□ 張明昌

天文學(xué)與其他科學(xué)
——天文學(xué)PK物理學(xué)（下）

□ 張明昌

對(duì)稱的單詞

現(xiàn)在恐怕不知道雷達(dá)的人已不會(huì)太多了。因?yàn)樵诘诙问澜绱髴?zhàn)中，它為反法西斯戰(zhàn)爭(zhēng)建立了赫赫功勛。從實(shí)力而言，當(dāng)年英國(guó)空軍遠(yuǎn)非希特勒的對(duì)手，正如丘吉爾所言：“在人類戰(zhàn)爭(zhēng)史上，如此以強(qiáng)凌弱，而強(qiáng)者反而遭到如此慘敗的先例恐怕是從來沒有過的?！庇?guó)所以會(huì)取勝的因素固然不少，但不可否認(rèn)，1940年發(fā)明的雷達(dá)是重要因素之一。

圖1 在戰(zhàn)爭(zhēng)中大顯神威的雷達(dá)

雷達(dá)的威力也在海戰(zhàn)中得到了充分的體現(xiàn)，1941年3月的一個(gè)夜晚，英國(guó)一艘主力艦從雷達(dá)中發(fā)現(xiàn)，在附近不遠(yuǎn)處的海面上，意大利的一支混合艦隊(duì)正在行進(jìn)中，英國(guó)人知道，敵人艦隊(duì)的速度比自己快得多，一旦被他們發(fā)現(xiàn)，就很難擺脫，于是決定先發(fā)制人，乘著夜色的掩護(hù)，依靠雷達(dá)的導(dǎo)向，主動(dòng)沖上前去，在不知虛實(shí)的意大利人還未來得及做出反應(yīng)前，打它一個(gè)措手不及，果然轉(zhuǎn)敗為勝，創(chuàng)造出以少勝多的又一個(gè)戰(zhàn)例。

圖2 從大小看，金星(前)與地球相差無幾

圖3 雷達(dá)使人們看清了土星光環(huán)(上)的組成(下)

“雷達(dá)”當(dāng)然是個(gè)外來詞，有趣的是，在英語中，單詞“radar”是左右完全對(duì)稱的一個(gè)詞；而在俄語中，它仍保持有這樣正過來、反過去的特點(diǎn)：“радар”。這表明，它有很強(qiáng)的反射性質(zhì)。利用這個(gè)性質(zhì)，天文學(xué)家又有了大顯身手的機(jī)會(huì)。

天文學(xué)上最早是用它來測(cè)量天體之間的距離，其原理并不復(fù)雜，因?yàn)殡姴ㄊ且怨獾乃俣刃羞M(jìn)的，只要測(cè)出它一來一回花了多少時(shí)間，再乘以光速就行了。1957年，科學(xué)家們?cè)谠虑蛏闲≡嚺５?，果然旗開得勝，獲得了誤差只有±1.1千米的準(zhǔn)確度——384402±1.1千米，如用這樣的精確度來劃百米跑道的起始線，非得用很細(xì)的細(xì)鋼筆不可了。現(xiàn)在用了激光，更使誤差縮小了幾百倍，達(dá)到了±7米的驚人程度。此后，它又幫助人們測(cè)量了太陽、水星、金星、火星等天體的距離，無不得到了很好的結(jié)果。

我們知道，金星是地球的近鄰，而且它的大小、質(zhì)量與地球相差無幾，加上它又有一個(gè)濃厚的大氣層，讓人覺得金星是地球的姐妹行星?？墒恰俺梢彩捄?，敗也蕭何”，金星的大氣層又是人們研究金星的極大障礙，使人從來也見不到它的真實(shí)表面，以致一些人會(huì)浮想聯(lián)翩，以為在濃云之下可能有一個(gè)生氣勃勃的生命樂園。20世紀(jì)50年代末，雷達(dá)的波束穿透了金星的大氣，結(jié)果是讓人大大地吃了一驚：原來金星整個(gè)表面都是極其可怕的火爐，溫度在300攝氏度以上（后來飛船探測(cè)表明比此還高得多，達(dá)480度）無論白天黑夜；不管赤道兩極始終都是足以讓鉛、錫等金屬熔化的高溫!而更令人不解的是，金星是自東向西自轉(zhuǎn)的！或者說在金星上，太陽每天是從西邊升起來，向東邊落下去的。這也是太陽系中的特例。不是雷達(dá)“身臨其境”，誰會(huì)想到這個(gè)“妹妹”竟與“地球姐姐”是這樣天差地別！

