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當(dāng)一件精美的物品放在眼前，你大概會(huì)眼前一亮，用目光觀察并欣賞。大腦也隨之跟上，加入品鑒的行列，用的方式則是——聯(lián)想。憑借聯(lián)想，一件物品在腦海中擴(kuò)展為一個(gè)畫(huà)面、一段回憶。觀察與聯(lián)想常常是不可分離的，作為一門(mén)基于觀測(cè)的科學(xué)，天文學(xué)同樣重視聯(lián)想。眼睛加足馬力、頭腦快速旋轉(zhuǎn)，重大發(fā)現(xiàn)就來(lái)到我們面前。

一、古希臘學(xué)者如何確定宇宙是有限的

古希臘學(xué)者在確定了地球是球形之后，下一個(gè)問(wèn)題就是宇宙是有限的嗎？自然，古希臘學(xué)者也沒(méi)有任何觀測(cè)器材。他們主要是通過(guò)觀察星空來(lái)確定是否宇宙是有限的。在那個(gè)時(shí)代，許多對(duì)天空的觀察都是牧羊人做出的，因?yàn)樗麄兘?jīng)常在野外過(guò)夜?？墒怯^察星空怎樣才能知道宇宙是否有限呢？古希臘學(xué)者主要是通過(guò)對(duì)森林的觀察來(lái)聯(lián)想的。

從森林外面向森林里面看，是密密麻麻的樹(shù)干、樹(shù)枝和樹(shù)葉，幾乎看不見(jiàn)天空；而從森林里面向森林外面看，則能清楚地看見(jiàn)天空。由此，古希臘的學(xué)者想，如果宇宙是無(wú)限的，就相當(dāng)于我們從森林外面向森林里面看，天空中應(yīng)該布滿星星；如果宇宙是有限的，就相當(dāng)于我們從森林里面向森林外面看，天空中的星星應(yīng)該是有限的。而實(shí)際上我們看到的夜空確實(shí)不是密密麻麻布滿星星。因此，宇宙是有限的。

在這個(gè)例子里，觀察的是——森林和夜空，聯(lián)想的是——宇宙是不是有限的。

對(duì)夜空的觀察，又引出從另一個(gè)角度考慮夜空與宇宙的關(guān)系，也就是后來(lái)的由德國(guó)醫(yī)生兼天文學(xué)家?jiàn)W伯斯（Heinrich Wilhelm Matthias Olbers, 1758 – 1840）在1823年提出的奧伯斯佯謬（Olbers" paradox），也叫“黑暗的夜空悖論”（dark night sky paradox）。即：如果宇宙是靜止的，而且在大尺度上是均勻的，由無(wú)數(shù)的恒星組成，那么來(lái)自地球上的任何視線都必須在非常明亮的恒星的表面終止，因此夜空應(yīng)該是完全明亮的。這與觀察到的黑暗和夜晚的不均勻性相矛盾。

在這個(gè)例子里，觀察的是——半明不暗的夜空，聯(lián)想的是——宇宙是不是均勻的。

二、地球外生命

地球外的生命是人類(lèi)最關(guān)心的問(wèn)題之一。大家知道，我們?cè)谝箍绽锟吹降男切嵌际悄馨l(fā)光的恒星，而恒星都是燃燒著的“太陽(yáng)”，不可能擁有生命。能夠存在生命的是行星?？墒切行遣话l(fā)光，我們看不見(jiàn)他們，甚至不可能知道是否有行星在圍繞著一顆恒星運(yùn)行，科學(xué)家怎樣知道呢？

在中學(xué)物理里，有一個(gè)動(dòng)量守恒定律。根據(jù)動(dòng)量守恒定律，月球圍繞地球運(yùn)動(dòng)，實(shí)際上是地球與月球一起圍繞它們共同的質(zhì)量中心運(yùn)動(dòng)。而太陽(yáng)系八大行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是太陽(yáng)與八大行星圍繞它們共同的質(zhì)量中心運(yùn)動(dòng)。天文學(xué)家每天觀測(cè)太空中一個(gè)一個(gè)的遙遠(yuǎn)恒星，實(shí)際上是觀察它們的運(yùn)動(dòng)軌跡，再根據(jù)動(dòng)量守恒定律來(lái)計(jì)算每個(gè)遙遠(yuǎn)恒星可能有幾個(gè)行星，每個(gè)行星的可能質(zhì)量和軌道，再核對(duì)恒星的運(yùn)動(dòng)軌跡是否可以用存在的這些行星來(lái)解釋。然后，再進(jìn)一步確定行星的運(yùn)行軌道。

