书城教材教辅启发青少年的科学奥秘故事
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第2章 天外探秘(1)

宇宙运动的第一推动力

哈雷是一个虔诚的基督教教徒,而牛顿却因为发现了三大定律,而与哈雷的看法迥然不同。他们经常在一块辩论。

有一天,牛顿到哈雷家做客,发现哈雷的客厅里放着一个精美的太阳系模型。牛顿一眼就喜欢上了这个模型。这个模型实在是非常奇妙,只要用手一拉上面的拉杆,6大行星(当时只发现了6个大行星)便开始自转,并且绕日公转。牛顿对这个模型有点爱不释手,问哈雷:“这个太阳系模型是谁制造的呢?”哈雷想了想,回答道:“它是自然存在的。”

“不可能。”牛顿反驳道,“这么奇妙的模型肯定是出自哪个能工巧匠之手,它怎么可能是自然存在的呢?”哈雷反问道:“这个模型比起现实中的太阳系不知道要粗糙多少倍,你既然认定这个模型是出自能工巧匠之手,为什么就不相信现实中的太阳系出自一个更高智慧的生命之手呢?”

牛顿听了哈雷的问话之后,陷入了沉思。他想到自己的三大定律,并发现了一个问题:地球之所以能够绕日公转,那是因为太阳的引力与地球公转产生的离心力达到了平衡。但是,地球的公转要想启动,那么就必须首先给地球一个力,不然的话地球无法转动。在地球绕日公转之初,是谁给了地球这个力呢?牛顿百思不得其解,于是提出:现实的世界这样井井有条,是否真的存在一位无所不在的上帝?是否是上帝给了地球这个力呢?

后来,牛顿认为:上帝是宇宙运动的第一推动力。当然,现在看来,这个观点显然是错误的,但是牛顿的疑问,为天体物理学的发展奠定了基础。之后爱因斯坦的理论,以及大爆炸的理论,都得益于对这个问题的思考!

发现小行星

很多年以来,科学家们在研究太阳系里各个行星的轨道时,发现了一个有趣的现象:行星并不是随随便便散落在太空的,而是非常有规律地分布在太阳的周围。行星们似乎是在排队一样,彼此之间的距离都成一定的比例。

1766年,德国有一位中学教师提丢斯,发现当时已知的水星、金星、地球、火星、木星、和土星这6颗行星与太阳的平均距离有一定的规律,它们可以用有趣的数列来表示。如果把水星距太阳之间的平均距离看作是1个单位,那么金星与太阳之间的平均距离就是1+3/4个单位,地球与太阳之间的平均距离是1+6/4个单位;火星是1+12/4;木星是1+48/4;土星是1+96/4。对这个数列,如果我们仔细地观察,就会发现,每项后面的数都是前项后面数的两倍,但是火星和木星之间,却是四倍!于是,科学家们推测,在火星和木星之间,肯定还有一颗行星存在着!

天文工作者对火星和木星之间进行了大量的观测,直到1801年1月1日,意大利的天文学家终于发现了这颗躲藏起来小行星!天文学家们在高兴之余,却仍然感到有点失望,因为这颗行星出奇地小,和其他的行星根本不能同日而语。一年之后,惊奇的事情发生了,德国人又发现了第二颗小行星。

随后,第三颗、第四颗小行星先后被发现……在整个19世纪,天文学家们共发现了400颗以上的小行星。而随着科学技术的发展,到目前为止,天文学家发现的小行星已经有2000个以上!原来,在火星和木星之间,存在着一个小行星数量众多的小行星带。

百年不遇的金星凌日

金星凌日的天象是十分罕见的,从1882年12月6日发生后,到2004年6月8日才再次出现,整个20世纪中没有发生过一次!所谓金星凌日,就是金星从地球与太阳之间经过,人们在地球上可见到一个小黑点徐徐穿过太阳表面。天文学中,往往把相隔时间最短的两次金星凌日现象分为一组,这两次凌日现象间隔8年,但两组之间的间隔却长达100多年。幸运的是,在2012年6月6日,我们将看到本世纪最后一次金星凌日!

1761年的凌日观测过程中,俄国著名学者罗蒙诺索夫将望远镜对准太阳,仔细观察了金星在日面的移动现象,见到金星进入和离开日面的时候,日面圆边都会抖动一下,由此他意识到这是金星存在大气的表现,断言金星四面被大气包围着。他因而成为了第一个发现金星上有大气存在的人,这也是人类首次知道其他行星也有大气存在。

同时,一位名叫勒让提的法国天文学家为了观测金星凌日,不远万里来到印度。6月5日,他在印度洋上的一艘船上进行了观测。由于风浪较大,船晃动得非常厉害,他得到的观测资料没有任何科学价值。勒让提没有灰心丧气,他知道8年后还可以看到下一次凌日,于是就耐心地等待。终于,1769年6月3日到来了,可就在金星走进日面前的十几分钟,突然天上下起了大雨,把勒让提浇得像个落汤鸡。等雨停了,凌日也已结束了。这意外的扑击使他心灰意冷,一度病倒在床,幸亏当地居民悉心照料,才使他逐渐好起来。1771年,当勒让提两手空空返回故土时,惊讶地发现亲属们已瓜分了他的财产,连科学院院士的位置也为他人补缺了。勒让提最后落了个一无所有的下场。