雷達(dá)還告訴人們，過去對(duì)于水星也有很多誤解，例如它的自轉(zhuǎn)并非同月亮那樣，月亮的自轉(zhuǎn)周期與公轉(zhuǎn)周期完全相等，故而它總是以同一面朝向中心天體(地球)。水星的兩個(gè)周期不同，所以不是一面永遠(yuǎn)朝著太陽，另一面“永無天日”。雷達(dá)的資料表明，它自轉(zhuǎn)的周期正巧是公轉(zhuǎn)周期的2/3，于是，出現(xiàn)了又一個(gè)宇宙奇觀：水星上的一“天”長(zhǎng)達(dá)4224個(gè)小時(shí)——相當(dāng)于176個(gè)地球日！而它上面的1年才88日，也就是說，水星上面1“天”等于2“年”！

用雷達(dá)進(jìn)行掃描，可以測(cè)出地形的高低，所以它早早為人們畫出了月球表面的立體圖，把上面的山脈、溝壑、甚至巨石、大坑都測(cè)量了出來，這為以后的人類登月提供了不少幫助；同樣對(duì)水星、金星、火星，它也進(jìn)行過類似的工作，也都得到了一些寶貴的資料。

雷達(dá)最遠(yuǎn)時(shí)曾到了土星的范圍，它告訴人們，土星那美麗的光環(huán)并不是彌漫的氣體，而是無數(shù)堅(jiān)硬無比的石頭、冰塊……

進(jìn)入了空間時(shí)代之后，那些宇宙飛船所得到的珍貴的資料，也是由飛船上的雷達(dá)傳回地面的。它們所建立的豐功偉績(jī)更是無法用幾句話來概括得了。

天上的核爆炸

原子彈和氫彈是人人談之色變的大規(guī)模殺人武器，1945年在日本廣島及長(zhǎng)崎上空的兩朵可怕的蘑菇云，頃刻之間就奪去了幾十萬條生命，它們?cè)谌祟愋撵`上所留下的陰影很難在短期內(nèi)消弭?？梢哉f，任何一個(gè)頭腦正常的人，都不會(huì)歡迎它。

但世界上的事都有兩面性，核爆炸又何嘗不是這樣，在地上它必然會(huì)造成可怕的后果，然而，如若發(fā)生在天上、在宇宙間，則又當(dāng)另作別論了。

人們常說萬物生長(zhǎng)靠太陽，這是不錯(cuò)的。太陽每時(shí)每刻都在無償?shù)亟o我們光和熱，據(jù)科學(xué)家們計(jì)算，太陽每1秒鐘發(fā)出的總能量高達(dá)3.82×1023千瓦——相當(dāng)于1億億噸優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時(shí)發(fā)出的能量總和。有人打了這樣一個(gè)比喻：倘若在太陽與地球之間有一座碩大無朋的冰橋，冰橋截面的直徑有3千米，幾乎是泰山高的2倍，可只要太陽“集中精力”，以其神威1秒鐘就可把它全部溶化，9秒鐘內(nèi)所有的冰水將變成蒸汽！——不難設(shè)想，如果這些能量統(tǒng)統(tǒng)射向我們地球，那就相當(dāng)于在地面上，每平方千米都引爆一個(gè)最大的大氫彈！幸運(yùn)的是，地球上得到的太陽能僅是其總能量的22億分之一。

圖4 太陽的能量來自內(nèi)部的核爆炸

圖5 20世紀(jì)的科學(xué)巨人愛因斯坦

從中也可知道，太陽發(fā)出的能量相當(dāng)于每秒鐘900億顆大氫彈同時(shí)爆炸。自古以來，人們就一直在猜想，如此巨大的能量從何而來？會(huì)不會(huì)有耗盡的時(shí)候？這種擔(dān)憂似乎可笑得很，但又在情理之中，因?yàn)槿祟愂裁磿r(shí)候也少不了太陽。