在這個(gè)例子里，觀察的是——恒星的運(yùn)動(dòng)，聯(lián)想的是——行星的軌道。

這也就是天文學(xué)中的天體測(cè)量學(xué)（Astrometry），最初天體測(cè)量學(xué)是制造星表而產(chǎn)生的，以便天文學(xué)家可以跟蹤星體。

確定了行星的運(yùn)行軌道之后，我們?nèi)匀粺o(wú)法看見(jiàn)行星，因?yàn)樾行遣话l(fā)光，反射的光也很難到達(dá)地球。但是，當(dāng)行星的運(yùn)動(dòng)軌道越過(guò)恒星時(shí)（就像我們?cè)诘厍蛏峡吹饺帐硶r(shí)那樣），我們就可以看見(jiàn)行星了。然而看見(jiàn)行星并不等于就知道了是否行星上有生命存在。那科學(xué)家怎樣判斷生命的存在呢？

科學(xué)家主要是根據(jù)行星的大氣中是否存在以下四種氣體來(lái)確定是否有生命，那怕是最簡(jiǎn)單的生命。因?yàn)檫@四種氣體：水、二氧化碳、臭氧、甲烷（沼氣），都和生命有關(guān)。

圖1.四種與生命有關(guān)的氣體（圖源：互聯(lián)網(wǎng)）

當(dāng)行星越過(guò)恒星時(shí)，恒星的光線會(huì)穿過(guò)行星的大氣層到達(dá)地球。因?yàn)檫@4種氣體會(huì)吸收不同的光譜，科學(xué)家分析到達(dá)地球的光譜就能知道是否有這4種氣體存在。

圖2.由于吸收臭氧和二氧化碳光譜的變化（圖源：互聯(lián)網(wǎng)）

在這個(gè)例子里，觀察的是——行星的大氣的組成，聯(lián)想的是——行星上的生命。

三、維京人的航行

大家都熟悉中國(guó)的四大發(fā)明中有指南針。有了指南針，航行就方便得多。據(jù)記載我們中國(guó)人用指南針航行是在宋代，大約是1040—1044年間。

實(shí)際上，僅僅有指南針并不意味著順利航行，因?yàn)榈厍蛴行┑胤降牡厍虼艌?chǎng)異常，如加拿大的拉布拉多沿岸（Labrador）。實(shí)際上，鐵礦也會(huì)影響指南針的指向。甚至船上的鐵器，包括固定羅盤(pán)的鐵釘都會(huì)影響羅盤(pán)的方向。當(dāng)然，近代的羅盤(pán)帶有自動(dòng)校正系統(tǒng)，包括用軟件校正。

很多人都參與到對(duì)羅盤(pán)的改進(jìn)中來(lái)，大科學(xué)家開(kāi)爾文（William Thomson, 1st Baron Kelvin，1824–1907，絕對(duì)溫度就是用他的名字命名的）也參與進(jìn)來(lái)，并在十九世紀(jì)80年代獲得了一個(gè)專(zhuān)利，在羅盤(pán)兩側(cè)配2個(gè)鐵球來(lái)抵消外來(lái)磁場(chǎng)和鐵器的影響，這種羅經(jīng)柜上的球（圖7）被俗稱為開(kāi)爾文球。

圖3.羅經(jīng)柜（羅盤(pán)兩側(cè)配有兩個(gè)鐵球（Q）來(lái)抵消外來(lái)磁場(chǎng)和鐵器的影響）（圖源：互聯(lián)網(wǎng)）

在這個(gè)例子里，觀察的是——外來(lái)磁場(chǎng)和鐵器對(duì)羅盤(pán)的影響，聯(lián)想的是——用鐵球（Q）來(lái)抵消外來(lái)磁場(chǎng)和鐵器對(duì)羅盤(pán)的影響。

