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第6章 穿越时间与空间

詹姆斯·霍普伍德·金斯爵士(Sir James Hopwood Jeans)1933

没有诗作歌颂过月球上的日出或日落。那不过就像开了一盏电灯那样稀松平常……那里没有与地球一样的多彩迷人的大气,也没有天空。

不可思议的时空探索之旅

1.宇宙中是否存在其他生命?

2.地球的“孪生”行星是什么?

3.夜空中可以看到多少颗星星?

4.恒星是如何形成的?

5.星云是如何形成的?

在这场后来成为二战前最后一场关于太空的圣诞讲座中,金斯给大家带来了激动人心的穿越太空之旅。演讲自地球的历史开始,而在到达那些遥远星系之前,我们将快速造访月球和更远的行星。金斯的演讲可以说是最受好评、备受尊崇的演讲之一,而这得益于他对年轻听众那种爷爷般的引导风格——他令他们激动万分。

“在(讲座进行期间)这些忙碌的日子里,我们每个人都将步履不停。”金斯在第108次圣诞系列讲座上如是开场。我们会随心所欲地旅行,直到“地球看起来比太阳光束下最微末的灰尘还要渺小”。不过一开始,他向听众介绍了我们自己的这颗行星。听众席究竟座无虚席到何种程度?事实上,爸爸妈妈们、叔叔阿姨们,甚至德高望重的教授们,都在假装没有留意到一些座位是专为孩子预留的。拥挤的人群只好溢流到了皇家科学院的图书馆,在那里观看讲座转播。

就像之前不少次圣诞讲座都曾做过的那样,金斯把一只悬挂于天花板上的巨大钟摆晃动了起来,以此来证明地球正在自转,以至于皇家科学院的讲堂也在跟着旋转。钟摆定时地一来一回,从未偏离它的直线轨道。然而45分钟后,它摆动时所到的顶点,却已处在房间里明显不同的位置——地球此时一定已经在我们的脚下发生了移动。[这一实验最初是由法国物理学家莱昂·傅科(Léon Foucault)于1851年在巴黎先贤祠完成,如今你仍然可以在那儿看到这个装置。]在讨论我们这颗行星年龄的时候,金斯先是提出了20亿年(如今我们知道地球实际年龄超过这一数字的双倍),随后他介绍了魏格纳(Wegener)的板块漂移学说,也就是认为地球的盘古大陆在过去数十亿年间发生了移动并分离的一种观点——在当时来说可谓是令人耳目一新。金斯称,这一概念“尚未得到科学家的广泛认可”。直到20世纪60年代,地质学家才从海床上找到一些证据,证实大陆确实在漂移。

然而孩子们最感兴趣的,还是金斯对地球上那些巨型远古“居民”的介绍,不过金斯也提醒他的听众,这些巨兽与苏格兰尼斯湖中存在的各种生命完全不同。事实上,这些恐龙是“不适于生存的生物”——对更灵活的竞争者无能为力,而这一属性为它们的灭绝埋下了隐患。他描述翼龙不能轻松行走,并解释说这个物种身体太重,大概也很难自行起飞。为了能够飞行,它们只能不断艰难地爬上山坡,然后滑向空中。“我觉得我们大概会为它们感到遗憾——它们的一生似乎在无止境地重复学习滑雪,却没有索道能够助它们一臂之力。”

詹姆斯·霍普伍德·金斯爵士(1877-1946)

詹姆斯·金斯出生在兰开夏(Lancashire),是英国天文学界的杰出人物。在剑桥大学三一学院接受教育之后,他于1906年当选皇家学会的研究员,而剑桥大学曾经汇聚过包括艾萨克·牛顿爵士在内的科学名人。1928年他被封为爵士。与亚瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)爵士——参与证明爱因斯坦广义相对论的科学家——共同致力于宇宙学研究。

