秒 6.93 英里。

因此，这两颗星球具有明显的相似性。如果有所不同的话，也是因为金星比地球更靠近太阳。通过计算发现：金星上的平均温度比地球上的平均温度约高 90 华氏度。然而，即使在此温度下，水依旧能以液体状态存在， 同时该星球也能保持大气，所以我们期待着在金星上也能发现地球上面也有的海、河、大气、云和暴雨等自然景观和自然现象。

我们对于金星上有大气层和云的看法是非常肯定的。因为当金星以很少有的次数通过太阳前方时，它表面的反应与没有大气的水星和月球有极大的不同。当金星进入或离开太阳明亮的一面时，我们看不到金星是一个明显而清晰的黑色圆盘，看到的是其边缘为梨形的闪烁着光芒的黑色圆 盘，边缘上的光是它的大气层反射太阳的光而产生的。现在的研究表明： 金星完全被云层所包裹，该云层相当厚而且永远存在，我们无法透过该云层观察金星表面，即使我们采用能穿透云层的红外光也无法办到。

用红外光和紫外光分别拍摄金星，发现这两张照片没有本质上的区 别。在紫外光拍摄的照片上有许多黑色的斑点，但是这些斑点并不是永远

存在的，它们可能是云和雾的阴影。如果它们是金星表面上固定的景物的话，那么它们在红外光拍摄的照片上就能够明显地反映出来。因此，我们必须放弃我们曾经认为可以透过云层而看到金星表面上任何固定景物的希望。

对金星被浓厚的云和雾所包裹这一事实并不难理解，因为它的表面温度太高，导致其表面上的水以气态的形式存在，其量要比地球上多得多。但是无论什么原因，云层是客观存在的，要想对云层下面进行深入研究几乎是不可能的。现在可以说，我们仅仅对金星表面云层和雾层以上的平流层作了一点初步研究。

我们通过对穿过地球平流层的太阳光的分析，可以研究地球平流层的组成。我们发现太阳光中有些波长的波被平流层过滤掉了，由此我们可推断，在平流层中有臭氧存在。

我们采用相似的方法对金星进行了研究。我们发现金星的光实际上是已经两次穿透了金星平流层的太阳光，即一次是来自太阳的光射进金星云层，另一次是再从云层中反射回来进入我们的眼睛。我们将金星的这种光与太阳直接到达地球的光进行比较研究，发现来自金星的太阳光中有些波长的光已经丧失了。由于这些光的丧失只能发生在金星的平流层中，所以我们可以推断出金星平流层的组成。

这样我们立刻就发现了地球的平流层与金星平流层在组成成分上的不同之处。金星上没有可以看见的大量的水蒸气。这一点也许并不令人惊奇， 因为地球的平流层中也没有大量的水蒸气。事实上。它们最明显的区别在于：金星的平流层中几乎不含有氧气。

氧气的存在是极其重要的，因为许多化学物质都极易与氧发生化学反应，正像我们所看到的铁生锈、腐蚀和燃料燃烧现象一样。令人吃惊的是氧气居然在地球的大气层依然存在至今。这要归功于覆盖在地球表面大量的植被进行的光合作用，绿色植物不断地向地球大气中释放氧气。植物发挥着氧气制造工厂的作用。金星表面没有氧气是非常可能的，因为金星表面没有植被，从而也就没有氧气的来源。

为了推测金星表面的物理环境，让我们先来研究月球和水星表面的物理环境。在月球和水星表面，我们可能发现干旱的岩石荒漠。这些荒漠是由太阳过分的烘烤和背阳面过分寒冷形成的，但是它们却完全没有受到风和雨的侵蚀。金星表面也有岩石荒漠，然而这些荒漠肯定不是干旱的，至少要发生一些变化。如果金星也像我们地球一样自转，那么我们就可以很自信地认为金星表面也会发生与地球相似的风、干湿季节等自然现象。然而我们已经看到，水星总是以相同的一面朝着太阳转动，金星也极有可能是以相同的一面朝着太阳，或者可能以极其缓慢的速度像地球一样自转。换句话说，金星可能与水星一样有一个永久的白天和一个永久的黑夜，或者可能以极其缓慢的速度交替出现白天和黑夜。在这两种情况下，金星可

能几乎没有风也没有雨，仅仅有一个永远潮湿而炎热的气候。

金星表面与地球在生命开始出现并改变了地球表面的景观和大气组成之前的远古时代有非常相似之处。当我们乘坐“时间列车”返回到过去， 我们一定会发现，地球比现在要热得多。这些热量一部分来自于地球内部， 另一部分是太阳本身比现在热得多，所以太阳提供了极其丰富的热辐射。也许今天的金星正展现地球早期的风貌，而未来的金星也许将重演我们地球现在的历史。即使今天，金星仍没有植被存在，但是随着它的演化，它可能会出现植被，并向它的大气层中提供氧气，以至于最后导致非常高级的生命出现。然而我们对生命的本质和特征知之甚少，我们目前对生命起源的想法都是最大胆的设想和猜测。也许生命在金星上将以完全不同的形式出现，或者生命在金星上永远不会出现。我们显然并不清楚，因此我们无法去妄自猜测。

如果我们继续在太空中遨游，当我们从远离太阳的地方经过我们早已熟悉的地球后再向前遨游，我们就来到了与地球相邻的火星。如果金星是 地球的孪生姐妹，那么火星就是地球的小弟弟；假如金星是地球温暖的姐妹，那么火星就是一个非常寒冷的小弟弟；如果金星勾画出了地球遥远的过去，那么火星则可能预示着地球遥远的未来。

由于火星的直径仅为地球的一半，质量仅是地球的 1/10，所以火星无法在体积和质量上与地球和金星相比，它的密度也比地球和金星小，因此它的引力也小得多。用相同的力我们在火星上跳的高度可以达到地球上的3 倍，跳远也是地球上的 3 倍，月球上跳的高度和距离是地球上的 6 倍。

火星上大气分子或抛射物仅需每秒 3.1 英里的速度就可挣脱火星对它的吸

引而飞进太空之中。而这个速度在地球上是每秒 6.9 英里。如果火星位于现在水星的位置上，那么它的大气分子将会不断地被加速到每秒 3.l 英 里，从而它的大部分或全部大气分子都将消失在太空中。但是火星距离太阳越远，它就越能改变这种命运，即它的大气层将变得越厚。利克天文台用紫外光和红外光拍摄了火星照片。当我们把这两张照片重合时立即发 现，用紫外光拍摄的照片明显地大于红外光拍摄的照片。这个差异正是火星大气层的厚度。

正如我们对金星的观测一样，我们看到的火星表面的光也是两次穿越了火星的大气层。因此，我们也希望能从它的光谱中找出丢失的波段，并从中推论出火星大气层的组成。但是我们在分析它的光谱时发现，它的光谱中几乎没有什么波段被滤掉。威尔逊山的天文学家有非常先进的设备， 他们对火星大气层中的氧气和水蒸气的存在进行了细致的研究。他们没有发现在火星上有氧气存在，并且认为火星表面每平方英里面积中的氧含量远远不及地球表面相同面积氧含量的千分之一。

虽然有一些证据表明火星上有一定量水蒸气存在，但是通过分析仍然没有发现火星大气层中有水蒸气存在的直接证据。火星上有我们地球上一

样的冷热季节的交替，并且已注意到它的表面上的某些特征是随着其季节而作有规律的变化。例如，覆盖在两极地区的白色极冠在寒冷的季节存在， 而在温暖的季节里便消失了。白色极冠常被猜测是冰或雪——也许是在空气中的冰晶颗粒形成的云，或者是其表面上所覆盖的雪——虽然它也可能是仅仅由二氧化碳或其他物质组成的雪，而不是凝结的水蒸气。

人们还注意到，每到火星的春天，黑斑就出现，秋天便又消失。当然这主要是在赤道和南半球。开始人们以为这些黑斑是海洋，但现在认为这是不可能的。其一是因为其颜色变化太多太快。比如，据观察，有一黑斑在短短的几个月内就由蓝绿色变为巧克力棕色，然后又恢复到黑色。这些黑斑还与月球上假设的海洋相像，同样地从不反射阳光。天文学家曾一度认为它们可能是森林或大片的植被。自此，以考察月球表面的同样方式对火星的表面进行考察，发现火星似乎具有与月球表面相似的成分，即火山灰或诸如此类的东西。因此黑斑可能是像月球那样由阵雨打湿极干的表面而造成的。

如果我们乘航天器到火星上去，很显然我们必须再带上空气和水，得对应付极其恶劣的气候做好准备，并做最坏的打算。

火星的昼夜和四季与地球很像。它自转 1 圈为 24 小时 37 分，因此它

的一天比地球上的一天略长一点。同时又因其轴心的角度为 25 度 10 分，

比地球的 23 度 27 分角稍倾斜一些，我们会发现火星的四季比地球四季更分明，冬夏的差别会更大。还有别的一些原因影响火星气候的变化。

地球绕太阳运行的轨道虽然不是非常圆，但近乎圆形。由于其与太阳的距离在 12 月比在 6 月少 3%，我们北半球的居民在冬季中期距离太阳最近，而南半球的人们在夏季中期距太阳最近。与太阳的距离的微小差异就减小了北半球冬夏之间的差别而加剧了南半球冬夏间的差异。因此，我们去南极而不是去北极才更能领略到极端气候的滋味。

但是，地球与太阳之间距离的变化还没有大到足以影响我们生存。而在火星上就不同了，其轨道不像地球轨道那样圆。我们与太阳距离之差不足 300 万英里，而火星与太阳的距离之差高达 2600 万英里。因此，当火星接近太阳时，整个行星上的气候变得相当温暖；当其离太阳远时，整个行星又变得很冷。整个火星的冷热变化当然对火星的四季有相当大的影响。最热的时候，即火星离太阳最近的时候，是在南半球仲夏之前。因此，在火星上与在地球上一样，极端气候出现在南半球，而且其差异程度要比地球大得多。

那么，如果我们乘航天器到火星上去，我们不妨利用其热源。但即使如此，我们会很快发现仍不够用。因此，让我们安排在火星离太阳最近的时候着陆，即在整个行星最温暖的期间，并在中午着陆于赤道以南。在这儿，气温可能高于 60 华氏度。但是，即使碰上晴朗暖和的天气，严寒也将伴随着夜晚到来。因为行星上既没有足够的云层，也没有足够的大气层来

保持它的温度，阳光一旦消失，火星就很快地变冷，就像在地球上的沙漠里一样，而且有过之而无不及。在太阳落下之前，其温度很可能降至零度， 而在太阳升起之前，可能降至零下 40 度。

这就是火星所能够提供的最好天气。到了行星距太阳最远时，整个行星的温度还要大大下降，我们可能无法在行星上找到任何一个气温在冰点以上的地方。

我们已经看到火星表面与月球表面非常相似，所以当我们跨出登陆舱时所看到的自然景观与在月球上所看到的基本相似。我们几乎不抱能看到地球上所有植被的任何希望。因为地球上的植被比火星有更多的水分来滋养，因而也就释放出更多的氧气。

我们会不会遇到火星人？这是一个让人激动不已的问题。

1877 年，意大利天文学家斯基帕雷利(Schiaparelli)用小功率望远镜广泛地研究了火星并宣称，除了看上去像海的大片斑点外，还有更精致的斑痕，即他用意大利语描述为“运河”的东西。他所用的这个意大利字眼意为“水道”，像威尼斯的大运河和其他运河等水道。但它并不意味着英语意义上的运河，不管笔直的水道是不是人造工程。然而，当他的描述被译成英文“运河”一词时，人们就开始争论说：如果有运河，就一定由智能人修建。至今仍在争论。

然而最近人们对到底有无这些水道或运河产生了怀疑。毫无疑问，天文学家似乎看到火星上两种斑痕的不同印迹，这两种东西可分别被描述成“主观的”和“客观的”。在光线不足的情况下，人们竭力睁大眼睛看一物体时必然产生这样一种倾向，即看到想像中的直线连接着阴影。我认识的一位天文学家是这么解释这一现象的。他把一张行星的发亮照片放在他花园的一头，然后请朋友使用小望远镜观看。相当一部分人说，他们看到了像火星运河一样清晰的黑线。解释其原因很简单：在光线微弱的画面上， 其细节只能凭睁大眼睛使劲地去看，而这一使劲反倒造成了看见本不存在的线条。另一位天文学家把火星图画上的运河擦掉，让一个班的男生去画他们所见到的东西。坐在教室后面的学生在画上画了很多运河，与天文学家们事先所画的非常相似。由于男生所画线条是想像中的，那么有理由认为天文学家所看到的线条也是想像出来的。

那些声称看到火星上有运河的天文学家们通常以直线把运河画在地图上。但是很显然，不管这些线条是否笔直，它们不可能在火星处于任何位置时看上去都是笔直的。在火星处于某一位置时看上去笔直的运河，当其自转到一个新的位置，由于火星表面的曲度，这条运河就会显得弯曲。这又似乎说明运河主要是主观的幻觉。这一结论也为以下的事实所证明：在表面不可能存在运河的星球（金星、水星及木星的卫星）上也可看到类似的线条。由于金星是被厚厚的云层覆盖，水星上水会沸腾，木星的卫星上水会结冰，因此这些星球上是不可能有运河的。

■图 48 为了验证一些天文学家认为他们在火星上看见有运河存在的想法，先画了这幅没有运河的火星图像。

相机拍摄的照片常常被用作最后的证据。虽然火星的照片上显示出很明确的斑迹，但与所谓的运河系统并不相像。可能这还不能作为结论性的证据，因为摄影由于技术原因，并不适合于非常精细的斑迹的记录；而且正如运河观察者们所言，对这些斑迹很可能还是以肉眼观察为最佳。

综上所述，大部分证据及天文学家们的观点都否定运河的存在。当然这并不能说明火星上没有生命，但至少我们不会因此而认为火星上有生 命。

因此，如果我们决定登上火星，我觉得我们大可不必担心会遇到火星人，倒是更有可能看到荒无人烟、条件恶劣的沙漠。那里气候的极大变化虽不及月球那么明显，但在某些方面甚至比月球更糟，因为其热度一次只能持续几个小时。

