1．从地球出发

夜空中的满天繁星，总能给人类带来无限的遐想。闪烁星星的背后是什么？这个世界从何而来、向何处去？外星人，或外星生命存在吗？……深不可测的宇宙中似乎暗藏着无穷多的奥秘，这是对人类永恒的诱惑！无论古人还是今人，无论老耄或者年轻，只要你还保持着一颗天真好奇的心，你便会对地球之外的茫茫世界疑问不断并且想要穷根究底。

古人仰望苍穹，不明就里，于是编出了一个又一个的神话故事来寄托他们的梦想和遐思。幸好我们生活在现代的文明社会，人类发展至今，已经积累了足够多的天文资料。今天，我们就跟随天文学家，做一个快速又简洁的“宇宙漫游梦”，去宇宙逍遥一下。

所谓“快速又简洁的宇宙旅行”的意思是说，我们不会详细介绍太阳系、银河系以及相关的基本天文知识，想要更详细了解这方面的读者请阅读参考文献 ^[4] 。我们只是各处浏览，挑几个有趣的、特别的事例做简单说明，主要目的是为了介绍和解释天文学及宇宙学中一些必要的物理概念，为读者理解今后的章节打下一定的基础。

从地球出发后，最快能到达的星球当然是地球的卫星：月亮。孩子们最早的天文知识，一定是开始于白天的太阳和晚上的月亮。然后再进一步，才了解了其他一些常见的星星。古代中国人将离地球最近的肉眼可见的几颗星星命名为“金星、木星、水星、火星、土星”，西方则大多数以罗马神话中的诸神来称呼它们。我们现在知道，天空中最亮的天体：太阳、月亮，还有其他和地球一样绕着太阳转圈的星星一起，组成了“太阳系”大家庭。

在这个大家庭中，最重要的主角是太阳。太阳是一个会发光发热的庞然大物，大到可以放下100万个地球。它供给我们必不可少的赖以生存的能量。因为有了太阳，地球上才孕育出生命，低级生命才得以进化为高等智慧的人类，人类又发展了引以为傲的高科技及现代文明。然而，如果没有太阳，或者太阳某一天突然停止发光发热，地球上的这一切都将化为乌有。

地球在太阳系中的确小得可怜，不仅是相对于太阳而言，即使在八个兄弟姐妹中，地球也只是一个很不起眼的“小个头”，（图1-1-1（a））。不过，尽管大小不一，绕太阳转圈的八大行星和谐共处，各行其“椭圆轨道”，各有其不同的“性情特色”。

水星离太阳最近，也许人们想象它最能探听太阳的秘密，所以把它的英文名字“Mercury”取为神话中的情报商业之神。水星并不是一个适合居住的地方，因为它的表面温度白天可达425℃，晚上冷到零下175℃。在水星之外，离太阳第二近的是金星。她在黑暗的天空中非常抢眼，因而被称为“美神”（Venus）。美神虽美，却又太热情，温度总在470℃以上，所以对我们人类而言，只能遥望，不宜亲近。

接下来便是我们可爱的家园，这颗郁郁葱葱的绿色地球。这是唯一一个没有用“神”来命名的太阳系行星，也是迄今为止我们唯一发现有智慧生物居住的地方。在地球之外是火星。不过火星并不“火热”，温度比地球还低，从零下80℃到零下5℃左右。火星表面大气稀薄，土壤内富含铁质类的氧化物，经常狂风四起，铺天盖地而来的红褐色含铁沙尘暴使它赢得了一个“战神”（Mars）的英名。火星之外是块头最大的木星。不过木星上并没有木头，而是一颗气态加液态的行星，它内心炙热（温度上万摄氏度），外表冷漠（达到零下110℃）。极大的温差使得木星表面天气恶劣，它是罗马神话中的主神朱庇特（Jupiter）。下一位土星兄弟，比木星稍小一点，也是气态氢为主。据说因为它看起来呈土黄色，中国古人将它称为“土”星。西方人似乎也认为它适宜耕种，用罗马神话中的农业之神（Saturn）来命名它。它有两个与众不同之处：一是它特有的、引人注目的、使它显得缥缈潇洒的光环，那是由冰粒和尘埃构成的；另一个特点是“多子多孙”，它有60多颗卫星，其中的“土卫六”（Titan），是由荷兰物理学家惠更斯在1655年发现的。土卫六拥有浓厚的大气层，被怀疑有可能存在生命体，曾引起研究者们极大的兴趣。