他最为人所知的工作是研究恒星的形成过程,以及它们如何从因重力坍缩的星际尘埃云中产生。1929年退休的他,是带着我们对宇宙进行详细回顾的最佳人选。

为了将这些反映地球历史的重大事件放入讲座背景,金斯通过一根18英尺(5.4米)高并划分成很多线段的长杆进行讲述,其中每一英寸(2.54厘米)都代表了1000万年。代表人类在地球上出现的时间仅仅占据了最上面的1/15英寸(1.7毫米),而代表文明人类出现的时间更是只有最上面的1/2000英寸(12.7微米)。说完了地球的历史,他又展示了月球在望远镜下的照片,让我们得以一瞥即将造访的地方。他估算,如果现在出发[按照大概每小时3500英里(5600千米)的平均速度前行],我们将在周六的3点钟抵达目的地——正好来得及开始他第二场讲座。

不过诗人们要注意了:你们对月球的美好幻想将会破灭。很多民谣写手笔下那美丽与宁静的化身,并不是情侣们容身的地方。“没有诗作歌颂过月球上的日出或日落。那不过就像开了一盏电灯那样稀松平常……那里没有与地球一样的多彩迷人的大气,也没有天空。”金斯说道。那里甚至没有可供呼吸的空气。在将月球的望远镜照片投送到大屏幕上之后,他展示了一片斑驳的世界,覆盖其上的只有一些毫无生机的多山高原,就跟纳尔逊上将纪念碑[译注:Nelson's Col-umn,位于英国伦敦的一座著名圆柱形纪念碑,为了纪念在1805年殉难的霍雷肖·纳尔逊(Horatio Nelson)。在一场战役中,英勇善战的纳尔逊战胜法国、西班牙联合舰队,阻止了拿破仑的进攻计划]一样幽暗冰冷。《阿伯丁新闻》(Aberdeen Press)在1934年1月1日对这一讲座的报道中写道:“如果听众席里有诗人的话,他们八成会回到家,把他们写过的那些充斥着月亮的十四行诗扔到火堆里。”

然而,对无畏的旅行者来说,月球也并不是没有馈赠。由于质量比地球小得多,它的引力也要弱得多——大概是我们习以为常的地球引力的1/6。因此,根据金斯所说,我们不费吹灰之力就能打破自己的运动纪录。他经过计算后讲道:“一名优秀的跳高运动员应该可以跳到约36英尺(10.8米)高,而一名说得过去的跳远运动员起码能跳120英尺(36米)。”他还设想了一下在月球表面上玩板球的画面:“如果不想让比赛变成纯粹击球手的运动,场地必须达到地球上场地尺寸的6倍。糟糕的是,所有这些都将使比赛的节奏只有地球上的1/6那么快,也许……根本称不上比赛了。”金斯接着开始证明月球表面的环形山是如何被陨星撞成的。根据报道此次讲座的《每日电讯报》(Daily Telegraph)描述:“在大家极度且难以抑制的兴奋之下,火药矿石在沙箱中被一个电火花点爆,环形山的形成过程便是如此。”

在摒弃了有关月亮的神话之后,金斯的第三场讲座主题转到了行星以及它们是否有生命存在的问题。就在此前四年,冥王星刚刚被发现,故而共有九颗行星。我们被告知它们都以相同的方向沿着轨道绕太阳旋转,“就像一种单行道的交通方式”,除了水星、金星与冥王星之外都有卫星。(冥王星已经不再被划分为行星,它在2006年被列为矮行星,但我们现在知道它至少还有五颗在轨卫星。)金斯还详细介绍了当时最新研究中有关木星的第十颗卫星存在的可能性(如今我们知道它至少拥有67颗)。

在介绍水星这颗距离太阳最近的行星状况之时,金斯说造访者也许会感觉像是“一片被炙烤的羊羔肉”,因为水星表面的温度达到了令人窒息的430℃。当话题转到金星时,他的描述却与现代天文学家之间存在着很大差异。金斯将金星描绘成地球的“孪生”行星,并说道:“水也会以液态的形式存在……因此我们应该有希望看到海洋或河流……和地球上非常相像。”(然而,今天我们知道金星是太阳系中最炎热的行星,平均温度超过了450℃。)