■图 49 许多男生在他们的图中绘出了一些像河一样的线条，尽管给他们的原图中并没有这些线条。这里是两个男生所绘制的图。

如果我们离开火星，继续向太空深处运行，我们将发现到达下一个行星木星要走很长的距离，而且还可能遇上事故，因为要穿过刚才提到的小行星带。其中最大的谷神星的直径只有 480 英里，不及月球直径的 1/4。观察最小的小行星只能取决于望远镜的功率了。一定还有成千上万个更小的小行星，只是由于它们太小，我们从地球上看不见罢了。当火箭穿行在火星与木星间广阔无垠的太空中时，我们也许会看到很多小行星。

■图 50 斯基帕雷利绘制的水星表面的详图

在太空中很多小行星都在转动。完整的自转 1 圈通常要 8 小时到 10 小时。而且相当一部分小行星在转动时亮度不断变化。其原因也许是小行星形状不规则，因此在转动时我们所看到的表面在不断变化。像地球这样的大物体的巨大引力往往导致该物体的形状逐渐变成球形，而小天体却不受这样的影响。很多小行星太小，引力几乎无法使它成为球状。很多小行星的引力非常小，如果板球手在小行星上打球，他会把所有的球都投到太空中去，而这些球也一个个变成绕太阳转动的新行星。当然，由于小行星太小，也就不可能拥有大气层。

我们终于走出这团小行星而接近木星了，但很快就看出木星根本不是球状，它比地球扁 20 倍，以至于我们看到了一个能称之为像橘子一样的椭圆的行星（见图 51）。

■图 51 木星的紫外光照片（左）和蓝光照片（右）

这个行星如果静止不动的话，是不会如此扁的，因为其巨大的引力会使它变为球形。因此我们毫不惊讶地发现木星在快速地旋转着，转 1 圈的

时间接近 10 个小时。其扁圆正是这种快速转动的结果，——地球赤道上的

某一点沿轴心转动的速度仅为每小时 1040 英里，而木星则为 2.8 万英里。

虽然火星很冷，但木星则更冷。木星与太阳之间的距离为地球与太阳间距离的 5 倍，以致其 25 英亩的表面所受到的太阳辐射还不及地球上 1 英亩面积所受到的辐射多。你只要想像一下，如果地球所受的太阳辐射突然减少到现在的 1/25 或更少会是什么样，那么木星上的自然环境也就不难想像了。它的整个表面将被冻结得非常坚固，一切生命活动都将停止。我们自然期望木星处于休眠状态，但是它现在不是。像金星一样，它现在完全被一层很厚的云层所覆盖，这个云层厚得连红外光也不能穿透。这些云层表现了极其明显而持续的变化。最著名的例子就是其表面上的红色斑 点。这个斑点在 1878 年被首次观测到，其后逐渐增大，一直达到 3 万英里长、7 千英里宽，即面积相当于整个地球的表面那么大。然后这个巨大的红色斑点逐渐地转变为圆形，而且面积逐渐缩小，现在这个红色斑点几乎要消失了。这种现象是可以理解的，也许这个特殊的斑点是由一些特殊的灾变引起的，但是其他正在进行之中的较小的变化总是反映那些物质不是死亡的冰冻物质。这一点由木星的云层带显示出来，即木星不同纬度云层带的云层的旋转速度是不一样的，赤道处的云层旋转得最快。

所有这些活动，过去曾经认为是木星有很高温度的证据，认为这些热量大部分来自于它的自身内部、少部分来自对遥远的太阳能量的吸收。现在我们已经认识到这是错误的。直接的测量显示，木星的温度至少在零下180 华氏度以下。这反映出木星的热量主要来自于太阳，它本身内部的热量极其微小。

由于木星的温度如此之低，所以很明显它的云层决不可能是普通的水蒸气，云层一定含有那种在水蒸气结冰温度之下而仍保持气体状态的物 质。像其他行星一样，通过测定两次穿透木星大气层（一进一出）的太阳光的光谱成分，我们就能确定出木星大气层的组成成分。观测的结果却是不容易解释的，但是它们提供了目前两种气体存在于木星大气层中的证 据，这两种气体是氨气和甲烷。

我们都知道，当我们闻到氨气或不小心打碎装有氨气的瓶子的时候， 这种气体的味道会刺激我们流出泪来。我们常常在食盐中也能感受到它的存在。食盐生产者们企图将有芳香味的物质搀和进去。我们也发现氨在治疗蜜蜂蛰和蚊子叮的伤口时有奇效，因为它是碱性的，中和了蚊虫叮咬时分泌的酸性物质，所以我们立刻就会感到不再疼或痒了。

甲烷的俗名“沼气”更为常用。当植物在水下分解时，这种气体就会冒到水面，使水面发亮，看上去诱人。它是引起煤矿爆炸的气体成分之一， 也是火山爆发时所喷射的气体之一。

这两种气体都不怎么宜人。而从总体来说，木星的大气层似乎就如哈姆雷特所描述的那样，“只不过是各种污浊气体的聚集”。所以我们最好不去那里，否则我们只能把时间放在咳嗽、打喷嚏和流泪上。由于木星的质量是我们地球的 317 倍，其引力是不容小看的，我们不会再像登上月球

那样不费吹灰之力就打破了我们自己及任何其他人的体育记录。相反，我们会非常担心如何支撑自己的体重。一个 168 磅的人在木星上双腿所负担

的重量与一个 448 磅的人在地球上双腿所负担的重量相同。除非我们像塞提奥索拉斯曾在地球上所做的那样，把自己淹没在水中来减轻重负，否则我们会被自己的体重压垮。如果我们想环游宇宙而不出任何事故，我们就不能不从上面提到的哪怕已经灭绝的古爬行动物那里得到某些启发。

比木星更有吸引力的行星之一是土星。天王星、海王星和冥王星都远离太阳。冥王星比土星还缺乏魅力。我们对这些远距离的行星知之甚少。土星的大气层中含有的氨气比木星少得多。但它的大气层主要是由甲烷（沼气）组成的。土星比木星寒冷得多。此外，由于它的地心引力仅是地球地心引力的 1/6，因此对它的地心引力我们还是较习惯的。土星区别于其他行星最明显的外貌特征，是它具有许多个在望远镜中看起来十分美丽的环绕着它的大环。然而正是这些大环的存在，使我们不便于在土星上着陆。因为这些环是由土星极其多的卫星组成，每一个卫星都近似以圆形轨道环绕土星运动（图 52）。然而，由于这些小卫星彼此之间存在引力吸引，它们的轨道不可能是完美的圆形，因此这些小卫星彼此之间会偶尔发生碰 撞。当这种情况发生之后，卫星的碎片就会掉落在土星表面，其结果很可能对正在它表面访问的航天飞行器造成致命的打击。

■图 52 土星和它的卫星环系统

在我们离开这可怕的一幕之前，让我们看一眼最后一个被发现的、最遥远也是最寒冷的行星——冥王星。在九大行星中我们对冥王星的了解是最少的。它可能与火星是孪生兄弟，因为它们的体积和质量是一样的，所不同的是它们存在于完全不同的物理环境中。冥王星表面每平方码从太阳接受的能量是地球上相同面积所接受能量的 1/1600，所以冥王星的物理环境是无法想像的。冥天星的“地心”引力如此之小，以至于它几乎不存在大气层。但它的大气比火星多，因为冥王星的温度要比火星低得多。

考察了冥王星的景观后，我们基本上游历了整个太阳系。但是我们没有遇到像我们一样的人，或是同我们地球上存在的一样的动物和植物。然而在我们自己的行星上，我们也仅仅认识了地球的一部分。生命无所不在， 以至于我们几乎都不敢相信，在任何条件下生命总是以这样或那样的形式存在。在地球上最冷和最热的气候条件下，在最深的海洋里，在最坚硬的土壤中，甚至在地下的石油里我们都发现了生命。在这些不同的地方，生命都有非常不同的形式，而每一种生命形式都是它对所在特殊环境的最好适应。正因为如此，我几乎不能否认生命会以其他的形式在其他的行星上存在，并且对那里的不同环境有着很好的适应。我们没有权力说除地球以外其他的行星上不可能有生命。但是我们可以相信，如果生命在别的星球上存在的话，那么它一定与我们现在的生命形式不同，也许它们是以我们连想也想不到的形式存在。

九大行星已经显示出无穷的奥秘，以至于我们都没有时间去考察它们的卫星。地球只有 1 个卫星，即月亮。但是其他的行星却有许多卫星，例

如：木星有 10 个卫星；土星有 9 个相当大的卫星，此外还有几百万个小卫

星，它们组成了一个环状结构。天王星有 4 个卫星，火星有 2 个，海王星

1 个。离太阳最近的水星和金星 1 个卫星也没有。冥王星可能也没有卫星。

除了土星环中的无数小卫星外，九大行星共有 27 个卫星，平均每颗行

星有 3 个。地球因只有 1 个卫星，其卫星的数目低于平均数。然而，如果我们从质量方面来看的话，我们的地球就处于质量的平均数之上了，因为地球与月球的质量之比，比其他任何一个行星与它卫星的质量之比都大。我们已经十分熟悉由月亮引起的海洋潮汐现象。如图 53，当月球与地

球之间的距离大约是地球直径的 30 倍时，月球对正下方地球表面上的 B 点的引力比地心对 B 点的引力大 1/30。同样道理，月球对地球另一面 D 点的引力比地心对 D 点的引力小 1/30。我们可以把月球的引力在 B、C、D 三点分别表示 31、30 和 29。如果我们把 31 分解成 30+1，把 29 改为 30-1， 那么在地球表面的任何一点的均衡引力就是 30。当该引力加 1，它就是朝月球方向的 B 点；当引力减 1，它就是朝向地球的 D 点（当然后者是远离月球的）。这个均衡引力 30 准确地保持着地球和它的卫星——月球的运行轨道。然而这个均衡引力的高值是 30＋1，而相对地球的另一面则是 30－ 1。这些相反的力紧紧吸引着地球，正像我们的两手朝相反的方向用力拉一根橡胶一样，这样就引起了潮汐现象。我们知道地球比钢硬得多，因此固体的地球表面在月球引力作用下的变形要比地球表面液态海洋的变形小。这样，除了在海洋上的人以外，我们在地球上很难感觉到有什么潮汐现象。然而，我们所看到的潮汐实际上是液体海洋与固体的地球表面在月球引力作用下两种潮汐间的差，只是后者与前者相比，潮汐现象甚微，不易观察罢了。

■图 53 月球对地球的潮汐引力图解

如果小小的月球能以这种方式吸引地球的话，那么大地球理所当然地更有力地吸引着月球。这个道理对其他行星与它们的卫星来说也是适用 的。我们从未看见月球被拉过来，因为我们不可能从正面看到这种现象， 但是我们却能在木星的一个卫星上非常清晰地看到发生这种情况的过程。从望远镜中发现这个最接近巨大木星的卫星在木星巨大的引力作用下被拉长了，以至于看起来它更像一个鸡蛋，而不是我们所想像的圆形。随着时间的推移，这个小卫星将越来越接近木星。卫星离木星越近，木星对它的吸收力就越大，该卫星也就被拉得越长，其卵形也就越明显。木星正在使它越来越长，仿佛该卫星是块橡胶或具有弹性似的。

我们知道没有一件有弹性的物体可以无限地被拉长，最终有断裂的时候。所以那个小卫星也一定会发生断裂。计算结果表明：这个卫星将会分裂成两个独立的天体，这样木星将会比现在多一个卫星。但是当这两个新

形成的小卫星仍然像过去那个卫星向木星靠近的话，那么它们也将变成卵形，而且终究在某一天会各自再一分为二。这个过程将一直持续下去，木星卫星的数量将会无限地增加。

我们可以说木星是被某种危险地带所包围。当一个卫星或者其他天体靠近这个危险带时，它就会被拽成卵形；当这个卫星或者其他天体最终进入这个危险带的时候，它将被分裂成两个天体，并且如果它一直在这个危险带中存在下去，那么这个卫星或者其他天体将会被分裂成无数个微小的卫星。

这并不只是猜测，而是经过精确数学计算得出的结论。只要我们知道了某个行星的重心引力或者任何一个别的天体的重心引力，我们就可以确定出它的危险带。不同的物质有着根本不同的危险带。在一个稀薄气体的气团的危险带，一个坚硬的固体运行其间可安然无恙。现在这样的计算表明木星的一个卵形的卫星是非常接近这个危险带的。火星卫星中的一个小卫星也是接近于火星危险带的（虽然没有太接近），土星也有一个卫星正在接近土星的危险带。

土星的危险带是非常有趣的，因为环绕土星并且形成环带的成百万个小卫星已经处于这个危险带里了。这似乎是在过去的某个时间有一个普通的卫星逐渐被分裂成无数颗小卫星而形成现在的环带。这些环是一个永久的证据，证明如果一些天体被较大质量的引力吸引住的话，等待它们的将是相同的命运。我已经使你们想起了吉卜林先生关于大象的鼻子是如何变长的故事。我现在已经告诉你们土星的卫星环是如何形成的故事，也许这个故事没有吉卜林先生的故事优美动听，但是至少我认为我的故事是真实 可信的故事，而不只是一个本该如此的故事。

我们的地球也有它的危险带。月球现在仍完好地在外层空间运行，但是终究会有一天地球和月球一定会彼此吸引得很接近。当它们真的发生这种情况时，月球将会变成越来越明显的卵形，并且当它进入危险带的警戒线时，它就会被分裂成两部分，我们也会有一个像土星所拥有的美丽的卫星环。这仅仅是一个时间问题。在遥远的未来，我们将失去我们的月球， 但是并不失去月光，因为无数小卫星在夜晚仍会把太阳光反射到我们的地球上。那时我们将会有比现在多得多的月光，因为当一个物体分裂成许多碎片时，它的总表面积是增加的，因此整个夜晚我们会有更为明亮的月光。当然，那时地球上的生命将会感到十分不舒服，因为如果两个小卫星彼此相撞，它们的碎片就会以巨大的流星散向地面，就像现在土星正在发生的流星一样。