从土星再往太阳系的外围走，下一个是天王星（Uranus），这个名字来自于罗马神话和希腊神话中共同的“天空之神”。天王星离地球较远，但用肉眼仍然依稀可见。

1820年，法国天文学家布瓦德根据牛顿万有引力定律计算天王星的运动轨道，发现算出的轨道与观测结果极不相符。科学家们对此提出各种猜测，被大多数人接受的假设是认为天王星轨道之外可能存在另一颗行星，它的引力作用使天王星的轨道运动受到干扰，也就是天文学上所谓的“摄动”作用。20多年之后，英国的亚当斯和法国的勒维耶两位年轻人，分别独立地用天王星运动的偏差估计摄动的大小，从而推算出未知行星的质量和轨道位置。1846年9月，柏林天文台的天文学家果然在预期位置附近发现了这颗新行星，并以罗马神话中的海神尼普顿（Neptunus）为其命名，中文翻译为海王星。海王星距离太阳最远，表面温度低达零下203℃。是太阳系中最冷的地区之一。

海王星的发现，证实了牛顿定律的正确，体现了科学预言的无比威力。从此之后，天文学家在人们心目中，似乎变成了一群破解宇宙之谜的“大师”，能追捕未知星球的“侦探”。事实也的确如此，天文学家后来又根据对海王星的观察推测有其他行星摄动海王星的轨道，从而进一步发现了以地狱之神（Pluto）命名的冥王星。不过，因为后来又有许多类似的矮行星及其他小天体陆续被发现，冥王星于2006年被取消了太阳系行星的资格，我们的大家庭最后留下“八大行星”。

虽然在大家庭中，月亮是地球最亲近的“伴侣”，但月亮对地球总是“羞羞答答”“犹抱琵琶半遮面”，永远只是用它的正面对着地球。直到1959年，苏联的“月球3号”太空船才拍摄到了月球背面的第一张影像。能产生这种现象，是因为月亮的自转速度和绕地公转速度一致。这种一致性平衡了星体“腹背”所受到的不同引力。这种因为作用于物体不同部位的引力不同，而在物体内部产生的应力被称为潮汐力。实际上，月亮这个属性并不是太阳系中独一无二的。许多卫星的“面孔”取向，都符合这种“潮汐锁定”现象，即只用一面对着它的“主人”，以使得内部应力最小。这似乎又一次证实了大自然造物按照某种“极值”规律！

潮汐力这类引力效应，以后还会碰到，因而在此略作介绍。潮汐力这个词来源于地球上海洋的潮起潮落，但后来在广义相对论中，人们将由于引力不均匀而造成的现象都统称为潮汐力。我们所熟知的地球表面海洋的潮汐现象，是因为月亮对地球的引力不均匀而形成的，见图1-1-2（a）。人站在地球上，地球施加在我们头顶的力比施加在双脚的力要小一些（图1-1-2（b）），这个差别使得在我们身体内部产生一种“拉长”的效应。但因为我们个人的身体尺寸，比较起地球来说太小了，我们感觉不到重力在身体不同部位产生的微小差异。然而，在某些大质量天体，如黑洞附近，就必须考虑这点了。这种差异能产生明显的效应，可以将人体撕裂毁灭，见图1-1-2（c）。

月亮离地球说近也不近。与太阳系大家庭比起来，它俩非常亲近，但比较起月亮和地球的体积大小而言，中间似乎空空荡荡的什么也没有。要知道月地距离是38万km，地球半径不过6000km，因而，地球直径大约只是月地距离的1/30，如图1-1-3所示，你可能没有想到，太阳系的七大行星可以被排成一排，完全“塞进”地球和月亮之间，还仍然有剩余空间。不过，还好我们的七大行星从未挤到地球和月亮之间，如果发生那种情形，将会引起一场大灾难！

物理学家最感兴趣的大家庭成员是作为主人的太阳。太阳的形状几乎是一个理想的球体，中间是核心，然后是辐射带，最外层是对流带（图1-1-1（a）中的示意图）。太阳内部及表面发生的热核反应与我们地球上人类的生存息息相关。太阳是被我们称为“恒星”的那一类星体。恒星有它的生命周期，它的“生死”决定了大家庭成员们的生死，不可小觑。 4YiqXJhjT0w75NY9WmKTpDD0PcZmwH6iGsMgcg48IECYkvohzjnYpkqoAOGvLryh