在讨论火星可居住性的问题时,金斯说天文学家们尚未找到彼处存在氧气的直接证据,如果我们想去访问,就得自己带上或者制造氧气。对于此前很多圣诞讲座讲者都提到的著名“运河”,他表示怀疑:“天文学家的主流观点……是否认这些猜测中的‘运河’有任何真实存在的可能性。”话题转到木星之时,他解释称,即便不会因氨气过多而咳嗽、打喷嚏、流泪,我们也不会享受在那里的旅行奇遇。土星更没有什么魅力,因为气温太低,甚至连氧气也变为液态的了。金斯随后通过向一碗液氧中投入一小块加热过的木炭证明了它的性质。氧气是火焰燃烧时所需的“燃料”,而液氧甚至比它的气态兄弟具备更强的反应性,因此液体在几秒内就燃烧殆尽,并产生令人目眩的白光,这也是让听众兴奋的地方。金斯根据这些条件总结认为,我们可能是太阳系中唯一的居民:“在这鬼魅世界的永恒征途中,我们是唯一有生命的成员。”

然而,如果说太阳系的规模已经大到难以理解,那么星系之间的间隔就没什么东西可以比拟了。“在一只大概1000英里(1600千米)长、1000英里宽、1000英里高的笼子里放上6只大黄蜂,让它们闭着眼睛乱飞,我们就造出了有关恒星间距的模型。”金斯在第四场讲座中讲道。将黄蜂的速度降到蜗牛步速的1%,差不多就能代表它们相对运动的速度。毫不奇怪,它们看起来就是固定不动的。

虽说太阳相比它这一家族的行星来说似乎显得非常庞大,但对比最大的恒星,它小得可怜。“6400万个太阳大概可以比拟一颗这样的巨型恒星。”金斯一边解释,一边抓起一枚小戒指与一个直径为10-12英尺(3-3.6米)的圆环对比。(如今我们已经知道甚至还有更大的恒星存在,例如大犬座VY与盾牌座UY,它们可以装下差不多25亿个太阳。)它们释放的能量也非常巨大。“一些恒星表面的每平方英寸(6.5平方厘米)都可以产生50万匹马力的功率(相当于每平方厘米有5.7万千瓦的功率),这足以供应整个伦敦的能源,或是让不列颠群岛的所有铁路线都能运转。”不过并不是所有恒星都采用和太阳相同的方式释放出巨大能量。人类的耳朵可以听到10个八度的声频,但人类的眼睛只能看到光谱上的一个“八度”。其实很多遥远的恒星所发射出的大部分光线,都处于我们不能看到的“八度”——例如紫外线或X射线。

金斯从听众席中拽出贝蒂·格林(Betty Green),她的父亲威廉·格林(William Green)担任皇家科学院讲座与实验室助理长达50年(1900-1950)。通过化装,她扮演了一名来自天狼星系行星的外星人,而天狼星是一颗紫外恒星,也是夜空中最亮的星。金斯告诉她,她已经被邀请参加2034年的一场派对。根据次日出版的《爱丁堡晚报》(Edinburgh Evening News),在紫外线(UV)下,她显现出“闪闪发光的金色脸颊,一双粉色的眼睛中瞳孔明亮而又具穿透力,以及乳白色的牙齿”,这就是你造访天狼星系的行星系统时将会看到的情景。

此刻我们已经知道这些恒星到底有多远,接下来注意力就该转向它们的总数了。“(夜空中)可以看到多少颗星星?”金斯在开始他的倒数第二场讲座时,如此问他的年轻听众。这个问题的答案大概不会是你所想象的数字。对人眼而言,有5000颗星星足够明亮,可以被看到,但其中只有2000颗会同时出现在夜空中,因为它们也会像太阳那样升起落下,所以并非全部星星同时可见。他用幻灯片向听众展示了一些为人熟知的星星,其中包括北斗七星(大熊座)。

不过他透露,在我们这个车轮状的银河系中,共有2000亿颗恒星在不停地旋转。这足以让地球上的每一个人都拥有其中100颗(1933年全球人口只有大约20亿)。然而,由于我们只能看到其中的5000颗,金斯提醒到,你很有可能并不会见到你被分配到的那颗。这个恒星的集合——我们称之为“银河”——如此庞大,以至于我们的太阳完成一次绕行需要2.5亿年。这也就意味着在人类文明发展的6000年里,太阳绕着银河系运动的角度“不过是钟表上的时针在一秒内转过的角度”。