太阳系提供了这些危险带存在的其他证据。我们已经看到彗星并不是以圆形轨道环绕太阳运行，而是以一个拉长的椭圆曲线（我们称之为椭圆） 环绕太阳运行。彗星通常并不显得十分有趣，而只有当它运行到非常接近太阳（近日点）时，它才会显示出迷人的风姿。那时太阳的辐射热大量投

射到它的表面，使彗星形成一个巨大的“尾巴”。这个尾巴常常有数百万英里长。那时，这颗彗星就变得十分壮观、美丽，甚至有些可怕。

有时彗星会进入危险带内部，也许进入太阳的危险带，也许进入木星或土星的危险带，并且依次分裂成许多个小天体。有一个彗星已经被观察到，它分裂成两个部分，并且观察到其中的一个部分已经分裂成了四个小部分了。最有意思的是贝拉彗星的故事。1846 年，人们通过观察发现贝拉彗星分裂成两个。6 年以后，当这个彗星的轨道再次把它带到近日点时， 人们发现这两个彗星之间已经相距 150 万英里。从那时起，人们再也没有看到它们以彗星的形式出现，而是在它们应该出现的空间位置上出现了数百万个密集的流星，这就是著名的仙女座流星群。当它们偶然经过地球时， 它们就会呈现出壮丽的流星雨的景观，这种景观通常发生在 11 月 27 日或稍后。这颗彗星首次分裂为两颗的事实是毋庸置疑的，而且分裂后的两颗小彗星也一定进入了一些其他的危险带，并分裂成了无数个小流星。还有许多彗星最终变成密集的流星雨的证据。

不仅是太阳具有引力，其他恒星也同样具有，并且各自都具有危险带。当恒星在太空中运行时，一个恒星一定会偶然进入另一个恒星的危险带

中。那么我们上面所谈到的现象也一定会发生。正像鳄鱼捉住幼象的鼻子一样，较大的恒星将会把较小的恒星拽出一个“长鼻子”，这个“长鼻子” 最终会分裂成许多小碎片。在过去的某个时期，太阳似乎遇上了这种不幸， 这些碎片就是我们的九大行星。所以我们可以在我们的故事中增加一个章节的内容，即“太阳是如何得到它的九大行星的”。

九大行星或许也经历了相同的不幸，它们进入了太阳的危险带，导致它们彼此各自发生分裂。如果这是真的，那么我们又可以写另一个章节， 题为“九大行星是如何得到它们的卫星的”。这一章最悲哀的内容莫过于讲一个具有悲惨命运的特殊行星的故事。它原来在木星和火星之间运行， 但是它的运动轨道使它可能进入了木星的危险带。该行星开始分裂，起初似乎形成自己的几个小卫星，然而最后它却因分裂得太多而不能称为行 星，只不过是一大群小卫星而已。那颗爱神星（小行星 433 号）现在距离地球最近。据观察，它的形状为卵形或梨形，或称其为哑铃形，眼看它就要进一步分裂。当未来的某一天它的两部分完全脱离开时，它们便都成为独立的小天体。

太阳的光为我们传递了有关

它的许多信息。在其内部，一磅重的物质被压成针头大小。这么大物质的能量可以使 1000 英里处的人立即烧焦。

第六章 太阳

到目前为止，我们仅仅讲过太空中比较小的天体。其中最小的是那些颗粒状的物质，当它们进入大气层时，我们把它们称为流星。这些物体非常小，一把就可以抓起几千个。

而我们目前讨论过的最大天体是巨大的行星——直径为地球 11 倍的

木星。一个能盛下木星的盒子可以盛下 11×11×11 或 1331 个地球，盒子

的每一边有 11 个地球直径那么长。而与太阳相比，木星就显得非常小；而太阳与我们在后面要提到的更大的恒星和其他天体来比，又显得小了。太阳与木星之比约等于木星与地球之比：木星内可以容纳 1000 多个地球，而

太阳可以盛下 1000 多个木星。让我们继续比较下去：后面提到的蓝色恒星

可以盛下 1000 多个太阳，“红巨星”可以盛下 1000 多个蓝色恒星。最后一章讨论的星云不但能够盛下，而且实际上它本身就包含几十亿颗恒星。我们可以用下面的表来说明这个比例序列，当然所有的数字都是近似

值：

地球 1

木星 1000

假设我们乘火箭到靠近太阳的地方观察它的表面，在前去的路上，我们可以看见如图 54 中的太阳。最引人注目的特征可能是太阳边缘的阴暗部分，我们一眼就可以发现太阳的边缘远不如它的中心明亮。如果太阳是固态或液态的话，那它就应该像一个普通的发光的球那样，表面的亮度是相等的。太阳边缘明显的阴暗部分表明它的表面为气态。

在这个画面上，我们除了看到一些太阳黑子外，看不到其他的细节。这些黑子有异乎寻常的面积和复杂的形状。至少有五六个黑子比地球的投影面大得多。按这张照片的比例，地球仅有直径为 1/25 英寸的沙粒大小。然而就是这样巨大的黑子也不足为奇，因为有时太阳黑子能装下所有行星的投影面。太阳上经常出现一些黑子，但这样的黑子并不是每天可以见到， 甚至一年都不一定能见到。黑子的数目并不固定，时多时少，其周期约为11 年。1906 年、1917 年和 1928 年是太阳黑子的多发年。1939 年也将是多发年。

当我们在太阳表面寻找黑子时，一定要注意透过墨镜或透过烟熏过的玻璃来观察，否则我们的眼睛会受到伤害而难以恢复。伽利略是第一个研究太阳黑子的人，他晚年就失明了。他认为其原因就是在观察明亮的太阳时没有保护自己的眼睛。

人们经常讨论像满月、新月这样的天文现象是否会对天气产生影响。总的来说，科学家难以把天文现象和天气变化联系起来，但只有太阳黑子是个例外。有证据表明气候和太阳黑子一样也同样有个 11 年的变化周期。随着太阳黑子数目的增减，夏季的气候逐渐由干热变得阴凉潮湿，然后又逐渐变得干热。其整个变化周期约为 11 年。这里有两个例子说明了这一点。

■图 54 这是 1917 年 8 月 12 日拍摄的太阳照片。我们可以看到大量形

状复杂的黑子。这是自 1870 年以来观测到的太阳黑子面积最大的一次。砍倒一棵树，可以在树干的横断面上看见一些同心圆，每个圆代表一

个夏季生长的结果。数一数这些圆就知道树龄。然而，尽管每一年的时间是一样长，但这些圆圈的宽窄却不一样。潮湿的夏天树木繁茂，树干上形成的年轮就宽，干旱的夏天形成的年轮就窄。道格拉斯教授说，他可以根据不同的年轮推断出树木生长期中的某一年是干燥还是潮湿。因此我们可以说树木是它生长年代天气的活记录。图 55 是个有趣的例子。仔细研究树

的横断面常会发现年轮的宽窄变化有一个 11 年的规律周期。这与太阳黑子的变化周期相吻合（见图 56）。最宽的年轮形成于太阳黑子最多的年份。我们一眼就可以看出在太阳黑子多发年份的夏季潮湿，树木生长茂盛。

■图 55 这棵道格拉斯冷杉的横断面向我们展示它自 1073 年开始生长到 1260 年被砍伐这期间的各种气候情况。1260 年它被用于盖房子，房子倒塌后它被埋在废墟里。1933 年人们挖掘出它，并对它进行研究。它的价值在于它填补了其生长年代那两个世纪的气象资料的空白。

图 57 同样证明了这一点。下面一条曲线中每一段起伏的波浪就代表太

阳黑子 1 个 11 年的活动周期。上面一条曲线代表维多利亚湖（非洲赤道附近的一个大型淡水湖）的水位高度。我们立刻就可以发现水位的高度与太阳黑子的活动周期几乎一致，也表现为 11 年 1 个周期。在潮湿的年份水位当然是最高的。这表明当太阳黑子活动频繁时气候是最潮湿的。反过来也是一样。

■图 56 这是在德国艾勃思沃德砍伐的苏格兰松横断面。黑点标示的年

轮是在 1830 年到 1906 年间太阳黑子多发年份形成的。

太阳黑子数量的变化缓慢，所以它的活动周期以年计算。但单个太阳黑子的寿命很少有超过几天的。图 59 显示了一群形状复杂的太阳黑子逐步

变化的过程。图中有 5 幅是连续几天拍摄的。这些黑子平稳地向右移动。这并不是因为它们正穿越太阳表面，而是由太阳的自转而带动它们一起移动的。第 6 天以后就再也不能看见这些黑子了，因为太阳的自转使它们离

开了我们的视线。

由于太阳的自转，一个罕见的大黑子会暂时消失。约两周后，它又会从太阳的另一侧出现。伽利略根据太阳黑子的这一运动，证明太阳在自转， 其自转周期约为 26 天。

乘火箭飞越太阳黑子就如同乘飞机飞过轮船的烟囱。我们会看到有大量的热气喷出。太阳黑子类似一个喷发口，大量的热气以极高的速度喷射出来。太阳内部的高温使太阳表层处于不停的动荡之中，这就如同水在炽热的火上剧烈地沸腾一样。我们都见过开水中升起的大气泡。当气泡到达水面时，阻碍它的压力消失了，这时气体膨胀并与外面的空气混合在一起。太阳黑子中喷出的物质也是一样：当它到达太阳表面时，它所受到的压力减少，体积膨胀；由于膨胀而降低了自身的温度（原理在第一章已述）。

■图 57 上面的一条曲线表示维多利亚湖的水位高度（单位：英寸）； 下面一条曲线表示在对应年份里太阳黑子的数量。两条曲线的变化几乎一致，这说明太阳黑子对地球气候的影响。

构成太阳黑子的物质由于其温度低于太阳表面其他地方的温度，所以看上去发黑。实际上黑子的亮度也极高，只是由于它们不如周围的更热的气体活跃，与之相比才显得暗淡。黑子喷发出的物质可能全部为原子和原子碎片的混合物，其中包括各种各样的带电粒子。喷射出来的粒子飞向四面八方，在太空中经过一两天的飞行后，一些粒子会到达地球。当它们穿过大气层时，就产生了北极光。然后它们将空气电离，形成一层无线电波反射层，将无线电波反射回地面。这样我们就可以收听到远处无线电台的声音。前文中我们已经讨论了当这些带电粒子到达地球时会产生什么样的情况。而我们现在看到的这些粒子的情况是其旅程中一系列事件的最初情况。其后的事件将对地球上的生活产生影响。

黑子中喷射出的大团气体常常升到远离太阳表面的地方，这就是日 珥。地球上剧烈的爆炸或火山口喷发出的物质，其运动速度可达每小时几百英里。而日珥中喷发出的物质，其速度可达每小时数十万英里。图 60

是 6 张连续拍摄的日珥的照片，每张拍摄间隔仅为几分钟。最后一张照片是日珥出现后两小时拍摄的。然而这时喷射出的物质已升到距太阳表面

56.7 万英里的高度。它的运动速度约为每小时 30 万英里。

■图 58 这是 24 小时内一群太阳黑子的变化情况。下图中的黑圆代表地球的大小。

■图 59 一群形状复杂的太阳黑子。图中显示出在 6 天内（1920 年 3

月 19 日至 23 日及 25 日）太阳黑子的运动、发展及移过太阳表面时的情况。这是一个形状最简单的日珥。通常日珥的形状比这要复杂得多，并且

经常变化。下一组照片（图 61）展示了形状更为复杂的一类日珥和它在连续 4 天内发生的变化。当太阳转动时，我们慢慢地看到起初像烟一样的东

西是从太阳表面类似一个长长的裂缝中冒出的气体。与图 60 中的喷发相

比，这种喷发要弱得多、缓慢得多。

日珥是非常稀薄的物质，像一缕缕热气一样。它们的温度也比太阳本身低得多。由于这两个原因，它们没有太阳表面那么明亮，因此通常都消失在太阳的光芒里。在一般情况下我们难以观察到它们。但当月亮从太阳前面穿过，即产生日全食时，太阳光的主体被完全遮挡住了，星星像在夜晚一样出现在天空，这时地球上的景物变得越来越黑，最后呈现为灰色或蓝紫色。这正是观察太阳周围微弱光线的好时机。当太阳的最后一部分被月亮挡住时，日冕那珍珠般的光芒闪现在我们眼前。太阳周围几十万英里内是由分子、原子和带电粒子组成的稀薄的大气。日冕只不过是被太阳光照亮的大气而已。日冕的亮度比日珥还要弱，所以我们常常能在日冕中看到闪烁的日珥。图 62、63 是用不同曝光时间拍摄的 1919 年的那次日全食。

天文学家已经发明了不用等到日食出现就可以观察研究日冕的方法。我们知道如何根据行星表面和大气发出的光的颜色来对它们进行详细的研究，找出每种光色的含意。用同样的方法也可以研究太阳的表面。这不但更容易做到，而且收获更大。我们再也用不到去捕捉那一点点反射光，因为太阳本身就发出大量的各种颜色的混合光，所以很容易拍摄到我们所选择的光色。我们只需将阳光在分光镜下分解，只让我们所需要的光色通过分光镜进入相机，而不让其他的光线进入。但我们必须考虑到这种方法与研究行星的方法有着根本的区别。

■图 60 1928 年 11 月 19 日观测到的一次日珥的异常喷发的情景。不

到两个小时，日珥就升到 567000 英里的高度。

■图 61 日珥的发展及通过太阳表面时的情况。这是 1929 年在连续 4 天的时间内用钙光色(K3)拍摄的。

光和声音都有波的特性，所以它们在许多方面是类似的。自然界中的一切噪声如瀑布声、森林大火的声音、海啸声是各种波长声音的混合体。与这些混杂的噪声有着本质区别的那些简单的、柔和的、我们称之为有音乐感的声音：田野中的牛铃声、教堂的钟声、钢琴与提琴的声音。杂乱的声音由各种波长的声音组成，而有音乐感的声音只包括几个波长，这就是为什么我们觉得这些声音悦耳的原因。