為了解除人們的這種憂慮，就必須搞清太陽的能量來源問題。古人只想到火爐，因?yàn)橹灰Ｕ喜粩嗵砑尤剂希馉t的確能提供源源不絕的光和熱。可是用心一算，不免讓人氣餒：即便太陽全是由最好的優(yōu)質(zhì)煤組成的，又有足夠的氧氣助燃，最多也只能維持24000年；后來人們又想到了流星或隕星，因它們有很高的速度，的確也可以提供相當(dāng)?shù)哪芰浚扇匀贿^不了計(jì)算這一關(guān)，因?yàn)橐l(fā)出太陽那么多的能量，至少要保證每秒鐘內(nèi)都有47000億噸流星沖向它，而以此方式，太陽就要不斷變大——1000萬年就會(huì)增大1倍，顯而易見，此路同樣不通。以后還有人提出了其他一些設(shè)想，可總是顧此失彼，難以自圓其說。

1937年夏的一次科學(xué)沙龍上，美國(guó)幾個(gè)物理學(xué)家又舊話重提，議論開了這個(gè)問題，有人就提出，恒星包括太陽，能在如此長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)一如既往發(fā)出巨大的能量，很可能是因它們的內(nèi)部正進(jìn)行著核反應(yīng)。后來其中之一的特勒受此啟發(fā)，專門研究氫彈，最后成了“氫彈之父”；而另一位貝特，則由此深入下去，并逐漸完善了恒星能源的理論，終于在1967年成為又一位榮獲諾貝爾獎(jiǎng)的天文學(xué)家。

用愛因斯坦的“質(zhì)能關(guān)系”，可以完滿地說明這個(gè)問題。愛因斯坦在他的相對(duì)論中指出，質(zhì)量與能量是可以相互轉(zhuǎn)化的，如果在反應(yīng)中物質(zhì)的質(zhì)量損失了M，就會(huì)得到MC2的能量。必須說明的是，質(zhì)量損失不能簡(jiǎn)單地理解為“被火燒掉了”，或在化學(xué)反應(yīng)中“不見了”之類，因這些變化中物質(zhì)是不滅的，只是改變了它原來存在的方式而已。恒星（或太陽）的內(nèi)部，時(shí)時(shí)都在進(jìn)行著4個(gè)氫原子聚合成為1個(gè)氦原子的熱核反應(yīng)：而4個(gè)氫原子的質(zhì)量恰恰比1個(gè)氦原子大0.028697（原子單位），正是這個(gè)看來小得不能再小的那么一點(diǎn)點(diǎn)質(zhì)量，與光速的平方一乘就非同小可——每秒鐘內(nèi)，太陽內(nèi)部有6億噸氫聚合成59574萬噸氦，所損失的426萬噸物質(zhì)就化為3.8×1026焦的能量，源源不斷地向太空發(fā)出……以太陽的質(zhì)量言，足以維持上百億、千億年。

圖6 超新星1987A爆發(fā)的壯觀景象

新星在召喚

人們常說世界之大無奇不有，的確，宇宙就是比人們能想象的更奇特，更豐富，更有趣。太陽的巨大能量已經(jīng)讓人嘆為觀止，但在新星、超新星面前，真是“小巫見大巫”了。

所謂“新星”，其實(shí)是古人的誤稱，因?yàn)樗⒉皇莿倓傉Q生的新恒星，而是原先混跡在繁星之間的、并不引人注目、甚至肉眼看不見的暗星，突然一下明亮起來，就像是一支小蠟燭突然間變成了一盞探照燈，從肉眼看起來，好像在那兒新冒出了一顆星似的。

新星突然發(fā)亮的原因是在那兒發(fā)生了猛烈的爆炸，恒星表面上的物質(zhì)被炸得四處亂飛，其速度比人造衛(wèi)星還要快上62~250倍，達(dá)到500~2000千米/秒；炸飛的物質(zhì)有1025~1027千克，相當(dāng)于地球質(zhì)量的幾十到幾千倍；不難算出，新星這么一爆，所放出的總能量可以高達(dá)1033~1038焦耳，或者說是太陽能量的一百萬到幾億倍。

新星固然驚天動(dòng)地，但與超新星相比，又顯得黯然失色了。超新星無疑是恒星世界中最最厲害的爆炸，它會(huì)使原先的恒星亮度一下猛增1億多倍，也就是說，一顆超新星所釋放的總能量可抵得上幾千萬顆新星的和。

