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布鲁卡的脑——对科学传奇的反思 作者: 卡尔·萨根 第十九章 太空中的实验 我们总是渴望看到美丽的幻景， 我们总是梦见一些未知的世界。 马克西姆·高尔基 长期以来，天文学的发展一直遭受着严重的阻碍，直到近年来才有所突破，究其发展缓慢的原因，则在于天文学自身的独特性；它是唯一的一门完全没有实验的科学。需要研究的材料全都在天上，而我们和我们的仪器则全部在地上。 没有哪一门科学象天文学这样受到如此严重的限制。当然在物理学和化学中，所有进展都是在实验室内取得的，那些对既定结论持怀疑者，可以随心所欲地进行广泛实验，将物质或能量进行一系列不同的选择和处理，以便引出矛盾或其他不同的解释。研究进化论的生物学家们也存在类似的困难，因为即便是那些极有耐心的人，也无法呆上几百万年去观察一个物种进化为另一个物种。然而，许许多多的包括有关常见的氨基酸排列顺序、酶的结构、核酸密码、染色体带等实验，以及解剖学、生理学、行为学等方面的实验，使人们不得不相信进化过程是的确存在的客观事实，这些实验还清楚地表明哪一些植物或动物群体（比如人类）跟另外哪一些群体（比如形体高大的猴子）有亲缘关系。 的确，地球物理学家在研究地球深部情况时，是无法进入地心和地幔之间的古登堡——维舍特（Wiechert）间断面的，同样也不能（起码目前还不能）进入地幔和地壳之间的莫霍洛维奇契（Mohorovicic）间断面去进行考察。但是地球表面到处可以发现和观察到从地层深处喷出来的岩基。地球物理学家主要依靠地震数据进行研究，在这一点上，他们象无文学家一样，不能强迫大自然俯首听命地奉送贡品，而不得不耐心等待大自然真心实意的馈赠——例如，有一次在地球的另一端发生了地震事件，震区附近的两个测震表之一，可能在地震中心波及的范围内，而另一个则可能不在震中范围内。但是，急不可耐的地震学家却能够引发并且也已经引发过化学物的爆炸或核爆炸，就象敲钟样地来震撼地球，最近有一些令人感兴趣的迹象是，地震可以引发或避免。当地球物理学家在推理上发生困难，百思而不得其解时，他们总是涉足现场，考查与地震同时发生的陆地侵蚀过程。遗憾的是，天文学家不具备象硬岩地质学家那样精确的研究条件和对象。 天文学家已被局限于对天体反射和发射出来的电磁辐射的研究上。我们还不能在我们的实验室中检验恒星或行星的碎片，或者飞往这些天体去就地检测。地面的消极观察把我们局限在一些范围狭窄而又零散的有关天体的资料上。我们的处境，比寓言中所说的六个盲人摸象还要糟得多，或许说更象动物园中的一个瞎子。多少世纪以来，我们站在那里不过是摸到了一只左后脚。要是我们判断不出这抚摸物是象牙，或者没注意到那只脚根本不属于大象，则是不足为奇的。假如，碰巧双星绕轨道飞行的平面进入了我们的视线，我们就能看到象日食、月食这样的食象，否则就看不到。我们无法在太空中随意移动位置来观察食象。如果我们在观测银河系时，突然一颗超新星爆炸了，那么，我们正好可以趁机考查这个超新星的光谱，否则就观察不到了。我们没有能力去进行超新星爆炸实验——同样，我们也不能在实验室中考查月球表面的电学、热学、矿物学和有机化学的性质。我们不得不仅仅凭借食象或月亮光照等这些偶尔发生的天然实验，根据月亮反射的可见光以及发射的红外线和无线电波来进行推断。 但是，所有这些情况都逐渐有了改变。以地面为基地的天文学家对邻近的天体的研究至少已经具备了一种实验工具。即射电天文学。我们可以任意地选择频率、极化、波段和脉冲长度，我们可以用微波来照射附近的月球或行星，并检测其反射回来的信号。我们可以将无线电光束从地球照射到所观察的行星上，然后耐心地观测行星在光束下的旋转，随着行星的旋转，光束会照亮它表面的其他地方。