光线也是一样。太阳光就像是着火的声音或瀑布声，是各种波长光线的混合物。但也有只包括几种波长的光线，就像音乐的和声一样。如果一束这样的光线通过分光镜，它不会像太阳光一样出现一个各种颜色都有的光谱。我们会发现许多颜色根本不存在。所以它并不是一条从红色到紫色各种颜色都有的、连续的光谱。它只是由几条窄窄的、不连续的、明亮的色线组成的光谱。我们把它称为线状光谱。

这样的光谱通常是由化学上的单一物质、化学家称为元素的原子发出的。不仅如此，所有同一元素的原子，例如氢，都发出同样的谱线。其他元素的原子，如氧，会形成另一种全然不同的谱线。有些物质发出的光几

乎是单色的，这些物质被普遍用于电信号和发光管上。

假如我们把少量的某种物质，比如说一撮普通的食盐，放在炽热的火焰中，来看看火焰的光谱会出现什么变化。结果光谱中会立刻出现几条新的色线。这些色线当然是由食盐产生的。我们还可能识别出其中的一些色线。例如钠的色带非常特别，它由两条靠得非常近的、极亮的黄色线组成。我们在食盐的光谱中发现了这样的色线，我们就知道食盐中含有钠。

■图 62 1919 年 5 月 29 日日全食时拍摄的日冕照片。在照片的左上边透过日冕的光线隐隐可见一个日珥（见图 63）。

这种研究物质化学结构的方法叫做“光谱分析法”，它是一种极灵敏的探测方法，用以查找多种化学元素。例如当锂的含量仅为十万分之一毫克时，用这种方法就可以测出锂的存在。当然我们并不需要亲自把化学物质放入火中。任何火光，无论它来自多么遥远的地方，只要我们能将它分解为单色，我们就能对它有所了解，至少能知道这火焰的成分是什么。火焰中的光告诉我们是什么物质发出的光。这个方法使我们有可能分析太阳和恒星的成分。

当牛顿将阳光分解为各种颜色时，他认为这是一条连续的光谱，这里面包括按顺序排列的、我们可以想到的一切颜色。但当夫琅和费在 1803 年重复这个实验时，他惊讶地发现光谱中有一些黑线条。他用 A、B、C⋯⋯ K 将这些线条标出。这条光谱并不是连续的，而是在连续的颜色中出现了一些间隔。我们很容易解释出现这些间隔的原因。

太阳大气中的每一种原子可以发出一条只含某种特别颜色的清晰光 带，但它只能在吸收了同类颜色后才可以做到这一点。一般来讲，炽热原子处于我们所说的“活跃”状态。在这种状态下它发出自身特有的光线， 而冰冷物质的原子处于“不活跃状态”，它们缺少同类颜色的光。

弄清楚了这一点，让我们再来看一下由太阳炽热内部不断向温度相对低的太阳表面射出的光线。这种光线包含各种颜色的光，所以温度相对低的太阳大气中的每一个原子，和其他许多原子一道，始终处于各自特殊颜色光线的包围之中。原子不但能够，而且渴望吸收这种颜色。原子吸收了这种特殊颜色的光线以后，太阳光中的这种颜色就被减弱了。当太阳光冲出太阳大气中温度较低的原子的包围最终进入太空时，阳光中与这种原子相应的颜色被吸收殆尽。

由于这个原因，太阳光谱中必定会有一些黑色线条。它们不是太阳内部炽热原子发光的证据，而是太阳大气中温度较低的原子吸收这种光线的证据。夫琅和费只知道有 11 条这样的线条，但现代天文学家知道有几千条

这样的线条。其他的恒星光谱也有同样的情况。图 64 是太阳光谱的一部

分。图 65 至 68 是其他恒星的光谱。

这些黑色线条在光谱中的位置成为天文学家的巨大信息库。他们一再从中得到有关恒星的亮度、体积、距离、在太空中的运动速度、自转的速

度等等信息。有一点非常重要，那就是太阳和恒星光谱中消失的颜色，我们几乎都能从地球上已知物质发出的光线中找到。这样我们就知道是什么样物质的原子在太阳大气中起了作用、是哪种原子将阳光中的同类颜色吸收而阻止它射到地球上。就是用这种方法，我们发现了地球大气外层臭氧的存在。

太阳和恒星光谱中的数千条线能与地球上物质产生的光线一一对应， 这一点非常重要。这就说明组成太阳和恒星的原子与我们熟悉的地球上的原子如氢、氧、氮、铁、铜、金等等为同一类型。如果我们飞向太阳或其他恒星，大概我们能看到许多奇特的景致，但决不能指望我们会发现任何新的元素。宇宙看来是用同样的材料组成的。

现在我们再回到对太阳表面的研究。假设我们在某种光下，比如说在氢原子发出的光下拍一张太阳的照片，我们肯定得不到一幅完整的太阳照片。这照片甚至不能反映出太阳上的全部氢原子，而只能反映那些目前正在发出这种特定光的氢原子。与此同时，这些光出现在太阳表面，几乎足以到达地球。例如图 69 拍的是氢光下的太阳。夫琅和费把这条线标为 C， 现在我们叫它 Ha。

图 69 与图 54 几乎是同时拍摄的。但拍图 54 那张照片时，阳光中的所

有颜色共同起了作用。它告诉我们的惟一信息就是太阳的黑子。图 69 是用氢光拍摄的太阳。它在没有其他光的干扰下独自静静地在展示自己。这的确很有意思。我们看到氢不是均匀地分布在太阳上，而是以浮云般的形式出现。看上去它们就如同地球大气中的云一样漂来荡去。然而如果从面积大小上来说，这种比喻并不合适，因为许多这样的云比整个地球还大。团团氢云有时变为丝状的长线。我们可以在照片的右上角看到三条这样的长线。在黑子群附近还有一条。粗略地观察一下，我们就可以发现太阳表面受黑子群影响的区域要比黑子本身大得多。图 70 也是用氢光拍摄的太阳黑子群及附近区域的照片。看得出氢云的结构与太阳黑子的位置有着密切的关系。

图 71 和 72 是同时拍摄的太阳的照片，一张是用特殊的氢光(Hδ)拍摄的，另一张是用钙光(H2)拍摄的。因此这两张照片截然不同。

■图 63 与图 62 相同，但减少了曝光量。现在左上边的日珥可以看得

很清楚。它的长度超过 25 万英里。

■图 64 太阳光谱

■图 65 天琴座 a 星光谱

■图 66 天狼星光谱

■图 67 大熊星座ζ星光谱。中间一条是ζ星的光谱。上下两条为地球光谱，用来与它作对照，以便最容易地识别这些线条。

■图 68 大熊星座ζ星光谱。中间也是它的光谱，拍摄时间稍晚。我们可以看到每条线都为双线。这说明这颗恒星为双星系。

气体原子只要处于不活跃状态，并在不受其他原子干扰的情况下就不会发光。要想使气体发光，就像是让电灯泡或马蹄铁发光一样，就得采取某些措施。例如给它通电——这几乎只能在地球上才可以做到；或给它加热，就像我们给马蹄铁加热，使它发光发亮一样。对气体也可以这样做。就是用这种方法使构成太阳的各种原子发出了光。

■图 69 这是用氢光(Ha)拍摄的太阳照片。这张照片与图 54 中的照片是同时拍摄的。

铁匠根据烧红的铁的颜色来判断温度。当把铁加热时，铁的颜色逐渐改变为深红、黄色、白色等。同样的颜色指示同样的温度，不论发光的物体是不是铁，一律如此。

■图 70 用氢光(Ha)拍摄的一群形状复杂的太阳黑子照片

气体也是一样，我们能从它发出的光得知它的温度。在图 71 的照片底片上留下痕迹的所有原子，其活跃程度都是一样的。因此，在一定范围之内，同样温度下的所有原子的活动程度都一样。因此这张底片上记录的光为我们提供了太阳大气在这个特定温度下（不是在其他温度下）发出特殊

的 Hδ光时太阳大气那些部位的精确画面。图 72 是原子在不同温度下发出的光，我们称之为 H2。因此我们可以说图 71 和 72 表现的是处于不同温度

下的太阳原子。

由于太阳的热量由炽热的内部流向温度较低的表层，所以太阳的最深层自然就是最热的地方。前面我们曾把那两张照片作为描述太阳上不同区域在不同温度下的图像，但我们也可以把它们称为太阳的不同深浅层次的图像。用这个方法得到太阳各个不同层次的图像时，各层的光显示出每一层中的多数原子都处于一种特殊的状态。简单地说，就是它们都因受热而部分分解了。越是深入太阳的内部，被分解的原子就越多。

当我们加热固态的冰时冰就变为液态的水。因为加热破坏了分子间的束缚力，使分子运动更加容易。当分子可以很容易地摆脱相互间的束缚力时，冰就完全融化为水。当加热水时，水就变成蒸气。这时分子间的束缚力被进一步减弱，所以分子可以独立地活动。如果我们加热蒸气，分子内部的束缚力将减弱，这样分子本身就被分解为氢原子和氧原子。如果我们能将原子加热到太阳大气的温度，我们就会发现，甚至原子本身也被分解了——就如它们在太阳外层所处的状态一样。

如果我们驾驶火箭接近太阳表面分析太阳大气的样品，我们将会发现太阳大气是由正在开始分解的原子组成。如果继续向太阳深层前进，我们就会发现被分解的原子越来越多。在太阳的核心部分，原子几乎全部被分解了。这是我们不曾见过的物质状态，不知道该把它称为固态、液态还是气态。

我们知道地球核心的压力为大气压的 100 万倍。在质量更大的太阳内

部，压力是大气压的 500 亿倍。如此大的压力将把分解的原子碎片紧紧地

压缩在一起。这样 1 磅重的物质只有针尖大小。原子只有在分解后才能被压缩得这么紧。

■图 71 用氢光(Hδ)拍摄的太阳照片

■图 72 用钙光(H2)拍摄的太阳照片（这张照片与上图是同时拍摄的） 我们根本不可能在实验室中用这种状态下的物质做实验。这根本不允

许，因为其后果将是致命的。大概地计算一下，太阳核心的温度约为 4000

万至 5000 万度。在这样高的温度下，针尖大的物质都会向太空中辐射出巨大的能量。要想补偿如此巨大的消耗，使针尖大的物质依然保持那么高的温度，就得需要 1 台约 30 亿兆马力的机器。这么一点点物质发出的辐射流如爆炸的冲击波一般，没有任何东西能够阻挡它。靠近它的地方，辐射流产生的压力高达每平方英寸数百万吨。正是这么大的压力才使太阳不致于向内塌缩。在体积更大的恒星上，这种压力起的作用更大。当这些恒星的表层像大气泡一样薄的时候，其内部的压力会使它们爆炸。即使在离开这针尖大小物质数百码以外，其辐射冲击波也能把我们现在所能构筑的任何防御设施摧毁。谁胆敢走到距它 1000 英里以内的地方，他立刻就会被烧焦。

太阳是离我们最近的恒星，

其余恒星分布在该距离的 100 万

倍以远处，肉眼所见约 5000 颗， 是其总量的四千万分之一。人类用各种方法探测它们。

第七章 恒星

现在我们都知道太阳是个非常普通的恒星，但是人类通过一个漫长的时期才发现了这一点。也许这并不奇怪，因为太阳对人类来说确实不同凡响。这当然是因为它是离我们最近的恒星。

我们已经知道我们的祖先如何把地球想像成宇宙中固定的中心，而其余的一切都围绕着它转。其他恒星发出的光只不过是衬托，借助于它们， 古人可以看出太阳在移动，能看到月转星移。他们认为那些恒星都在一个空球的内壁上，这个空球就围绕着地球不停地转。虽然有一些希腊人较多地带着哲学情调，提出一些理由，认为地球是围绕太阳转的，但是他们没有办法使自己的观点和论据广为流传，因此他们的见解逐渐被世人遗忘， 整个世界淹没在中世纪的思想黑暗之中。后来，在 1543 年，一位波兰修道

士哥白尼提出了一套与 1800 年前萨摩斯的阿里斯塔克斯很类似的观点。但是哥白尼的观点在多大程度上是受阿氏的影响却不得而知。

归纳起来，哥白尼的观点如下：是太阳而不是地球构成了太阳系的中心；地球只不过是颗行星，就像其他行星一样是围绕太阳转的。

针对这 1800 年前的论点，著名的丹麦天文学家弟谷·布拉赫及许多其

他天文学家群起而攻之。这种反对意见也差不多有 1800 年了。实际上阿基米得本人就率先提出跟上述反对意见完全一样的观点，反对萨摩斯的观 点。反对意见主要是：在太空中，如果地球真的围绕太阳转，那些很明显的星球的位置应当不断变化才对。如果我绕着花园走，我看到树木的位置不断地变化，一棵树似乎移到另一棵后面，接着第三棵进入视野，如此等

等。但是，一个在玫瑰花蕾上爬行的蚜虫不大可能注意到树木的这种变化。它的玫瑰花蕾太渺小了。反对哥白尼学说的人争辩说：由于星空里的恒星的位置没有发生这种变化，地球一定是在中央固定不动的。他们并不知道， 就像在太空花园里看到的景物那样，地球轨道，甚至于整个太阳系在宇宙中比最小的玫瑰花蕾还要小。正如早于哥白尼 1800 年的阿里斯塔克斯所说的，地球绕太阳转的整个轨道在宇宙中是不变的，就像一个球的中心与球的表面的关系一样。

但是当恒星的位置用高倍望远镜测定出来时，发现它们的位置确实在不断变化。有两种突出的变化：随着太阳在恒星间穿行，我们的地球也随着太阳一起运动，此时周围星球景观的变化看上去就像我们驱车穿过森林一样；除此之外，地球围绕太阳旋转还产生另外一种变化。7 月的星空看上去跟 1 月的星空是有区别的，因为从1 月到7 月地球在轨道上移动了1.86