新星與超新星的比較：拋出速度（千米每秒）新星 幾萬 1～1 051 0 ～ 1 0 0 0 5 0 0～2 0 0 0超新星 幾千萬至幾億 1 07～1 0121 0 0 0 ～1 06～1 2 0 0 0光增強(qiáng)倍數(shù) 能量（1 033焦）拋出質(zhì)量（1 0-6太陽）

超新星是非常罕見的星空奇觀，在我們銀河系內(nèi)，往往要二三百年才會(huì)來這么一下。1572年11月11日，丹麥貴族子弟、26歲的第谷·布拉赫在見到了一顆超新星后，他在日記中寫下了這么一段話：“每當(dāng)黃昏來臨之時(shí)，我總會(huì)習(xí)慣地抬頭看天，這是我多年來養(yǎng)成的習(xí)慣?？墒墙裉煳野l(fā)現(xiàn)，就在頭頂上空有一顆很不尋常的星，它是那么耀眼，使其他的所有星星都黯然失色……還在孩提時(shí)代，我?guī)缀跻呀?jīng)認(rèn)識(shí)了天空中所有的星星，我的經(jīng)驗(yàn)告訴我，這個(gè)天區(qū)中以前并沒有什么亮星，更不用說是像現(xiàn)在那樣的亮星了。”正是受了這顆超新星的感召，他毅然放棄了仕官之路，終生與星星為伍，并成為一代天文觀測(cè)大師。

超新星以其無與倫比的驚人能量，一直引吸著眾多科學(xué)家的注意，想當(dāng)年，人們?cè)谘芯亢阈堑哪茉磿r(shí)，受到它的啟發(fā)制造成了原子彈與氫彈，在此基礎(chǔ)上開始了核能的和平利用。倘若我們能把超新星的爆發(fā)機(jī)制搞清，并加以利用，那么，還用怕什么“能源危機(jī)”？

圖7 一顆超新星成就了一位偉大的天文學(xué)家第谷

超新星這一爆，對(duì)于它本身是一場(chǎng)滅頂之災(zāi)，因?yàn)樵诒ê?，原來的恒星將不?fù)存在，或者是全部灰飛煙滅，統(tǒng)統(tǒng)變成了彌漫的星云物質(zhì)——如同蟹狀星云那樣的超新星遺跡，或者是外面部分變成超新星遺跡，余下的核心部分再次受到猛烈的擠壓，形成密度驚人的“致密星”（白矮星只是其中最不密的一種）。不過，人類卻應(yīng)對(duì)它深表敬意，如果不是它那么猛然地一爆炸，可能今天的宇宙還是那么單調(diào)。因?yàn)槭澜缟显戎挥袣浜秃み@兩種最簡(jiǎn)單的元素，其他的上百種元素都是靠恒星內(nèi)部的核反應(yīng)聚變生成的，但它們都“深在閨閣無人知”，居于恒星的最內(nèi)層無法拋頭露面，全靠超新星把恒星外面的部分掀翻，它們才能脫穎面世，形成今天這個(gè)豐富多彩的花花世界，連生命也是在此基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生的。否則，即使后來也會(huì)形成太陽、地球，那也一定只是一片不毛之地。實(shí)際上，其他元素所以能來到這個(gè)世界，愛美的女性所以能帶上漂亮的鉆指、金燦燦的項(xiàng)鏈、耳環(huán)，都不能忘記了我們超新星的功勞啊。

圖8 史前一顆超新星爆炸后留下的遺跡——蟹狀星云

從理論而言，我們銀河系內(nèi)大約要相隔300年左右才會(huì)出現(xiàn)一次超新星，歷史記錄也不多，所以我國(guó)古代的有關(guān)資料具有很高的學(xué)術(shù)價(jià)值。正因?yàn)樗鼈兪窒『?，?dāng)年加拿大天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一顆超新星后（也是僅有的一次），竟然引起全國(guó)一片歡呼，專門為此舉行了大規(guī)模的慶?；顒?dòng)。我國(guó)近年來在這方面亦有驕人的業(yè)績(jī)，僅北京天文臺(tái)在1996至1997不到兩年的時(shí)間里，捷報(bào)連連，一共發(fā)現(xiàn)了6顆之多（都在銀河系外），令世人刮目相看。

（責(zé)任編輯 張長(zhǎng)喜）