那么，在指南針（羅盤(pán)）發(fā)明和應(yīng)用之前，人類(lèi)是靠什么來(lái)確定方向進(jìn)行航行的呢？人類(lèi)最早的航行是在能看見(jiàn)海岸線的距離航行，當(dāng)然，那時(shí)的船也主要是靠人為動(dòng)力。隨著船只性能的改善，人類(lèi)有了遠(yuǎn)距離航行的可能性。

在太平洋，波利尼西亞人主要通過(guò)觀察鳥(niǎo)類(lèi)、星座、波浪和涌浪來(lái)確定附近的陸地。并用歌曲、神話故事和星圖來(lái)幫助人們記住重要的導(dǎo)航信息。在印度洋和中國(guó)南海，人們主要通過(guò)季風(fēng)來(lái)判斷方向。在地中海，腓尼基人和迦太基人使用測(cè)深錘測(cè)量海水的深度來(lái)確定航船離海岸多遠(yuǎn)，而且測(cè)深錘還附有牛油，從海底吸附上沉積物來(lái)判斷航線。古希臘海員利用夜晚觀察大熊星座航行到了埃及。這些實(shí)際上都是觀察與聯(lián)想的例子。

在歐洲歷史上有個(gè)著名的維京時(shí)代（大約790–1066），維京人的船到達(dá)過(guò)歐洲很多地方，甚至到達(dá)過(guò)北美洲。一個(gè)有趣的問(wèn)題就是他們?nèi)绾螌?dǎo)航的。因?yàn)榫S京人是在夏天航行，北歐的盛夏日照時(shí)間特別長(zhǎng)，因此維京人不可能利用星星導(dǎo)航，而只能利用太陽(yáng)導(dǎo)航。那維京人是怎樣導(dǎo)航的呢？

實(shí)際上，維京人常常沿北緯61度航行，這是從挪威到格陵蘭的航線（Horvath G, et al. On the trail of Vikings with polarized skylight: experimental study of the atmospheric optical prerequisites allowing polarimetric navigation by Viking seafarers. Philosophical Transactions of the Royal Society B 2011; 366: 772-782）。

圖4.維京人沿北緯61度的航行（航線3）（圖源：互聯(lián)網(wǎng)）

在格陵蘭島南部，本世紀(jì)考古學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個(gè)木制的圓盤(pán)的殘留部分（圖9）和石器，圓盤(pán)上刻有直線和曲線。最后，科學(xué)家們確定這個(gè)木制的圓盤(pán)是日晷。

圖5.考古發(fā)現(xiàn)的木制日晷（圖源：互聯(lián)網(wǎng)）

科學(xué)家們對(duì)考古發(fā)現(xiàn)的日晷進(jìn)行了復(fù)原（圖10）。復(fù)原的日晷上刻出的直線、曲線和細(xì)紋引起科學(xué)家們的興趣，因此進(jìn)行了立體復(fù)原。

圖6.復(fù)原的日晷（灰色的部分是沒(méi)有被考古發(fā)現(xiàn)的部分）（圖源：互聯(lián)網(wǎng)）

在中國(guó)，日晷是用來(lái)確定時(shí)間的。那維京人日晷上的直線和曲線有什么意義呢？最后的分析發(fā)現(xiàn)維京人用這種日晷來(lái)導(dǎo)航。如果沿北緯61度航行，維京人航行的時(shí)間是五月到八月，水平放置日晷，太陽(yáng)影子從日出到日落是沿著日晷中的曲線移動(dòng)，當(dāng)太陽(yáng)影子沿曲線移動(dòng)時(shí)，直線指的方向是春分和夏至的坐標(biāo)，而刻出的細(xì)紋指向北極的方向。這樣維京人首先將日晷轉(zhuǎn)動(dòng)到太陽(yáng)影子投在曲線的位置，再根據(jù)早晨、中午和傍晚進(jìn)一步調(diào)整日晷的位置，最后細(xì)紋就指向北方。

在這個(gè)例子里，維京人觀察的是——太陽(yáng)在日晷上的移動(dòng)，維京人聯(lián)想的是——春分和夏至的坐標(biāo)、北極的方向。科學(xué)家觀察的是——破碎的木制圓盤(pán)，科學(xué)家聯(lián)想的是——日晷和維京人沿北緯61度的航行。