亿英里，转到了轨道的对面去了。当 1 月再次来到时，星空的景观又像前

一个 1 月一样了，因为地球转了一圈又回到原来的位置，恢复了原来与太阳之间的关系。

如果我们继续从地球角度来思考问题，我们会觉得地球运行 1.86 亿英里是个惊人的长途跋涉，但是用天文尺度来衡量却太微不足道了，致使天文学家用了很长很长的时间仍难以确定这种公转在星球间的位置上有何变化。直到 1838 年才测量出这种变化，而且从这时开始才能测定恒星与地球之间的距离。

现代准确的测量表明，离我们最近的恒星也比离我们最近的行星远上100 万倍。我们已经看到太阳系的行星相距多么遥远，而在茫茫太空中， 恒星的分布比太阳系的行星分布更为稀疏，就像在五大洲各放一个水果那样。这就是恒星之间的距离和它们互相间大小的比较。我们马上就明白为什么恒星看上去只是些光点；我们还会进一步发现，即使有些恒星像太阳一样有行星包围着，这些行星在太空中看上去非常暗，距离中心太阳非常近，因此很难看出这些行星与太阳是分开的天体。如果我们把 6 只大黄蜂

放进一个 1000 立方英里的笼子里，让它们随便乱飞，这也可以算是太空中恒星分布的模式。如果我们能使黄蜂用蜗牛速度的 1/100 的速度飞行，这也是恒星在太空中运行的速度。

我们可以肯定，当黄蜂以这样的速度在这巨大的笼子里运动时它们就不会相互碰撞，也很少有机会在近距离内互相擦肩而过。但是，很可能只有当恒星处于这种状态时才能出现地球这样的行星。这种过程我们在前面已经描述过。正因为这个原因，行星的诞生是很罕见的事；而且由于宇宙本身也并不是永远处于生成中的，行星的出现就更为罕见了。从前人们认为每颗恒星周围都有一群行星，要把它们照亮，要维持上面的生命。但是现在看来，有行星的恒星似乎是例外。通过较准确的计算，人们发现似乎只有十万分之一的恒星才有一个行星家庭。

我们已经看到恒星彼此在亮度上的差别很大，原因主要有两个：恒星本身的亮度就有差别，再加上与地球间的距离不同。某颗恒星可能看上去很亮，那是因为它离我们近。最明显的例子就是我们的太阳。或者这颗恒星本身就很明亮。也可能两个理由都有。

如果我们知道了恒星的距离，我们立刻就知道在多大程度上距离影响它的明暗以及多大程度上是由自身固有的亮度造成的，这样就有可能对不同恒星的明暗即光度进行比较。

比较的依据是一条著名的物理定律：光的强度与距离的平方成反比。通俗地说，就是如果我离开某一街灯的距离加倍，亮度只是原来亮度的1/4。同样的道理，如果我们把太阳到地球的距离扩大 100 万倍，那么它的亮度看上去只有现在亮度的一万亿分之一。在现在的距离下，太阳的光度有 12 万亿单位。如果太阳的距离远 100 万倍，它的光度将减少到 12 个单

位，这时我们仍然能看见它，只是非常暗罢了。

在天空中，有大量恒星的光度超过 12 单位，但是天狼星、a 半人马座和南河三（即小犬座 a）这 3 颗星除外。所有这些恒星的距离都是太阳的100 多万倍。这些星肯定自身就比太阳亮得多。天狼星、a 半人马星和南河

三这 3 颗星的自身光度也比太阳高。其他那些我们用肉眼能看到的星体自身亮度就超过太阳。从广义上讲，所有肉眼能看到的恒星的自身亮度都超过太阳。

天狼星是整个星空中最明亮的恒星，距地球约为 51 万亿英里，也就是

太阳距离的 55 万倍。如果把太阳摆在天狼星的位置上，其光度只有 40 单

位，而天狼星的光度是 1080 单位，因此天狼星是非常明亮的星体，比太阳

亮 27 倍。它之所以这么明亮，一是自身本来就非常亮，二是距离较近。在我们用肉眼能看到的星体中只有 1/5000 的恒星比天狼星离地球更近。

有很多距地球最近的恒星的光度很低，不用高倍望远镜根本就看不

见。距地球最近的已知恒星是半人马座的比邻星，其光度只有 1/60 单位， 非常暗，是在近几年才发现的。它自身的光度非常低，只有太阳光度的1/20000，热量就更小了。如果把它放在太阳的位置上替代之，我们的地球将比现在的冥王星还冷得多，生灵在顷刻之间就被冻僵。

我们发现有大量恒星甚至比天狼星还亮得多，但是由于相距遥远而看上去并不怎么明亮。最亮的恒星 S 剑鱼星发出的辐射至少是太阳的 30 万倍，如果它有朝一日取代了太阳，地球上的万物将在一瞬间化为一缕青烟， 江河湖海、高山大地，无一幸免。

但是，大多数恒星都不如太阳明亮。在最靠近太阳的 30 颗恒星中，有

3 颗比太阳亮，而剩下的 27 颗都不如太阳明亮。这还不是事情的全部，还要进一步指出的是：我们所处的恒星，其光度恰好大大超过恒星的平均光度。

我们已经知道星体的表面亮度受两个因素的影响：一是距离，二是自身亮度。在这两个因素中，后者，即自身亮度，也受两个条件的制约：恒星的大小和每平方英寸表面的辐射量。例如，我们发现天狼星比太阳明亮27 倍。于是我们就有个问题：天狼星的表面是否也是太阳表面的 27 倍？

它是否跟太阳一样大而每平方英寸的辐射量却是太阳的 27 倍？或者还有哪些别的因素共同起作用使天狼星有现在这么大的辐射量？

恒星光谱是回答上述一系列问题的有力工具。它告诉我们恒星表面每平方英寸有多大辐射量，据此我们可以推算出恒星的实际大小。我们已经知道，恒星的光谱质量取决于恒星的表面温度。形形色色的光谱反映出相应的表面温度，结果是除了细微的差别外，所有的光谱可以排成一个连续的系列。当我们从光谱的一端看到光谱的另一端时，我们也就了解了恒星表面的一系列连续的温度。如果我们能把某个星体的表面温度逐渐升高， 我们就能发现它的光谱依次发生一系列变化的全过程。事实上大自然本身

在为我们做这个试验。我们知道有某些变星就会自行发生这种变化，我们只需在大自然试验室里观察光谱连续不断的一系列变化就行了。

物体表面的辐射量还取决于物体的表面温度。当一种物质被加热时， 它放出的能量也就越来越多。火车机车的锅炉里燃烧的煤火表面每平方英寸可能发出 1/4 马力的能量，而电弧光中的碳却热得多，每平方英寸可以发出 6 马力能量。

当两颗恒星，例如天狼星和织女星的光谱相同或相似时，我们就知道它们的表面温度一定是相同的或相近的，因此每平方英寸放出的能量也是相同或相近的。任何两颗此类恒星，如果光度有什么差别，其原因只能是它们的大小不同。从另一方面说，如果两颗恒星的光谱不同，它们的表面温度也一定不同，因此每平方英寸放出的能量也就不同。构成光谱序的光谱有助于了解不同的温度和每平方英寸发出的不同能量。

表面温度低于摄氏 1400 度的恒星，其表面每平方英寸释放出去的能量只有大约 1/4 马力，跟煤火差不多，它的光出现在光谱序的一端。一块铁在被加热时，我们看到它表面的颜色正是按照光谱中的红色的一端变向紫色的一端。这跟恒星的光非常相似。表面温度低的恒星，它们的光几乎全在光谱的红色区域。其实它们只不过处于赤热状态。其中很多恒星看上去是红色，或者至少裸眼看上去发红，因而通常被称为“红星”。

在光谱序的中段，我们会看到太阳光谱。这就表明该恒星的表面温度大约 5 600 摄氏度，每平方英寸排放大约 50 马力的能量。我们可以用下列方式来检验这种估测的准确性如何：

如果我们能测出地球表面每平方英寸接收多少阳光，我们首先能算出整个地球接受多少阳光，进而算出整个太阳放射能量的总量。然后我们把这最后一个数字用太阳的整个面积去除，就能得出太阳表面每平方英寸能放射出多少能量。我们发现计算出的每平方英寸放出的能量差不多就是 50

马力，整个太阳放出的能量足以驱动一辆大功率汽车昼夜不停地跑上 100 万年。当然不可能永远跑下去，因为即使有太阳这样巨大的储量，也总有一天是要消耗完的。在太阳上，火车头那么大一块地方发出的能量足以使英伦三岛的全部铁路运行起来。

远端的光谱显示出的温度在 6 万或 7 万摄氏度，因此这种恒星每平方

英寸放射出的能量在 50 万至 100 万马力之间。这些恒星每平方英寸所放出的能量足以驱动大西洋上全部轮船。这些恒星辐射的主要部分是看不见的光，这些光处于光谱仪上紫色区以外；而可见部分则主要集中在紫色区内， 因此这些恒星通常被称为“蓝星”。

恒星的光谱告诉我们一颗恒星表面每平方英寸能放射出多少能量。知道了一颗恒星的光度就等于知道了它能放射出多少能量。一个简单的除法就能告诉我们这颗恒星的表面面积，通过这个表面面积就能知道该恒星的直径和体积。

这种计算的结果是很有趣的。它们显示的越多，越说明那些数字不是随便得到的，而是跟恒星的物理状态密切联系在一起的。现在我们从最大的星体开始到最小的星体，讨论各因素之间的关系。最大的星体毫无例外都是那些表面温度低的红星。它们的表面每平方英寸只放射出大约 1/4 马力的能量，因此需要很大的面积释放它们的热量。它们都是些庞然大物， 辐射的压力使它们臌胀起来像巨大的泡泡。关于这一点，我们在前面已提到过。我们讨论过，如果用 S 剑鱼星座或者用半人马星座来代替太阳将会产生什么样的灾难性后果。如果用这些红巨星中的任何一个来代替太阳， 那后果将更为严重。因为到那时，我们就会钻进这些庞然大物体内，这些星比地球的轨道还大。迄今已经知道的最大的恒星心宿二的直径是太阳直径的 450 倍（即 4 亿英里长）。这就是说，它的肚子里装下 6 000 万个太

阳还绰绰有余。平均每小时能飞行 5 000 英里以上的火箭，要 2 天才飞到

月球上。如果要在太阳上从一边穿向另一边（飞越太阳的直径）要 7 天整。

但是，如是以同样的速度穿过这庞大的星球心宿二则需要 9 年。因此，无怪乎天文学家们称之为“巨星”。

现在我们观测全部恒星的体积，然后按大小排列起来。我们同样会发现，如果按颜色顺序排，它们之间的差距也是巨大的。正如我们刚才讲过的，最大的恒星都是红色的。当我们从最大的看到最小的时，我们会发现它们的红颜色将越来越浅。我们再继续看更小的恒星，它们的直径只有太阳直径的 10 至 20 倍。它们的表面积大约只有红巨星表面积的 1/1000，因此，如果它们要放射出同样的能量，每平方英寸的表面就必须放出红巨星每平方英寸放出能量的 1000 倍。这样一来，这些星的表面温度就极高。这就是我们前面谈到的炽热的蓝星。

事实上，绝大多数恒星的体积都比上文提到的蓝星要小得多，它们的直径往往是太阳直径的 10 至 20 倍。如果我们看更小的恒星，我们会发现整个颜色的辐度和光谱只不过再重复一遍。这些较小的星体不是更热、更蓝，而是温度更低些、颜色更红些。因此，它们不仅表面面积越来越小， 每平方英寸所发射出来的能量也越来越少。这些星显然比我们开始时讲的那些巨星要暗得多。到最后，我们看到的这些星体跟我们一开始看到的巨星一样红、温度一样低，但是体积却小得多。这些恒星被称为“红矮星”。它们当中的大多数的直径比太阳的直径小，只有红巨星的直径的 1/1000 左右。如果我们用一个句号代表一个红矮星，那么红巨星就好比是大车轮子。到现在为止，我们讲了三种类型的恒星：

巨星——红色，温度较低， 中等星——蓝色，炽热， 矮星——红色，温度较低。

但是，还有比红矮星更小的恒星。红矮星的体积差不多有木星和土星那么大。它只有太阳体积的 1/1000 那么大，质量却是地球的 1000 倍。已知的

最小恒星的体积都跟地球差不多大，这些恒星被称作“白矮星”。因为它们中大多数是白色的，在光谱仪的相应温度上一般是 1 万摄氏度或者更高些。这样高的温度使它们表面每平方英寸的辐射强度很高。但是由于总面积不大，因此放射出来的总能量并不高。它们非常暗，迄今只发现了少数几颗。

我们已经知道太阳光中包含有多种波长的光，其中有 4 个倍频程的光

比较强烈，只有 1 个倍频程的光到达地球。我们已经知道有很多恒星的温度比太阳的温度低得多。如果我们把太阳说成是白热的。那些温度较低的恒星只能说是赤热的，它们发出的光可能要比太阳发出的光要低 1 个甚至

2 个倍频程。如果太阳也发这种光，假定我们的眼睛能自行调整，那么这

些可见光在光谱上就要低 1 个或 2 个倍频程。到那时，我们的眼睛根本就看不到目前有的绿、蓝等颜色，只有几种我们的语言现在还表达不出的颜色。青草，现在吸收除绿色之外的任何颜色，到那时将是白色的，而天空将是黑色的。普通景色看上去就像用红外光拍的照片一样，而且许多细节要跟目前的样子不同。

这些红星的温度比太阳低，放射出的光是太阳光谱以外的红外光。当然，表面温度更热的恒星发出的光应当是太阳光谱另一端以外的紫外光。例如，天狼星表面温度大致是太阳温度的两倍，它的光谱要比太阳光谱高出 1 个倍频程。这种光就不能像普通照片那样显示，因为这种照片只能显示倾向于红色的这一面；而它发出的光主要是紫外光，因此被大气层的臭氧层阻挡在天外。如果天狼星有行星，那上面生物的眼睛必须能接收紫外光。对这种光，我们也没有名称，因为我们看不见它们。那里“人们”的生活肯定大不一样。举个微不足道的例子：在紫外光下玻璃不透明，因此那里的人们就不可能用玻璃做窗户，相反可以当墙用。在紫外光下，空气几乎是不透明的，因为空气具有散射性。如果空气再含有一部分臭氧，那就更不透明了。因此，如果天狼星有我们地球的大气层，那么天空看上去是黑紫黑紫的。