射电天文学已经提供了大量有关金星和水星自转周期的新结论，涉及到有关太阳系潮汐演化、金星的陨石坑、月球的断层表面，火星的高地、以及土星环中诸粒子的大小和组成等一系列问题。射电天文学才刚刚兴起。我们仍然被局限于较低的高度，而对太阳系较外层情况来说，射电天文学仅被应用于面对太阳的诸半球。然而，使用最近在波多黎各国家天文学和电离层中心的新更换表面的阿里西博望远镜，我们将能够绘制出分辨率为一公里的金星表面图——比在地面上进行月面摄影的最佳分辨率还要精确——这样就获得了大量有关小行星、木星的“伽利略”卫星和土星环的新信息。我们正在用电磁方法象一只手指似地伸到了太阳系，破天荒地首次在宇宙天体周围探寻其本质。 一种更为行之有效的实验天文学（相对于观测天文学而言的）技术是宇宙飞船探索。我们现在已能够进入行星的磁层和大气层去游览观光。我们能够在这些行星的表面着陆并四处漫游。我们能够直接从行星际站收集各种数据资料，从我们踏入太空的最初几步起，浩瀚的宇宙就已经向我们显示出许多我们从未知晓但却早已存在的种种现象：地球的范艾伦（Van Allen）俘获粒子带；月球圆形表面黑暗区以下的质量密集；火星表面蜿蜒起伏的河道和巨大的火山；火星的两个卫星“福博斯”和“德莫斯”的陨石坑表面。但是，令我最为惊异的是，宇宙飞行器出现之前，天文学家就已经干得很出色了——尽管他们的研究手段残缺不全，可他们利用已有的观察作出的解释却是相当精彩的。宇宙飞行器对天文学家通过推理所演绎出来的结论提供了检验的途径，同时也为确定对遥远天体——即使借助宇宙飞行器在近期内也无法达到的那些遥远天体——所作的天文学推论是否可信提供了一种方法。 在天文学史上最早的一个主要争端是，究竟是地球还是太阳位于太阳系的中心位置。托勒密和哥白尼用不同的观点对月球和诸行星的视运动进行了解释，两种观点各执一端，互不相让。对于确定月球和其他行星在轨道上所处位置这样一个实际问题，仅根据地面观测的情况来进行判断，是很难以充足的理由来决定两种假说的取舍的。然而，地心说和日心说的哲学含意却是相当不同的。长期以来，人们想方设法要弄清谁是谁非，在哥白尼的观点中，金星和水星应该和月亮一样，经过位相的整个循环。而托勒密的观点则认为金星和水星的运行不存在位相变化。当伽利略用第一架天文望远镜观测到圣娥眉月形状的金星时，他意识到他已经用所观测到的事实有力地证实了哥白尼的关于内行星存在位格变化的假说。 宇宙飞行器还为我们提供了一种更直接的检验。根据托勒密的学说，诸行星是被固定在巨大的水晶般球体上的。但是，当“水手2号”或“先锋10号”宇宙飞船穿过托勒密假想的水晶球境域时，没有发现阻挡它们运动的障碍物。更直接地说，音响探测器和陨石微粒探测器甚至没有听到最细微的沙沙声，更不用说破碎的水晶石的声响了。关于这类检验，还是有一些能令人满意的、与实际相符合的东西。在我们中间，大概不会有托勒密体系的信奉者了。但是，可能会有些人对某种修正过的地心假说中金星是否经过位相变化仍保持怀疑。这些人现在可以解开内心的疑团了。 在宇宙飞行器出现以前，德国天体物理学家路德维希·比尔曼（Ludwig Bierman）观察到在彗星经过近日点时，其彗尾显著地变长变大，而彗尾上的亮点显然在加速出现，这一观察使比尔曼产生了浓厚的兴趣。比尔曼指出，太阳辐射的压力不足以解释彗星亮度增加的原因，他还提出了一种新奇的见解，认为来自太阳的一种带电粒子流与彗星相互作用，从而产生了亮度增加的现象。好了，或许有这种可能。但是，我们难道不能说这种现象同样也可以由于彗核的化学爆炸而产生的吗？或者是否还有其他的解释呢？