业余研究者发现天王星

英国天文学家赫歇尔,从小过着非常贫穷的生活,长大后一度以演奏音乐谋生,收入十分微薄,只能勉强糊口度日。

1774年的夏天,赫歇尔和他的弟弟妹妹一共三人,组成了家庭望远镜制作“工厂”。三个人劲头十足,分工合作,开始了自制望远镜的工作。赫歇尔在宫廷中的演奏结束后,一回到家,便马上换上工作服进行他的镜面磨制工作。他不分寒暑地磨制镜面,时常磨到饥肠辘辘也不肯停手,就让妹妹给他喂饭吃,疲倦了,就让妹妹在一旁为他朗读小说。他就是以这种努力不懈的精神,在贫困的生活中始终坚持磨制镜面。1776年5月1日,一架2米长的反射望远镜在他们三人的苦战中诞生了!

接下来便是第二步计划了,是要坚持天天进行天文观测。赫歇尔非常珍惜每一个可以进行观测的晴夜,常常是整夜地观测,到了第二天,还得拖着疲惫的身体到宫廷去演奏,以便换来日常生活费用。晚上不管回来多晚,只要天气晴好,他总是要打开望远镜,继续进行观测。妹妹始终跟在哥哥身边做观测记录,白天则进行整理归算。弟弟在哥哥指点下继续做磨制更大镜面的准备工作。就在他们进行巡天观测的第五个年头,一颗从来没有被人们发现过的新星出现在赫歇尔的望远镜里。

这颗新星就是后来人们非常熟悉的天王星。但在当时,人们却一直认为,土星就是太阳系的边界,金木水火土,外加地球,就是太阳系六大行星的全部!因此,天王星的发现在当时轰动了全世界,而人们却始终难以相信,这个巨大的发现,是一个没有受过正规教育的,不是以天文研究为正当职业的业余研究者发现的。

蟹状星云的发现

据中国历史记载,1054年7月,金牛座的天关星附近,出现了一次非同寻常的大爆发。这次大的星际空间爆发事件,留下了一大片形如巨蟹的发光的星云,即天文学界著名的蟹状星云。科学家后来知道,在未爆炸以前,那颗恒星(蟹状星云的前身)的亮度一度比太阳亮10倍。现在我们看到的蟹状星云,其实是这次爆炸的遗迹。

蟹状星云的名字得自于爱尔兰天文学家罗斯爵士。在1844年,罗斯爵士通过一架36英寸的望远镜,在金牛座的天关星附近发现这块外形像螃蟹的星云,所以把它叫做蟹状星云。随后科学家发现,蟹状星云的体积在不断扩大,其膨胀的速度高达1300千米/秒!蟹状星云始终发射着迷人的光彩。是什么天体在空中爆发,而产生了如此巨大的一片星云?它是从哪里获得的巨大的能量,近千年来持久不衰地发光,发出射电信号,发出X射线和Y射线?

1968年,科学家在该星云中找到了一颗中子星,并确信这颗中子星就是导致900多年前那场大爆发的恒星的“残骸”。根据空间轨道天文台的科学家估计,这是由于一个星球的能源耗尽,然后坍塌,再发生爆炸,产生超新星爆炸,最后变成了一颗中子星和一片星云。蟹状星云中央的中子星,被一团光亮的环包围着,这光环由高能量的粒子组成。科学家相信,蟹状星云的最高能量相当于四亿个太阳,在它周围50光年内的星球上,任何生命都会被这高能量消灭,幸而地球位于蟹状星云数千光年之外。

天文学家从这个星云中得出一个明确无误的启示:宇宙中可能产生我们怎么想象都不会过分的巨大爆发事件。

小人物发现海王星

19世纪40年代,科学家们通过计算得出,太阳系中还有一颗很大的行星没有被发现,而且这颗行星是一定存在的!全世界大多数天文学家都在为找出这个暗藏的行星绞尽脑汁。1846年9月23日,德国柏林天文台的老台长加勒收到一封从法国寄来的信,落款是一个陌生的名字:勒维烈。他拿出信来仔细一读,不觉大吃一惊:

“尊敬的加勒台长:请您在9月23日晚上,将望远镜对准摩羯座6星之东约5度的地方,您就会发现一颗新星。它就是您日夜寻找的那颗未知行星。它小圆面直径约3角秒,并且以每天69角秒的速度后退……”

满头银发的加勒读完信后,不禁有点发愣。他心里又惊又喜,是谁这么大的口气,难道他已观察到这颗星了?不可能。这个不知名的小人物不可能有很好的观察设备,不可能有那么雄厚的技术力量,但是他又怎么敢预言得这样具体呢?