最热的恒星的光谱要比太阳光谱高出 3.5 至 5.5 个倍频程。如果我们要找到波长更短的光，我们就得深入到这些恒星的内部。如果我们在太阳内部几千英里处为采样，我们就能找到类似天狼星那样的光谱。

往太阳内部深入一些，光谱就会升高 1 个倍频程。以此类推。在太阳

的中心，光谱可能升到第 13 个倍频程。也许大多数恒星的中心也如此。这种区域的辐射就像我们已经描述过的 x 光辐射那样。在这种情况下，大多数物质都变成透明的了。因此，如果我们住在这样的星球上，贝壳、花木等看上去就像图 73、74 所显示的那样。

到目前为止，我们只讨论了有关恒星的温度、体积等通过观察、测量可见的某些性质。现在我们要进一步讨论那些更为基本的问题——恒星内部含有多少物质（我们称之为“质量”）。在地球上，当我们想知道某物

有多重，我们就用秤去称一下，这就是说测量一下地球对该物体的引力有多大。大体上我们可以用同样的方法来称恒星，看看它们有多重。

大多数恒星在宇宙中沿着一定的轨道独自遨游，但有时我们偶而发现恒星会成双成对地漫游。天文学家称它们为“双星系统”或“双星”。由于引力的作用，它们彼此紧紧地抓住，相互围绕对方旋转，翩翩起舞，在太空遨游。它们相依相伴就像太阳和地球一样相互吸引，强大的引力使它们不能分离，它们各自运行的速度都没有大到可以甩掉对方的程度。

一会儿我们会看到，这种双星系统非常有趣。有意义的是它们给我们提供了能够称出其他恒星质量的机会。

■图 73 海星的 X 光照片

■图 74 罂粟蒴果的 x 光照片

双星系统中的两个成员有点像地球与太阳那样彼此绕对方旋转。不过有一个重大区别：地球的质量与太阳的质量相比（比例为 1∶332 000）， 两者相差太远，因此太阳在地球吸引下绕地球旋转的运动状态很难被观察出来。而在真正的双星系统中，两颗星在质量上要接近得多，因此在引力量上彼此也接近得多，两颗星中哪一颗也不是单纯围绕另一颗转，而是互绕互转。根据两颗星相互吸引的情况，我们就能得到它们之间的质量比； 如果我们还能测到轨道的长度，我们就能算出这两颗星的实际质量。

有时组成双星系统的两颗星在体积、颜色和光度方面相当相似，这两颗星就常被说成是般配的一对。在最明亮和最热的恒星中这种双星特别常见。实际上这些最亮、最热的恒星大多成为双星系的成员。天文学家们常常发现这种双星彼此很接近，它们有时会接触，在极特殊的情况下甚至会重叠。看来这种非常接近的双星在当初很有可能是一个大星体，由于旋转过快而分裂。

有些情况下，双星系的两颗星相去甚远，非常不协调。一个引人注目的例子就是天狼星座。这是一个双星系统，其中有一个白矮星。主星天狼星在天空中非常明亮，其直径是太阳直径的一半，而其伴星白矮星的直径只有太阳直径的 1/30。红巨星“o 赛提”为我们提供了一个更为不协调的例子。它的直径是太阳直径的 400 倍左右。与它共同组成双星系统的那颗伴星是白矮星，其直径不为人所知，但是决不会超过主星的万分之一。如果把主星比作大车轮子，那么这颗伴星只相当于一颗砂粒，也许就像一粒微小的尘埃。

尽管在体积上有时差距极大，但它们在质量上却相当接近。那个庞然大物的质量可能只有那个微小伴星质量的 5 倍或 10 倍。总之，似乎可以说： 即使是白矮星，它们的质量跟普通恒星的质量差不太多。它们的大小像地球，质量接近太阳，这显然说明白矮星内部物质的结构要比太阳物质的结构紧密得多。平常 1 吨重的物质在太阳上占的空间约 1 立方码（0.765 立方米），而在白矮星上 1 吨重的物质只不过樱桃那么大。与此相反，1 吨

重的物质在 o 赛提星上则大得像滑铁卢车站的内部空间那么大！

在地球条件下，无论如何不能使物质的密度像白矮星上的物质那样。其中的奥秘在于白矮星上物质破裂成基本粒子。当我们向太阳内部深入 时，我们会发现太阳内部的温度越来越高，有越来越多的原子破裂（第六章已述及）。在白矮星的中心部位，温度要比太阳中心的温度高得难以置信，因此原子全部破裂，这样就使物质非常紧密。

大多数双星系统并不像前文描绘的那样异乎寻常。两个成员既不那么接近，也不那么相差甚远。例如图 75 显示的是对普通的双星克留格尔 60 在 1908、1915 和 1920 年拍的照片。一旦掌握更多的观察数据，就很容易测出其轨道，然后再算出它们的质量。克留格尔 60 这对双星的质量分别是太阳质量的 1/4 和 1/5。没有多少双星系统的成员的质量比上面的双星小太多；但是在星序的另一端，恒星的质量要大许多，达到数百倍。

■图 75 这是双星克留格尔 60（图中左上角）在不同时间（自左至右是 1908 年 7 月、1915 年 9 月、1920 年 7 月）的位置。两颗子星互相环绕

转 1 圈要 55 年，所以要到 1963 年 7 月才能回到左图的位置。

克留格尔 60 这对双星要用 55 年才彼此各转 1 圈。即使如此，对于双星来说已经够快的了。许多双星要用数千年才能互相转一圈，有的甚至要花上数十万年呢！

另一个极端是有些双星系统互相转一圈的时间却很短，只需要几天， 甚至几个小时！这样的恒星系统无论是观察还是照像都只能看成是一个光点，因为它们彼此相距太近，在望远镜中看不出它们是分离的星体。有时这样一对双星在宇宙中的轨道是这样的：它们在相互环绕运行中每转一 圈，其中一星竟然在其伴星与地球之间通过。每逢这一时刻，离地球较远的那颗星的光被较近的这一颗星遮住，此时在地球上看，这对双星暂时要暗一点。这样的双星系被统称为“食变星”。在条件好的时候，观察到的总光量的变化数据能帮助我们重现双星的整个运行情况，并能算出它的轨道以及两个子星的直径和质量。

当然，如果双星系统的运行轨道不跟地球在一个平面上，一个子星不在地球与另一个子星之间，不从另一个子星的正面通过，那么我们在地球上是看不到双星的相互遮掩效应的。不过还有其他方法可以发现双星系 统。

当火车或汽车响着汽笛或喇叭从我们身边经过时，我们注意到当车辆离去时音响的音高或音量随之下降。这种响度的下降是由声波的性质造成的。我们的耳朵每秒钟接收的声波在火车驶近时要比离去时多。

光也有波的属性，所以当一颗恒星接近我们时，我们的眼睛每秒钟接收的光波要比恒星在静止时接收的光波多，同时这光的颜色也就更蓝。如果恒星离我们而去，我们的眼睛每秒钟接收的光波就更少了（比静止时还少），颜色也比平时更红。因此，通过观察光谱，我们就会知道恒星是迎

面而来还是远离而去。当光谱中出现界限分明的谱线时，我们可以准确地测量谱线的量，进而可以准确地推算出恒星接近或离去的速度。

光谱上显示出的谱线的线数如果每年都一样，那么我们就知道这颗恒星向我们接近或离我们而去都是匀速的；相反，如果光谱上谱线的线数不断变化，那么我们就知道这颗恒星的运动速度也在不断改变。据此我们可以得到结论：这颗恒星显示出来一条围绕一个伴星的轨道，这颗伴星要么完全是黑的；要么是非常暗的，我们看不到它的光谱。有时，例如像大熊星座的光谱照片（图 68）上两颗子星的光谱都能看见，因此我们就可以根据光谱来计算两颗子星的确定的轨道，就像我们看到恒星本身在太空运行一样。知道轨道，我们就能算出两颗子星的质量。

由此可见，我们估算恒星质量的办法多得很。不论用哪种方法，我们都能发现巨星和蓝星的质量总比矮星的质量大得多。现在已经确切知道的质量最大的巨星是普拉斯凯特星双星，其中每一颗子星的质量都是太阳质量的百倍左右。

用前文提到的各种方法，我们能获得大量有关恒星质量、体积和温度的信息。几年前天文学家能够告诉我们的有关恒星的信息很少，一般只知道它们的名称和在天空的位置；而现在却能够告诉我们每颗星的许多信 息，我们可以观察它们的大小、运动、质量、颜色及其他物理特征。在此过程中，我们常发现一个星座并不是对恒星随心所欲地胡乱撮合；其实它们的主星在物理结构上非常相似，而且还发现它们都以相同的速度往同一个方向运动，因此它们在物理性能上是有联系的。

一个引人注目的例子是猎户星座的诸星。除了星座中那颗最亮的星猎户座 a 或者叫参宿四之外，其他所有的亮星都以同样的速度向同一个方向运动。它们彼此在物理特性上都非常相似，难怪人们称它们为一群难以分辨的鸟儿。除了参宿四之外，其他所有 12 颗都异乎寻常地热，极亮又都特

别庞大。它们都是蓝星，都属于可能破裂成双星的那类恒星。在这 12 颗中， 参宿七或猎户座β是已知的最亮的恒星之一，它固有的光度是太阳光度的

1.5 万倍！

我们暂时离开猎户座到大熊星座去看看。虽然它们都属于同一种类 型，但是情况略有差别。所有的星都是一种颜色白色。它们所组成的星座倒不像猎户座那么壮观，距我们那么近、那么亲切，但是也很引人注目。在组成家喻户晓的北斗七星中有六颗是白星，它们在物理特征上跟天狼星很相似。它们都是很热的巨星，都比太阳大得多、明亮得多，但是比起猎户座群星则差得远了。星座中最明亮的星是大熊座，或叫天枢星（北斗一）。它跟其他星体大不一样，它很庞大，温度较低，是颗红星，独自在轨道上运行。在北斗七星中只有三颗是双星。

我们已经注意到那些引人注目的恒星组成的星座几乎都比太阳明亮。从天文学角度说，它们距离我们也都很近。因为即便是最明亮的恒星，如

果距我们很远，如果不借助于工具，我们的肉眼也是看不到的。因此，我们可以肯定它们都格外明亮，也都格外近。

如果我们想了解一下普通的恒星，那就得借助于望远镜。我们已经知道这种仪器如何聚光、如何有效地扩大我们瞳孔的直径。如果一架望远镜10 倍于我们的瞳孔直径，它就能帮助我们看到宇宙中距我们更远的天体，

它们的距离应当是我们裸眼能看到的距离的 10 倍。如果宇宙中的恒星整齐均匀地分布在天空，我们能看到的恒星将是现在裸眼所看到的恒星数量的1000 倍。如果使用 1 架 20 倍于瞳孔直径的望远镜，我们所看到的恒星数

量将相当于目前所看到的恒星数量的 8000 倍。以此类推。当我们动手做这项试验时，我们发现这条规律只在一定的距离上适用，再远就不适用了。我们实际看到的恒星数量比我们按这一规律想像的数量要少，好像有些恒星不在自己的位置上。这当然意味着星体并不是整齐均匀地分布在天空 中。当我们观察的距离远到一定程度时，就到了某个极限，这时星体的数量开始减少。这个极限开始之处就是这条规律失灵之时。

■图 76 御夫座的一小部分。图中只有 1 颗星（箭头所示）比第 9 星等的星场亮些。这是同一星场的一系列照片的第一幅。（箭头及箭头所指的那颗星，编者已作夸张式加工，否则读者难以找到。）

■图 77 这里显示的是前幅照片上的同一个星场，是第 12 星等时所看到的星空。

■图 78 这里显示的是同一个星场第 15 星等的星空。图中明亮星外面的光环是由仪器自身的缺陷造成的。

图 76 至 80 显示的是上述方法的具体运用。这 5 幅照片是采用不同的曝光量拍摄的同一个星场的情景。每幅照片（最后一幅除外）显示的星场都比前一幅照片低 3 个星等（译者注：星等是表示恒星亮度的单位，第 1 星等最亮），大约是前一颗的亮度的 1/6。

如果天空的恒星均匀分布，那就很容易显示每幅照片（图 80 除外）中

所包含的星体数量是前一幅的 64 倍。图 80 的比例应当是 16 倍。事实上在连续拍摄的图像中恒星增加的数量远远低于前文推算的数目。这说明在系列照片中，很快就要到达这个星系的极限了。

赫歇尔父子用类似的方法标出了太阳所在的恒星系统的形状和极限。如果太阳处于这个球状星团的中心，当然，不论在哪个方向，都会在同一距离达到极限。而事实上在不同方向的极限距离不一样。

如果我们在海上或陆地的平原上遇上暴风雪，我们会发现雪片把我们包围起来，四周形成不透明的雪障，可是往天空看却可能相对明亮些。造成这种区别的原因是我们四周各个方向数英里之外都是雪，而往上顶多有一英里高。

赫歇尔父子发现恒星的分布结构就像暴风雪中的雪障，也就是说像个平的圆盘一样，因此他们得出结论：恒星系统的形状想必像暴风雪，或者

像枚硬币，或者像大车轮子。他们认为太阳处于中心的某个位置。我们现在知道，在这一点上他们错了。他们的望远镜的功率远远达不到该星系的边缘。太阳离该恒星系统的中心远着呢，虽然说已很接近该星系的平面的中心。

■图 79 图中显示的是第 18 星等的同一个星场的景象

■图 80 同一个星场第 20 星等的星空景象

如果我们看的方向正好是硬币状星系或大车轮状星系的平面所处的位置，那么，我们看过去的就是星系那难以想像的厚度，仿佛看到一堵看不透的由星体构成的墙，就如同我们在暴风雪中往远处看的感受一样。这就是银河系——在晴朗的无月之夜，它像一条淡淡的光带横跨星空。银河系的构成在伽利略之前一直是个不解之谜。但是伽利略的望远镜立刻使世人明了银河是由恒星组成的。这正是 2000 年前阿那克萨哥拉和德谟克利特所想像的那样。这些星体离我们非常遥远，我们根本就不可能看出它们是一颗一颗的恒星。成千亿、成万亿非常遥远的星体使我们把它们看成是一条连续不断的光云。