然而，在宇宙飞船“水手2号”首次成功地飞经金星的过程中，确定了太阳风的存在，其速度与电子密度，恰恰在比尔曼所计算的范围内，这种太阳风必然会加速彗星亮点的出现。 当时，对太阳风的本质有过争论。有一种观点是芝加哥大学的尤金·帕克（Eugene Parker）的观点，认为太阳风的形成是由于来自太阳的流体动力流所引起的；而另一种观点则认为，是太阳大气顶部的蒸发导致了太阳风的形成。在流体动力学解释中，应该不存在质量分级现象；这就是说，太阳风的原子成份应该与太阳的成份相同。然而，在蒸气假说中，较轻的原子比较容易摆脱太阳的引力向空间逃逸，而重元素在太阳风中则应被首先摔尽。星际宇宙飞船已经发现，太阳风中氢与氦的比率正好与太阳一样。从而对太阳风起源于流体动力流的假说提供了令人信服的证据。 在所引用的这些有关太阳风物理学的例子中，我们发现，宇宙飞行实验对有争议的假说做出严格的判断提供有力的手段。我们只要回顾一下以往的事实，就会发现，有些天文学家象比尔曼和帕克等是正确的，因为他们有正确的理由。但是，还有其他一些同样智能高强的人，他们不肯轻易相信这些天文学家的观点，假如不是进行了具有说服力的宇宙飞行实验，他们或许会继续持怀疑态度。值得引起注意的不是那些现在证明已错了的各种假说，而是那种资料数据十分不足的假说，无论谁都很难利用这些资料推导出正确的答案来——从直观便知，物理学和常识都是不能只凭推理行事的。 在阿波罗探索月球的计划实施之前，月球表面最上层的月面性质，可以利用月球的自转周期和月食的过程通过可见光、红外线及无线电的观测测定，由月面反射的阳光的偏振强度也已测出。根据这些观察，康奈尔大学的托马斯·戈尔德（Thomas Gold）制备了一种黑色粉末，在试验室中这种粉末非常有效地重现了所观察到的月面性质。这种“戈尔德粉尘”，甚至不用花很贵的价钱就可以从埃德蒙科学公司购买到，凭肉眼观察，“阿波罗”宇航员带回的月球粉尘与戈尔德粉尘几乎看不出有什么差别。在粒度分布和电学与热学性质方面，它们都很相似。然而，它们的化学成分却有很大不同。戈尔德粉尘主要是波特兰水泥、木炭末和头发屑。而月球粉尘则几乎不含有这些外来成分。但是在“阿波罗”月球探索之前，戈尔德通过观察所测定的月球性质，主要不是依据月面的化学成份。他那时之所以能够非常出色地推断出月球表面的部分性质，还应归功于他1969年以前对月球所进行的观测。 在苏联“金星号”探测器首次到达金星就地观察金星大气层以及随后金星号探测器在其表面着陆之前，我们就已经根据对所获得的无线电和雷达资料的研究推断出金星具有很高的表面温度和表面压力。同样，我们也正确地推断出火星上存在的地势高度差可达二十公里之多，尽管我们曾错误地认为那些暗区是该行星的高地。 或许，在这种天文学推论被宇宙飞船观测所验证的实例中，最有趣的要算木星磁层范围的确定了。1955年肯尼思·富兰克林（Kenneth Franklin）和伯纳德·伯克（BcrnardBurke）在美国首都华盛顿附近试验一架射电望远镜，打算用来绘制频率为22赫兹的银河系无线电发射图。他们注意到在他们的记录中，周期性地出现一种有规则的干扰，最初，他们以为这是起源于某种常见的无线电噪音——例如，象附近某拖拉机的不完善的发火装置系统产生的无线电噪音。但是，他们很快发现这种干扰的发生时间，与无线电信号经过木星头顶的时间完全相符。他们终于发现木星是一种强有力的十米波长无线电发射源。 随即又发现木星也是分米波长的明显来源。但是，这种波谱非常奇特。在波长为几厘米时，发现其温度很低，约为140度K左右——该温度相当于按红外线波长所发现的木星的温度。但是，当其波长从分米到一米时，——其亮度温度随波长的增加而迅速增加，接近100，000度K。这一温度对热的散发来说则太高了——一切物体之所以能产生无线电发射，只不过是因为它们的温度在绝对零度之上。 