但是，當(dāng)冷空氣經(jīng)過(guò)溫暖的海面時(shí)，水蒸氣會(huì)形成所謂的“凍煙（frost smoke）”，也就是著名的“北極海煙（Arctic sea smoke）”，其高度可達(dá)幾百米。在這種情況下，如果是太陽(yáng)初升或日落西山，航海者的頭上是晴空萬(wàn)里，而周?chē)鷦t是濃霧彌漫，根本無(wú)法辨別方向。另一種情況是烏云遮日的時(shí)候，這種情況往往持續(xù)幾天。還有一種情況是在夏季，北緯60度，傍晚的太陽(yáng)從地平線消失之后有長(zhǎng)達(dá)1.5小時(shí)的暮光，而清晨太陽(yáng)從地平線升起前也有長(zhǎng)達(dá)1.5小時(shí)的曙光，也就是長(zhǎng)達(dá)3小時(shí)蒙蒙亮的天，但沒(méi)有太陽(yáng)。維京人在這三種情況下怎樣航行呢？

圖7.北緯70度夏季的長(zhǎng)達(dá)4小時(shí)的曙光和暮光。紅色、橙色和黃色的球體表示太陽(yáng)的位置，橙色代表曙光和暮光時(shí)的太陽(yáng)位置（圖源：互聯(lián)網(wǎng)）

因此，1967年丹麥的考古學(xué)家蘭姆斯庫(kù)（Ramskou）提出一種假說(shuō)（Ramskou T. Solstenen. Skalk 1967; 2: 16-17），認(rèn)為維京人使用太陽(yáng)石（sunstone）導(dǎo)航。因?yàn)?，在十四、十五世紀(jì)冰島的教會(huì)和修道院的紀(jì)錄里，提到了太陽(yáng)石。

2013年，人們?cè)谟?guó)海峽群島的奧爾德尼島（Alderney）附近發(fā)現(xiàn)了一艘十六世紀(jì)沉沒(méi)的戰(zhàn)船殘骸，在殘骸中人們發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)石。這就進(jìn)一步給這種使用太陽(yáng)石導(dǎo)航的理論提供了佐證。

太陽(yáng)石是斜長(zhǎng)石的一種，因其晶體中含有赤鐵礦、針鐵礦等紅褐色片狀礦物包裹體，對(duì)光反射而出現(xiàn)金黃色耀眼的閃光。在挪威、瑞典、美國(guó)和西伯利亞均有產(chǎn)出，多用來(lái)做珠寶飾品。但是，冰島產(chǎn)的太陽(yáng)石卻與眾不同。冰島太陽(yáng)石是碳酸鈣的斜方六面體晶體，這種晶體內(nèi)沒(méi)有直角。

直射的太陽(yáng)光不是偏振的光線，而折射的太陽(yáng)光則是偏振的光線。因?yàn)槲覀兊乃{(lán)天是太陽(yáng)折射的光，因此是偏振光。這就是為什么用偏振鏡照相可以遮住偏振的藍(lán)光，增加相片的對(duì)比度。有趣的是冰島太陽(yáng)石的這種晶體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致雙折射的光學(xué)現(xiàn)象，通過(guò)晶體觀察的物體將出現(xiàn)雙像。在旋轉(zhuǎn)冰島太陽(yáng)石時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)像始終不變，而另一個(gè)像在改變。在沒(méi)有太陽(yáng)的時(shí)候，將太陽(yáng)石水平旋轉(zhuǎn)，當(dāng)兩個(gè)像完全一樣時(shí)，太陽(yáng)石的指向就是太陽(yáng)的位置。就這樣，維京人能夠順利地航行。