接下来,金斯讲到了他的专业领域:恒星的形成过程。他详细描绘了当大量气体与星尘在自身引力作用下发生坍缩时,新生的恒星如何从云状的“茧”中孵化而成。星云开始坍缩时,便会旋转得越来越快,这很像滑冰运动员收回手臂时的状态。金斯说,这一点也许可以说明为什么很多恒星会以双星的形式出现——它们在分离之前是以“连体双胞胎”的形态出现的,但分离后“依旧如亲兄弟一般紧紧相连”。为了证明这一点,他向一只快速旋转的玻璃罐中滴了一滴油,不过令他吃惊的是,油滴分裂成了三部分,而非他所计划的两小滴。

金斯将我们的注意力拉到整个宇宙以及我们所能观察到的最遥远的星系,并以此来总结他的演讲。“看起来好像宇宙经历过一次爆炸,就像炮弹在战场上爆炸那样,而我们就附着在其中一块正在飞行的碎片上。”他所探讨的正是距当时尚不足五年的最新科学发现,即宇宙正在膨胀。不只是我们银河系中数以千亿计的恒星,也包括很多相似的星系,它们彼此之间都在越飞越远。世界上最大的望远镜可以分辨出200万个这样的“星云”(那时的科学家们给它们起了这个名字)。星系距离我们越远,似乎远去的速度就越快,有些似乎可以达到每秒15000英里(24000千米)。不过,这些星系并非真的在太空中移动,而是之间的空间在伸展,使这些星系发生分离。为了从视觉上进行模拟,金斯吹起了一只气球,用来代表膨胀的宇宙,让聚精会神的听众将太空想象成气球的表面。如果在上面画上一些圆点代表星系,那么尽管它们没有真正在橡胶上发生移动,还是会随着膨胀互相远离。

金斯特别谈到了距离我们最近的大星系——仙女座,并说起它远在80万光年(1光年≈94605亿千米)以外。这也就是说,我们如今看到的仙女座星光,在太空中旅行了80万年才抵达这里。(当你知道现代测算的仙女座与地球之间的距离为250万光年时,也许还会更加沉默。)金斯指着一张宽4英尺、高2英尺(1.2米×0.6米)的仙女座照片,随后说,要想让太阳以一颗光点的大小等比例地呈现,他需要把这张照片放大到整个欧洲那么大。

为了说明为什么我们会觉得星云朦朦胧胧的,金斯向一只玻璃碗中注入了一些香烟的烟雾。星云之所以看起来像云,是因为那里的尘埃与气体构成了烟雾,跟碗中的烟雾导致其不透明是一个道理,我们则在努力地看穿它们。接着这位演讲者、天文学家向听众席中发射了一些美丽的烟雾光圈,于是无论男孩还是女孩——甚至还有他们的祖父们——都跳起来试着去抓住它们。

次日出版的《约克郡邮报》(Yorkshire Post)报道了这场讲座的尾声:“一个狂热的小男孩为詹姆斯爵士高呼三声,一大群听众带着签名本和问题,蜂拥到了他身边。”

以下内容来自档案

在金斯为第五场讲座准备的笔记中,他潦草地在其中一页的背面画了一幅群星图,那就是北斗星。或许即便是最伟大的天文学家,也需要时不时地给自己一些来自天空的提示。

在一张满是注解的手稿上,我们可以看到金斯的计算——如果我们瓜分银河系所有的恒星,地球上每个人将会分得大概100颗。我们还可以看到他对恒星在银河中的运动与钟表秒针进行对比的计算。

《每日邮报》在1934年发表的一篇文章用溢美之词盛赞了金斯的第一场讲座:“这些实验颇有启发性……月球上噩梦般的奇异地形在屏幕上闪烁着微光,地球早期的巨型爬行动物如此吓人却也如此滑稽,以至于孩子们被深深吸引,向前探着身子坐着,手托下巴,自始至终凝神屏息。”

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