其后，国家射电天文台的弗兰克·德雷克（Frank Drake）于1959年提出，这种光谱意味着木星是一种同步加速发射的来源——即带电粒子按其运动方向，以接近光速的运行速度发射的一种辐射源。在地球上，同步加速器是在核物理学中使电子和质子的运动速度加速增长的一种非常便捷的装置，正是在同步加速器中，对这种发射首先进行了一般性研究。同步加速器发射是被极化的，而发自木星的波长为分米的辐射光也是被极化的，这一事实给德雷克的假说增加了一条有利的依据。德雷克推测，水星是被一条巨大的相对论性的带电粒子带所环绕，就象当时刚被发现的环绕地球的范艾伦辐射带一样。如果事实确是如此的话，分米波长的发射范围就应该比木星的可见体积大得多。但是普通的射电望远镜却没有足够的角度分辨率来辨认木星磁层范围内所存在的任何空间细节。然而无线电干涉仪则能够达到如此精密的分辨率。1960年春，也就是德雷克作出上述推测后不久，V·雷德哈克里斯南（Radhakrishnan）和他在加利福尼亚理工学院的同事们使用了一台由两付天线组成的干涉仪，天线直径为九十英尺，均安装在铁轨上，两者相距约为三分之一英里。他们发现木星周围的分米波长发射范围，比通常只靠射电望远镜所见到的木星星球要大得多，进而证实了德雷克的假设。 接着，他们又用这台分辨率较高的无线电干涉仪测出，木星两侧有两只对称的发射无线电波的“耳朵”，其形状很象地球的范艾伦辐射带。这一观测图象逐渐引伸出一个结论，即来自太阳风的许多电子和质子，被行星的磁偶极场俘获并加速，使他们不得不成螺旋形分别沿着行星的磁力线，从一磁极跃向另一磁极。从而表明水星周围的无线电发射范围与它的磁层范围是一致的。磁场越强，磁场边界就向行星外伸展得越远。此外，根据同步加速器发射原理，所观察到的与此相称的无线电频谱可以确定木星的磁场强度。可是在二十世纪六十年代末和七十年代初，对木星磁场强度还无法作出很精确的测定，而多数只能根据射电天文学来估算，其数值在5－30高斯之间，大约相当于地球赤道表面磁场的10－60倍。 雷德哈克里斯南和他的同事们还发现，来自木星的分米波的偏振，随着该行星的运转而有规律地变化，木星的这种辐射带对于视线来说好象是颤动的。他们提出这种现象是由于木星的自转轴和磁轴之间有一个9度的倾斜角而导致的——这和地球地理上的北极与地磁北极之间的位置偏移没有多大区别。而后，科罗拉多大学的詹姆斯·沃里克（James War－wick）和其他天体物理学家们在研究分米和十米波长的发射时，提出木星的磁轴与其自转轴不过是稍许偏离了一点，这与地球上两轴相交于地球中心的情况大不相同。詹姆斯·沃里克等还作出了这样的结论：即木星的南磁极是在北半球；也就是说如果我们站立在木星球面上，那么我们手中的指北针所指示的北方恰好是木星南极的方向。简直想象不出会有比这个结论更离奇古怪的了。地球磁场在其历史上已颠来倒去地变换过多次方向了，目前，只是从定义上规定地球的北磁极在它的北半球内。根据分米波长和十米波长发射的强度，天文学家还可以计算出在木星的磁层范围内，其电子和质子的能量和通量值。 这是一系列内容极为丰富的结论，虽说它们显然都是属于推理性质的。但是所有这些精心构思的理论体系都是建立在1973年10月3日“先锋10号”宇宙飞船飞经木星的磁层这一关键性实验的基础上的。飞船上装有磁强计，当飞船经过木星碰层的各种不同位置时，装载的磁强计也就测量了各个不同位置磁场的强度和方向；飞船上还装有各种带电粒子探测器，测量所俘获的电子和质子的能量与通量。令人不胜感慨的是，每一项射电天文学推理，实际上都大致被先锋10号及其后继者先锋11号宇宙飞船所证实。木星的赤道表面磁场约为6高斯，大于两极的磁场。