好不容易,加勒和助手们熬到天黑,便赶紧将望远镜对准那个星区,果然发现了一个亮点,和信中所说的位置几乎一样。他眼睛紧贴望远镜,一直看了一个小时,这颗星果然后退了大约3角秒。“哎呀!”这回加勒台长几乎跳了起来。那个陌生人竟预言得分毫不差!大海里的针终于捞到,加勒和助手们狂呼着拥抱在一起。几天后他们向全世界宣布:又一颗新行星被发现!它的名字叫海王星。

哥白尼的日心说创建300年来,一直是一种假说,即使其有百分之九十九的可靠性,然而毕竟是一种假说。而当勒维烈依据这个学说所提供的数据,不仅推算出一定还存在一个尚未知道的行星,并且还推算出了这个行星在太空中的位置的时候,哥白尼的学说就最终被证实了。

钟摆揭示了地球自转

1851年的一天,法国巴黎万神庙的圆顶上,吊着一根长60余米的金属丝,金属丝下方悬挂着一个27千克重、直径约30厘米的铁球。这个人们从来没有见过的超级大摆,在广场上悠然自得地摆动着,吸引了路过的人们驻足观看。

傅科,这个大钟摆的制作人,指挥5个人按照固定的位置站好,这5个人围成一个弧形,从摆球的最左边一直排到摆球的最右边。时间一分一秒地流逝,人们失去了耐心,人群中出现了少许骚动。就在这时,奇迹出现了。

一个站在最右边的人突然发现,原来就停在自己面前的钟摆已经很久没有晃到这儿来了。于是,他尖叫了起来:“这个钟摆有魔法啊!”人们一听,顿时蜂拥围在他的身旁,听他讲述他的发现。这个人兴奋地结结巴巴讲完,有些人立刻附和道:“的确是这样的啊,一开始那个大球还在我的眼前晃来晃去的呢,不过到了刚才,那个球就只能晃到我的身边而已了。”而有的人则半信半疑地盯着钟摆,想看看到底是不是有人在暗中操纵着“魔法”。

就在这时,傅科让大家走近钟摆,人们这才发现,摆的下端是一个尖头,正好从地板上掠过。由于事先在教堂地板上已经洒过一些沙子,摆的尖头就在沙子上划出了清晰的痕迹。从沙子上的痕迹可以看出,摆尖划出的记号在不断地改变方向。它扭转的方向和速率正巧符合巴黎的纬度,和该纬度呈非常严谨的函数关系。

傅科摆为什么能够演示出地球自转呢?简单地说,因为惯性。当地球开始转动的时候,因为地球是向东转动,而摆的惯性却始终是保持原来南北的摆动方向,这就产生了摆向西偏转的现象。可能很多人都玩过摆,却没有想到里面藏着这么一个天体运动的秘密。

惊天动地的通古斯大爆炸

1908年6月30日,印度洋上空晨曦微露。突然,一个巨大的火团从空中坠落下来,这个火团呈圆柱形,喷射出蓝白色的耀眼火光,照得人们无法睁开眼睛。不久,从西伯利亚中部的通古斯地区传来了一声震天撼地的巨响,巨大的蘑菇云腾空而起,天空中出现了强烈的白光,气温瞬间灼热烤人,爆炸中心区草木都被烧焦,70千米外的人也被严重灼伤,还有人被巨大的声响震聋了耳朵。爆炸造成附近居民惊恐万状,而且还波及远方的国家:英国首都伦敦的许多电灯骤然熄灭,一片黑暗,欧洲许多国家的人们在夜空中看到了白昼般的闪光;甚至远在大洋彼岸的美国,人们也感觉到大地在抖动……这就是历史上有名的通古斯大爆炸。

科学家们判断,如果这个物体再迟几小时撞击地球,这个爆炸就应该发生在欧洲,而不是人口稀少的通古斯地区,这样将会造成更大的人员伤亡。

那么,究竟是什么东西引起了如此巨大的爆炸呢?这个问题深深吸引着现代的科学家。20世纪30年代,苏联科学家曾经发表声明,宣称爆炸是一次巨大的陨星造成的,但他们起初并没有找到陨星坠落的深坑,也没有找到陨石,只发现了数十个大大小小平坦的洞穴,即使把钻头打到土层中进行探测,也没有找到陨石碎片。因此,人们开始意识到,通古斯大爆炸不像是陨石引起的。

二战以后,苏联物理学家卡萨茨夫访问日本后发现,广岛原子弹爆炸后的废墟和通古斯有着众多的相似之处。因此,卡萨茨夫产生了一个大胆的想法,他认为通古斯大爆炸是外星人引起的一场核爆炸。

当然,卡萨茨夫对于通古斯爆炸的见解也仅是一种假设。更多的人还是相信“陨石说”。