夜晚我们的肉眼所看到的星空就是以这些非常遥远又较暗的星体为背景、加上距离较近的少数明亮的恒星共同组成的银河系。用望远镜观察， 我们马上会看到在遥远的背景星团和眼前的明亮恒星之间还有处于中间距离的星体。这些恒星既不明亮又很稀疏，因此还没形成连续不断的光云。这样一来，太阳就被看成是一个单一星系的成员。这个星系的形状，我们已经说过，它像个圆盘、硬币或大车轮子。

我们在前面已经谈到用观察法确定恒星的距离。我们走了 1.86 亿英里从地球轨道的一侧到了另一侧，并且注意到一颗恒星的方向连续不断的明显的变化。遗憾的是，这种方法只适用于观察距离较近的星体。近的恒星是半人马座的比邻星，它与我们相距 25 万亿英里。为了避免使用这么大的

数字，我们常把这个距离说成 4.25 光年。光每年传播近 6 万亿英里，因此

比邻星星光得用 4.25 年才能传到地球上。这就是说，我们现在看到的比邻

星不是现在的比邻星，而是 4.25 光年前的比邻星！

观察法使我们找到这种距离的恒星，得出的距离还蛮准确。当然喽， 对于距离非常远的恒星来说就没有这么准确了。对于数百光年以外的星体来说这种方法很不准确；对于那些位于银河系边缘的恒星来说根本就不适用了。因此，必须找出别种方法来确定那些十分遥远的恒星的距离。

最有效的方法是根据恒星的一般物理特征来估计恒星固有的亮度。因为我们一旦得到一颗恒星自身的亮度，就可以通过比较其表面亮度得知这颗恒星与我们的距离。

对三种特殊类型的恒星可以较为满意地、准确地测出其本身的光度（当然有误差）。我们已经注意到所有的蓝星都非常明亮，其实其自身光度几乎完全取决于自身蓝色的深度，换句话说，要看恒星的光谱型。对于那些

我们已经提到的红巨星来说也是如此。

因此，通过观察这两类恒星的光谱，我们就能得知它们自身的光度， 由此就可以推算出它们的距离。但是还有第三类恒星，它们的距离可以更准确地确定下来。这就是人们已知的类似造父变星的变星。它们发的光是不稳定的，它们的亮度在持续不断地变化，亮度变化的周期完全一样，有规律。因此，恒星自身的光度完全取决于明暗变化的时间长度。变化最慢的恒星自身光度最高，变化最快的恒星自身光度就低。不管这些恒星相距多远，我们都可以测量它们从亮到亮的间隔、从暗到暗的间隔。这种简单的观察可以揭示变星自身的光度，并进而推算出它们的距离。

即使用以上我们所提到的所有方法，也很难标出一个完整的恒星系 统。除非我们有个更大胆的、更具冒险色彩的工具。“球状星团”的假想却能为我们提供这样的工具。球状星团本身就是一些小型恒星系统，比主恒星系统要小得多。但是每个星团都有成千上万个恒星，每个这种星团都有大量的造父变星，而这些变星使得确定该星团距离变得简单易行。如果我们知道了星团的距离，我们当然也就很容易确定其大小。令人感兴趣的是，人们发现这种球状星团在形状、大小和总的分布上都几乎完全一样， 对此我们也甚感疑惑不解。

当我们标出这些球状星团之后，发现它们在整体上呈硬币状或圆盘 状，大体上呈旋转形对称，处于银河系的两侧。似乎有理由假设球状星团体系的位置和总体布局与实际恒星系统不谋而合，因此星团的边缘恰好也

是恒星系统的边缘。如果真是这样，银河系的直径想必有 20 万光年左右。

太阳距星系中心约 4 万光年，比赫歇尔父子想像的要远多了。

我们可以把银河系看成是圆盘状或大车轮子形，太阳处在接近恒星系统中心平面位置（其实可能在距中心约半径 1/3 的区域之外）。恒星系统中心的明亮恒星距我们非常遥远，我们用裸眼根本就看不到。我们充其量只能看到 3000 光年的恒星。这就说明为什么一些明亮的星系的恒星看起来在各个方向上都分布得很均匀整齐。其实我们见到的只是结构中很小的部分，而在这一小部分中，恒星确实分布得相当均匀。

近来发现，恒星的运动既不是随意的，也不是整齐划一安排好了的。看起来整个银河系在围着一个中心旋转，就像个车轮围绕轮轴转。由这些恒星组成的巨大车轮在太空旋转，把太阳甩得以每秒钟 200 英里的速度飞

转；但是这个轮子太大了，太阳以这个速度得花上 25 亿年才能转完 1 圈！

25 亿年转 1 圈这种旋转速度之慢是令人难以置信的。为了确切了解这种速度的含义，我们可以把这个车轮的旋转跟钟表时针的转动作个比较。如果让时针 25 亿年转 1 圈，那么现在每秒钟 1 次的跳动，就得变成 5000

多年跳 1 次。对恒星星龄的研究表明，这个大轮子肯定已经转了数千圈甚至数十万圈了。

要不是有其他恒星的引力把太阳保留在现在的位置上，它早就像自行

车轮子上的一块泥巴被甩出去一样被星系大轮子甩入太空了。引力使太阳在自己的轨道上运行，就像太阳的引力使地球在自己的轨道上运转一样。我们可以根据地球轨道而计算出太阳的质量，同样我们也可以根据太阳的轨道计算出该星系中其他恒星的质量。我们认为银河系中的恒星数量肯定有千亿以上，也许还会翻一番。

我们的裸眼在这浩瀚的星海中顶多能分辨出大约 5 000 颗是单独光点的恒星，与总量的比大概是 1∶40 000 000。这就是说，我们每看到一个被认为是恒星的光点，就是 39 999 999 颗恒星要么根本看不到，要么淹没

在银河系那片暗淡的光云中。地球上居住着 20 亿人，如果把这些恒星按人

口平均分配，每人可分得 100 颗星。但是，如果我们以抽签的方式挑选自己的星星，每个人都会发现自己有 400 000∶1 的机会；如果不借助望远镜， 根本就看不到属于自己的那些星星。

原始宇宙是一团混沌的气

体。当它分裂成星云后宇宙开始 膨胀，每 130 亿年体积扩大 1 倍。星云始于球形，渐变为车轮形，并最终分裂成许多恒星。

第八章 星云

行星和卫星在太空中是十分明显的天体。然而只有当它们离我们较近时，我们才能看到它们的光亮和大小。如果只凭借我们的肉眼来观察茫茫宇宙，那么除了恒星之外，我们是什么也不会看到的。

一架单筒或双筒天文望远镜将会把我们带进浩繁的恒星世界和其他的星空世界。在我们的知识范畴中出现了一类新的天体，那就是闪着微弱光芒的模糊的我们称之为“星云”的天体。

“星云”这个词是拉丁语，其意义为薄雾或薄云。在天文学的早期， 这个词被广泛用于描述那些薄雾状的天体，或者任何一个具有模糊轮廓的天体。从那时起，人们就已发现星云可以分为明显的三个类群。

第一个类群是完全位于我们的恒星系统里的被称作行星状星云的天 体。现在人们已经知道这些星云是由恒星本身及其周围非常广阔的大气层

所构成。图 81 给出了星云的例子。当我们把它们的大气层也考虑在内时，

那么这颗巨大的红色恒星就非常庞大了。我们的航空飞行器若以每小时 5

000 英里的速度飞向这颗恒星团中最大的恒星，需要 9 年的时间才能到达；

若要飞向这些行星状星云中的一个行星时，以同样的速度则需要 9 万年的时间。这就意味着如果我们把这个行星状星云称做恒星，那么它的体积将是我们所已经观察到的最大恒星体积的 1 万倍。

■图 81 三个行星状星云：N.G.C.6720（天琴星座中的环状星云）、N.G.C.2022 和 N.G.C.1501。

严格地说，这些星云是恒星的大气层而不是恒星本身。透过这些大气层，我们可以看到位于星云中心的恒星。这些恒星要比环绕着它们的大气层更应值得我们注意。它们非常小，其直径仅为太阳直径的 1/5。它们的表面温度异常高，大约在 7 万℃至 7.5 万℃之间。这么高的温度在我们宇宙中是无法实际观测到的。虽然我们知道我们不能直接观测到恒星内部的温度，但它一定也是非常高的。从某种意义上说，我们上面提到的温度是恒星自身内部的温度，因为这些温度是在恒星大气层的底部测到的，而不是在大气层的上层表面测到的。研究表明，这些具有小的体积和高温度的在行星状星云中央的恒星与我们已经讨论过的白矮星是属于相同类型的。第二类星云是由银河系中许多的恒星系统所构成。第一类星云是大气

层包围单一恒星；而第二类星云可能是大气层包围着整个一组恒星，有的甚至是整个恒星系星云座。图 82 显示的是我们所熟悉的昴星团的恒星。照片是经过长时间曝光拍摄成的。用我们的肉眼或者用望远镜偶尔看一眼这

些恒星时，我们不会发现任何形式的星云状物质。但是当这个星座长时间地曝光于胶卷底片上时，我们就会发现每一个恒星都有一个闪光的朦胧的星云状云层。图 83 详细地显示了恒星周围的星云状物。

■图 82 环绕昴星团恒星的星云物质

由于长时间地持续曝光，环绕不同恒星的星云状物质将联合成一个连续的闪光的云层，并且我们将会发现一个巨大的其中包含有无数颗恒星的连续的星云状物质的海洋。这样的星云状物质的海洋在图 84 中被展现了出来。在许多情况下星云状物质并不具有明亮的云层形式，而是具有黑暗的斑块。图 85 就是一个显著的例子。这些黑暗的斑纹是由能够吸收光线的物质引起的。这一点似乎是非常确定的，并且吸收的光谱与产生星云光谱的黑暗线条和从我们自己大气层中所穿行的紫外光辐射是相同的。这种光被冷气团所吸收，又被热气团放射出来。

■图 83 御夫星座中一个恒星周围的星云物质

这些星云看起来是十分令人吃惊的，但是在某些方面，星云中的卫星和行星也许更令人吃惊，因为它们相对来说离我们较近。第三个类型的星云本身就十分奇特。一个行星状星云发光强度也许可以是太阳的 10 倍甚至

100 倍，而前面已描述过的银河中的星云也许可以放射出几百倍甚至几千倍于太阳的光。但是第三个类型的星云——银河系之外的星云却可以放射出数十亿倍于太阳的光。它们要比银河大得多，但是由于它们离我们太遥远了，所以看起来它们却又小、又不引起人们的注意。

这三类星云在形态和总的外形上有着巨大不同，我们可以很容易地区分出它们。如果需要的话，它们的光谱还可以提示更进一步的不同之处。当对行星状星云或银河系星云的光谱进行对比分析时，发现它们与我们地球上已知的各种原子的光谱是一致的。这说明这两类星云只是不同发光原子的云层，是被镶嵌在这些气体中的恒星所点亮的气团。

■图 84 Sobieski 中的星云物质

然而，银河系以外的星云的光谱与恒星光谱有相似之处。这就很自然地使人们怀疑这些星云不是由于原子发光而形成的云，而是恒星的云层。在很长一段时间里，人们对这一假说是坚信不疑的。因为正像伽利略的望远镜将银河系分割成一个个他称之为恒星的光点一样，现代的高能望远镜也分辨出了最外层空间星云中的一个个恒星光点。

■图 85 猎户星座中的星云物质。图上的明亮天体是恒星ζ猎户星，它

位于猎户星座的 3 个恒星的最南端。该照片是经过 11 个小时曝光拍摄成的。它详细显示模糊状星云的物质云团。

没有理由怀疑它们是真正的恒星，因为它们具有我们自己系统中恒星的所有特征。例如，许多不是持续发光而是间歇式发光的恒星与我们自己系统中的造父变星具有相同的特征。最近又发现的一些其他的天体也与我们自己的恒星有很大相似之处，其中不仅有已经发现的各种恒星，而且还

有许多“新星”或新的恒星。这些恒星会突然地、数千次地以它们普通的亮度闪烁，然后在经历几次明亮和黑暗的波动之后，它们的亮度就会再次变得暗淡。许多球状星云与我们的银河系的形状有许多相似之处，因此没有理由怀疑这些银河系之外的星云中的恒星与我们银河系中的恒星系统非常相似（至少在某些方面是如此）。

我们已经看到变化的恒星和星形聚集物在整个银河系中是如何发展 的。因此，我们可以利用这个变化规律来估算这个遥远天体的距离。用相同的方法可以精确地确定出比较近的星云的距离，可以通过亮度变化的特殊特征来识别出这些星云中的造父变星和其他变化的恒星。它们与离我们较近的恒星有相同之处，即距离我们越遥远的看起就越暗淡。正像我们已经看到的，亮度的差异立刻就能反映出距离间的差异。

用同样的方法我们估算出两个最近的星云之间的距离是 80 万光年，即

我们现在看到的光是 80 万年前发射出来的。那时人类第一次在地球上出

现。图 87 表现的是这两个较近的星云中的一个，即仙女星座中较大的星云。尽管它的距离十分遥远，但是它仍然在天空中占据相当大的空间；而且这还没有显示出这个星云的整个大小。对这个星云研究得越多，我们发现它的体积就越大，而且该星云的大小已经比最初发现时扩大了好几倍。这在照片上已经显示出来了。