在這個(gè)例子里，維京人觀察的是——太陽(yáng)石產(chǎn)生雙像的變化，維京人聯(lián)想的是——太陽(yáng)的方向。

四、光速的測(cè)量

最早測(cè)量光速的人是意大利的科學(xué)家，伽利略。伽利略的測(cè)量是利用二個(gè)人在夜晚站在二個(gè)山頭上，第一個(gè)人向第二個(gè)人打光信號(hào)同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)?shù)诙€(gè)人看到光信號(hào)時(shí)，立刻回復(fù)光信號(hào)，第一個(gè)人看到回復(fù)的光信號(hào)時(shí)，確定光的往返時(shí)間。我們知道光速很快，所以伽利略的這個(gè)實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有測(cè)到光速。但是從另外一個(gè)角度，這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明光速很快。

第一個(gè)真正測(cè)量光速的人是丹麥科學(xué)家?jiàn)W爾·克里斯滕森·羅梅爾（Ole Christensen R?mer，1644–1710），羅梅爾是天文學(xué)家，每天觀測(cè)天體的運(yùn)動(dòng)。在太陽(yáng)系的八大行星里，木星是有衛(wèi)星的，比較重要的是木衛(wèi)一（Io）、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三、木衛(wèi)四等。其中木衛(wèi)一繞木星旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間是42小時(shí)27分33秒。

圖8.木星的衛(wèi)星（圖源：互聯(lián)網(wǎng)）

也就是說(shuō)，每隔42小時(shí)27分33秒，我們應(yīng)該觀測(cè)到木衛(wèi)一從木星陰影中出現(xiàn)?？茖W(xué)家經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的觀察，發(fā)現(xiàn)每年有一段時(shí)間木衛(wèi)一從木星陰影中出現(xiàn)的時(shí)間越來(lái)越晚。最晚是晚多少呢？3分半！而每年另一段時(shí)間，木衛(wèi)一從木星陰影中出現(xiàn)的越來(lái)越早。最早是早多少呢？也是3分半！

圖9.丹麥科學(xué)家羅梅爾對(duì)木衛(wèi)一運(yùn)行規(guī)律的分析（圖源：互聯(lián)網(wǎng)）

羅梅爾在1676年對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了這樣的分析。在圖9中A點(diǎn)是太陽(yáng)，B點(diǎn)是木星，EFGHLK構(gòu)成的大圓是地球圍繞太陽(yáng)進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)（那時(shí)人類(lèi)已經(jīng)知道地球圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，但運(yùn)動(dòng)的軌跡還是不清楚，因此羅梅爾在這里是按地球圍繞太陽(yáng)進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)來(lái)分析的），CD構(gòu)成的圓是木衛(wèi)一繞木星進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)。

木衛(wèi)一離開(kāi)木星陰影是D點(diǎn)，進(jìn)入木星陰影是C點(diǎn)。因?yàn)槟拘l(wèi)一繞木星一周的時(shí)間是不變的。所以羅梅爾得出結(jié)論，我們看到木衛(wèi)一走出陰影越來(lái)越晚，是由于我們地球離木星越來(lái)越遠(yuǎn)的緣故，而這3分半的時(shí)間是由于地球在一年中從L點(diǎn)運(yùn)行到K點(diǎn)的緣故，光也從L點(diǎn)用3分半走到K點(diǎn)。因?yàn)長(zhǎng)點(diǎn)到K點(diǎn)構(gòu)成了圓形的弦，如果知道圓的半徑和圓心角，就可以算出弦長(zhǎng)，再除以3分半就可以知道光的速度了。

由于種種原因，羅梅爾本人沒(méi)有計(jì)算具體的光速，而是同時(shí)代的荷蘭數(shù)學(xué)家惠更斯（Christiaan Huygens，1629–1695）在和羅梅爾通信后，用羅梅爾的數(shù)據(jù)估算出光速大約是地球直徑的16.67倍。

在這個(gè)例子里，觀察的是——木衛(wèi)一的周期，聯(lián)想的是——光的速度。

作者簡(jiǎn)介：吳光，1984年畢業(yè)于天津醫(yī)學(xué)院，1992年在俄羅斯國(guó)立醫(yī)科大學(xué)獲醫(yī)學(xué)博士學(xué)位。1992-2000在意大利烏迪內(nèi)大學(xué)、日本國(guó)立水俁病研究所、法國(guó)馬賽大學(xué)做博士后。2001-2002在瑞士巴塞爾Novartis藥物公司任模型專(zhuān)家。2014年起任廣西科學(xué)院研究員。