木星磁轴与自转轴的倾斜角约为10度。磁轴可以说是明显偏离木星的中心，偏距约为木星半径的四分之一。从木星向外远离其三个半径的空间位置上，其磁场与偶极磁场相近似；然而在这一空间位置与木星之间的空间磁场情况则比原来所估计的要复杂得多。 先锋10号沿着它的轨道飞过木星磁层时所捕获到的带电粒子通量比所预料的要大得多——但是，并没有大到阻碍飞船运行的程度。先锋10号和先锋11号之所以能顺利通过木星的磁层而安然无恙，主要不是因为先锋号飞行前，天文学家所推断出来的磁层理论如何如何精确，而是由于运气好和良好的火箭技术装备。 总的来说．有关木星分米发射的同步加速器理论已经得到确证。所有那些射电天文学家们顿时领悟到他们过去所做结论的深刻内容以及实际意义。我们现在可以比以往更有把握地相信根据同步加速器物理学所作出的推论，并将其应用到其他更遥远、更难以接近的宇宙天体上去，比如用到脉冲星、类星体或超新星的残骸上去。事实上，这些推论现在可以重新加以修正，从而提高其精确性。理论射电天文学已经第一次被纳入了至关重要的实验轨道——它已带有飞行色彩经受了第一次严峻的考验。在先锋10号和先锋11号的许多重大发现中，我认为其最伟大的成就是：它确认了我们对宇宙物理学一个重要分支的理解。 当然，关于木星的磁层和无线电发射有许多东西我们还一无所知。十米波长发射的详细情况，仍然是一些深不可测的谜。木星上十米波长的发射源为什么会集中在大概不到一百公里的范围内？这些十米波长的发射源究竟是什么？十米波长发射区围绕着木星运转，其运转时间为什么竟如此精确——精确度超过七位有效数字——但是，这种精确性为何又不同于木星云中可见形象的自转周期？为什么十米波长的脉冲具有一种非常精密的（万分之一秒）结构？为什么十米波长的无线电波的发射源是成柬状定向发射的——也就是说，不是同等地向所有方向发射？为什么十米波长发射源是间歇性发射——即，并非每时每刻都发射？ 所有这些有关木星的十米波长无线电发射的神秘性质，不禁使人联想起脉冲星的性质。典型的脉冲星磁场比木星磁场大一万亿倍；它们的自转速度比木星快十万倍；它们的年龄只是木星年龄的千分之一；而它们的体积则比木星体积大一千多倍。木星磁层边缘的移动速度还不到脉冲星光锥速度的千分之一。然而，木星可能是一种衰落的脉冲星，是快速旋转的中子星中的一种原始的很不起眼的模型，而中子星则是星球演化的最终产物。我们对有关脉冲星发射的作用过程和磁层几何图形的一些疑难问题的重要见解或许可以根据宇宙飞船对木星上的十米发射作近距离观察得出——如美国国家航空和宇航局的旅行者号和伽利略号发射正是要作这一观察的。 实验天体物理学正在迅猛地向前发展．在今后几十年内，我们将看到行星际站直接进行的实验性调查：太阳光照的空隙——受太阳风支配的区域和受星际等离子体支配的区域之间的境域——估计它所处的位置高地球不会超过100天文单位（93亿英里）。（可是，假如那儿不过只是一个局部的太阳系类星体和背后黑洞的话——大家明白，我们就好比是些幼稚无知的婴儿，无论如何也想象不出这样的结论——然而我们或许可以利用宇宙飞船就地测量，以核对这个现代天文物理学所推测出来的较大天体。） 如果我们凭过去的经验来进行判断，那么将来实验性宇宙飞船天体物理学的每次探险，都将发现。（1）天体物理学家们的主导学说是完全正确的；（2）对各流派学说，人们开始往往众说纷纭，各执一词，直到获得宇宙飞船飞行结果时，人们的认识才统一到正确的学说上来；（3）宇宙飞行器所获得的成果将揭示出一连串更加动人心弦的全新事物和基本问题。 ------------------ |
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