十分遥远的充满大部分空间的天体具有十分巨大的体积。我们的火箭需要 2 天才能到达月球，需要 7 天才能到达太阳，运行 9 年才能到达一个

普通的较大恒星，需要 9 万年才能到达行星状星云，但是我们却不清楚若

要到达仙女星座需要多长时间。实际上，这个星座的直径大约有 10 万光

年，要到达这个星云的时间大约需要 120 亿年。我们只有把仙女星云的照片放大到整个欧洲那么大时，太阳在其中看起来才像一个天体。

■图 86 猎犬星座中的旋涡状星云

■图 87 仙女星座中巨大的星云

正像我们已经讨论过的银河系一样，我们看到这个星云的形状如同一个车轮。的确，在大小、形状和整体结构上，这个星云与我们的太阳系有许多相似之处。这个星云和许多其他的星云不仅在形状上像车轮，而且它们都像车轮一样绕它们的轴或中心旋转。这一点与我们的银河系也是相同的。每一个轮子都被它的星云引力紧密地控制着，因此我们就可以利用我们曾经计算过太阳和银河系质量的方法来计算每个星云的质量，只是这种方法不是十分精确罢了。仙女星云绕着它的轴旋转一周需要 2 000 万年的时间。从这一规律出发，最粗略的计算表明，它的质量一定是数十亿个太阳的质量。

■图 88 后发座中的星云(N.G.C.4565)

银河系以外的星云并不都具有车轮的形状，它们在形状和总的外形上显示出巨大的不同；然而它们几乎可以被排列成单一的连续系列。这个系

列开始于外形模糊的星云、球形或几乎是球形的星云，并且在这个星云中恒星是不可能被辨认出来的，结束于纯粹像我们银河系的许多恒星的云 层。仅仅是在这个系列的后一半的星云才具有车轮的形状。这样的比喻是十分恰当的，因为许多星云都是环绕着它们突出的轴旋转的。这看起来极像一个车轮的轴。当从不同角度看星云的时候，这个星云的车轮形状会或多或少地有所区别。但是我们从它们的边缘来看它们时，这个差异就变得

更明显了（见图 88）。当我们从所有的角度观看这个星云之后，我们发现， 这个有疑问的系列其实是非常简单的一个系列，其形状是从球形到不同的车轮形。

■图 89 飞马星座中的一组星云。接近图中心的所有星云看上去大小相同、亮度一样，而且彼此间的距离基本相等，它们在太空中形成了一个密集的团体。其他看上去较小和较暗的星云也许是距离太遥远，而且它们与这个密集的星团体之间没有关系。

当我们在橡树林中穿行时，我们可以看到所有不同年龄的树木，即从成熟的参天大树到幼苗，甚至是橡树种子刚萌发出的幼芽以及散落在地上的橡树种子。在这里我们再一次发现了一个连续的系列。该系列从开始于新的橡树种子的萌生，到嫩芽的出土、幼苗的形成，从幼树、中年树直到完全成熟的树木。我们自然地会认为这些不同的形状代表着生长的不同阶段，因此就构成了一个“演化系列”。但是实际上这仅仅是一个猜想，因为橡树的生长十分缓慢，我们不可能一直等着看到整个过程的发生。

对于星云来说也是相同的道理。任何可以感觉到的一点变化一定发生在几百万年以前。因此虽然我们不可能看到这个变化，但是我们可以假设当它们变化的时候它们其实是在它的系列中从一个状态运动到另一个状 态。如果这是真的话，那么这个系列就像被电影摄像机录下的星云的整个生命历程。目前系列中的一个星云的形态是它之前星云状态的未来，又是它之后星云状态的过去。

星云形状系列具有一个更为有趣的现象：通过计算发现，这个系列正好与一个体积逐渐缩小而其旋转速度比过去增加的巨大气体球的系列相吻合。这个气体球旋转越快，它的形状就越扁平。这一点与我们太阳系中的行星有相似之处。经过一段时间，该气团的形状极其扁平，其速度也得到了最大的增加，从而导致其赤道处的物质全都逸散出去了。这个赤道是我们按照我们地球的规律假想的，我们可以设想车轮的边缘和辐条就是以这样的方式形成的。正在变得极其扁平的轴处保留了原来的气体球。这个系列最终的结局将更有趣，因为到那时，整个气团被压缩并分裂成许多的球， 并且计算表明每一个球的质量都与一个实际的恒星的质量相同。这很自然地就成为一个假说，即每一个星云都产生于一个旋转的气团，这个气团已经经历过或将经历我们前面已经描述过的形状系列，并且结束于或将要结束于恒星的云层状态。因此，这些星云是众多恒星的诞生地。在这个诞生

地中，旋转着的气团铸造出了像我们在银河系中所熟知和发现的众多的恒星。

如果这些假说是正确的，那么我们就可以将我们的地球追溯到太阳， 而太阳可以追溯到起源于星云。但是星云本身是如何演变的呢？

大多数的宇宙演化学说认为宇宙开始于一个混沌的气团。这样的气团是不能停留下来并且统一地向太空中扩散，这一点是可以证明的。比如： 来自于水壶或火车头烟囱里的水蒸气是不可能完全聚集起来统一地向外扩散的，而是气体分子首先凝结成微小的水珠，这一点与任何一种扩散到太空中去的气体是相同的。统一扩散的气体，无论它的特性如何，它都是不稳定的。任何一点扰动都会增加它运动的随机性而打破它原有的运动规 律。整个气团最终将冷凝，或分裂成几个密度不同的气团。计算结果表明这些部分非常像实际星云的气团的大小，并且在远离已经观察到的星云的平均距离之处形成了这些气团。气团就是更遥远的过去的某个状态。由于我们已经完成了从地球到太阳和从太阳到星云的旅行，我们的故事也结束于此：星云来自充满整个宇宙的一团混沌气体。

如果星云确是以这种方式形成的话，那么我们应该看到，所有这些星云都应该具有相同的大小、重量和它们本身固有的亮度。这一点与实际情况相当吻合。相同形状的星云常常在亮度和大小上是非常不同的，但是这些外形上的差异通常是它们距离我们远近不同而造成的视觉差异。

如果这是一个普遍的规律，那么当任何已知形状的星云出现以后都是可以被当做标准的天体，正像造父变星为量天尺一样，并且从它们明显的光亮弱度上可以估算它们的距离。蒙特·威尔逊山天文台用 100 英寸直径

的大望远镜拍摄到的发光最微弱的星云离我们极其遥远，它的光需要 14 亿年才到达我们的地球。这个时间是银河系中最遥远的恒星发射出的光到达我们地球所需时间的 1000 倍。在这个距离内，大约存在 200 多万个星云。

从望远镜中观看正在形成的天体的时候，其景色是极其迷人的。从天体演化的角度看，这些景色更为有趣壮观，因为如同一部电影摄像机一样， 它记录并向我们展示了太阳和恒星是如何形成的过程。但是，最近人们又发现了一个更为奇特的情况，即这些已形成的星云全都以极高的速度正在背离我们远去。

我们已经注意到了一颗恒星的运动是如何产生它的正在被移位的光谱线条，即如果恒星是远离我们运动，它就是红线；若恒星朝向我们运动， 它就是紫线。已经发现星云光谱中的许多线条被移到了不正常的位置上， 这一点可以非常简单地解释为这些星云本身是处于运动之中。朝向我们运动的星云几乎占据了一半的天空，而另一半被背离我们运动的星云占据 了。这些现象的形成，也许是因为太阳正以每秒成百上千英里的速度朝着前一个星云团运动，因此对于太阳后面的星云团来说，当然就以相同的速度背离它运动。

星云明显的运动证明的是某件事，而不仅仅是太阳在宇宙中运动的反映。当将太阳的运动从星云的运动中扣除的时候，星云不是静止的，也不是像气体分子一样作随机运动。相反我们发现有的星云正以和它的距离极其成比例的速度远离我们。

若取整数的话，每 100 万光年的距离大致相当于每秒 100 英里的速度。

距离我们 100 万光年的星云就是以这个速度离开我们，那些距离我们 200 万光年的星云是以两倍于这个速度远离我们。依此类推。目前观测到的远离我们运动的最高速度是每秒 1.5 万英里。这个速度是特快列车速度的100

万倍。具有这个速度的星云距离我们大约 1.35 光年。

当一个弹壳在战场上爆炸的时候，其碎片会以不同的速度飞行，那些飞行速度最快的碎片也是飞行距离最远的。在爆炸的一刹那，每一碎片所运行的距离，精确地与它们的运动速度成正比。也可以说碎片的飞行速度与爆炸点与落地点间的距离成正比。这是正在远离地球的星云所遵循的规律，并且该规律使我们想像到：在过去的某一时刻，宇宙突然发生爆炸， 并产生了许多碎片，我们整个的银河系正好是这些碎片之一，而我们居住于其中的这个特殊的碎片上。

然而有另外一种方法可以解释星云的运动。想像一下许多正在河流中漂流的稻草。如果在某一地点河流变窄时，我们看到稻草彼此之间会靠得很近；当河流变宽时，它们彼此就会迅速地分开。当这样的扩散发生的时候，居住在漂浮稻草上的昆虫将会看到所有的其他正在分开的稻草的离 去。而且如果河水正好通过一个非常狭窄的曲颈瓶的颈部时，稻草离散的速度与它的运动的距离成正比。这也是星云运动的规律。

这样就有两种非常相似的有关星云的运动的可能解释，然而这两种解释有根本的区别。如果我们把星云比作炸弹的碎片，我们可以想像星云在太空中运动；而把星云比作展现在我们面前的稻草那样在当前的太空中分离，这样从速度与距离成正比的定理中可以推出，宇宙正在均匀地膨大。

也许后者的解释是最好的，因为现在我们认为宇宙是弯曲的、圆形的， 并且是有限的，很像一个气球的表面。宇宙不能被比拟成气球内的空气， 而应该是气球的橡胶皮。这样我们就能在这个宇宙中一直运动下去，正像一个苍蝇能够一直在气球内沿表面运动一样。当然，苍蝇的运动一定是重复地在气球内运动，但是它决不会遇到阻止它运动的任何障碍，因为气球的表面是光滑的。

同样，如果我们要想在宇宙中一直运动下去，那么我们也不会有任何障碍，虽然或早或晚我们还会回到我们的出发点。环游宇宙是徒劳的，因为生命是非常短暂的。光线也许具有很好的机会，因为它每分钟运行 1000

万英里，并且对于一个 70 岁寿命来说并不是有限的。曾经有一段时间人们认为一个强有力的天文望远镜能够使我们看到开始于数百万年前且已经穿过了整个宇宙而最终又回到它的出发点的地球的光。很自然，这给了我们

一个非常直接的并且有说服力的宇宙是弯曲的证据。但是我们已经不再相信上述的说法，因为即使以光速运动，也不能穿越整个宇宙。许多的天文学家设计了许多方法来估计整个宇宙的大小，这些方法基本都是不相同 的，但是他们至少都同意这样一个事实，即宇宙太大了，我们决不可能看完圆形的宇宙。威尔逊山天文台的大天文望远镜能够看到宇宙较远处。那里的星云的光开始于我们的地球上有超自然的动物居住的时候，并且光线已经一直运行了 1.4 亿年才到我们地球。然而这也仅仅告诉了我们宇宙中很小的一部分内容。这极小的知识也许与整个宇宙相关联，正像维特岛是地球表面极小的部分一样。

所以，我们看到的是一个不仅大的几乎令人难以置信的宇宙，而且它还是一个持续增大的宇宙。每 13 亿年左右，其大小就增加 1 倍。到现在，

宇宙已经比它最早的状态增大了 8 倍，并且地球已经比它从太阳中分离出

来时大了 100 多倍。随着钟表的滴答一响，宇宙的直径至少增加了数十万英里。

然而，也许我们对物质的兴趣要比对空旷的宇宙更大。甚至在微小的空间中，我们都可以看到几百万个星云，而在这一部分里，我们却不可能看到无数亿个星云，其中每个星云中又含有无数颗恒星。每一星云中含有的恒星如同手中满把沙子的数量，所以在这微小空间中的星云所含有的恒星的数目和全世界海滨沙滩上的沙粒数目相同。当我们把整个宇宙作为一个整体来看待的时候，我们发现我们的太阳就如同一粒沙子那样大，而我们的地球却是这粒沙子的百万分之一。地球这一极小尘埃微粒正围绕着是自己 100 万倍大的那颗沙子在运动。在整个宇宙中，无限小的物质比比皆是。我们愉快地发现，宇宙是高雅的东西，但是我们不能够自鸣得意，因为在其中我们世俗的东西却占了较大的部分。

这就是我们旅行过的宇宙。我们已经看到了宇宙过去历史的某些片 段。我们首先看到的最原始的宇宙是一团混沌的气体（虽然我不认为混沌气团已经被严格地证明存在过）。这个混沌的气体逐渐浓缩并分裂成许多星云。当混沌的气体变成星云之后，宇宙即开始了它的膨胀。由于这样或那样的原因，宇宙本身在星云的形成过程中和形成之后就以一定的速度开始膨胀，星云彼此之间稳定地持续远离开。

在整个时期，星云一直以我们已经观测到的方式改变着它们的形状， 并且最终分裂成许多的恒星。有一个特殊的星云是我们熟悉的许多星系， 如天狼星、毕宿五、大角星座等，以及相当远的较小的明亮天体——太阳的诞生地。在遥远的过去，这些恒星和其他无数的恒星彼此之间在黑暗中运动，但最终我们知道我们的太阳漫游进了一个较大恒星的危险地带。在这个危险地带中，我们的九大行星诞生了，我们的地球也在其中。最初地球是一个简单的热气球，像现在的太阳一样，只是它相当小而已。地球逐渐冷却成液体状，直到最后形成了固体的表面；水蒸气凝结水，形成了海

洋和众多的河流。然而最神秘的是生命出现了。生命的最初形式是非常简单的，但是它逐渐地演化形成了复杂的结构。最后，其实在天文时钟仅相当于过了几分钟后人类出现了，人类开始逐步地进化到了高度文明的现代人的阶段。然而仅仅在天文钟的最近几声滴答声中人类才意识到人类本身及空旷宇宙的意义。埃及人、中国人、巴比伦人和希腊人开始反思宇宙的全部意义。仅在天文钟的最后一声滴答之前，人类发明了望远镜，并且发现了外层空间。正是在那滴答声中，我告诉给你们的所有东西几乎都已经被发现了，并且还发现了远比我所说的多得多的事情。然而随着我们对宇宙知识的不断增加，有谁能够预言在下一个滴答声中又有什么惊奇的事情要发生呢？