第四章 了解宇宙
关于这个令人匪夷所思的浩瀚宇宙，我们已经探讨过了：一共有6颗尘埃散落在整个滑铁卢站，恒星所拥有的空间密集度大概也就是这样。也许可以用这样的说法，有亿亿个以上的分子在这6颗尘埃中。我们讨论的宇宙之所以这么空阔，原因正是这么庞大的数目的分子正巧聚成6堆物质。在宇宙中，这6堆物质的单位便是恒星，大约有1056个分子存在于每堆物质里面，如此大的数量，实在让人瞠目结舌。太空看起来很空阔的原因并不是因为分子的数量极少，也不是因为分子都聚集成含有1056个分子的6个尘埃，原因是恒星之间有一层稀疏的气层。下面，我们就来揭开“太空中的分子为什么呈现这样的聚集方式，但是生活中的分子却不是”的谜底。
我们要依据科学方法来研究为什么分子会呈现出这样的聚集方式，首先要搞清楚到底什么原因促使它们这样聚集。在地球的大气层里，大约有1041个分子存在，为什么这些分子会被束缚到一个大气层中并分散地散落在太空呢?探索的结果是由于地球的吸引力。如果站在地球表面射击，子弹飞行速度在6.93英里/秒以上的话便会偏离轨道飞向太空，原因是子弹的飞行速度大于地球吸引力，以至于地球引力不足以将子弹拉回来。不过假如子弹的飞行速度低于上述速度，便抵抗不了地球引力，飞不到太空。所以，大气层中运动速度不到0.333英里/秒的分子根本抵抗不了地球的吸引力。地球吸引力不断地把这些分子拉回，它们也只能覆盖在地球表面。
大气中的分子与别的分子产生碰撞的机会非常少，以至于很少能达到6.93英里/秒的速度。假如某个地球大气层中的分子能有这样的运动速度，那么它便可以摆脱地球引力的束缚，逃逸出地球飞到太空。地球不断地用这种方式放开对分子的束缚，不过经过计算得知，即便是经历上百万年，这种释放方式也不会多么明显，所以我们可以忽略这种可能，将其看做是一成不变的。
太阳跟地球一样。大气层中的分子受太阳的热力而分解成原子，它们的平均速度只有2英里/秒。不过原子的速度只有在380英里/秒以上才可以摆脱太阳的约束，因此太阳大气层便是太阳周围的原子受太阳的约束力而形成。
假设一个普通房间里的空气中的分子在房子中心聚集在一起的话，那么这个气团外层的分子便会承受这个气团释放出的压力。不过由于这种分子团的质量很小，所以引力也没那么大。其实，这个分子团表面的分子能达到1个世纪1码的速度便能逃脱分子团的束缚。因为普通空气中的分子能达到500码/秒，所以一刹那间，这种这样的气团便能充斥整个房间。另外，假如房间大到能容纳太阳的话，那么它周围的分子就能被束缚在屋子中心的球团之内，跟它们在太阳大气层中的情景相似。外层的分子一定要超过380英里/秒的速度才有可能摆脱束缚，所以，只有500码/秒速度的普通分子根本达不到要求。
星空中的大气层
通常情况下，内部物质团体对其外层分子施加的引力和外层分子的运动速度之间的抵抗是束缚与逃脱之间的矛盾根源。太阳系中这样的例子很多。月亮对它大气层中分子的吸引力只有地球引力的16，所以即便是月球有大气层，分子也全部逃逸了。纵然水星的吸引力只有地球的25，但是水星离太阳很近，它面向太阳的一面温度极高，故而它表面的大气分子也逃脱了。火星对分子的吸引力只有地球的15，即使是这样，它表面相对来说温度比较低。按理论来讲，比较重的分子和水汽都逃不掉，像氢和氦这种质量较轻的分子会逃掉，事实跟理论应该一样。木星的两颗最大卫星和土星的最大卫星的吸引力跟月球的引力大致一样，但是土星和木星的表面要比月球表面温度低，所以它们表面还有大气层存在。已经有一些观察员看到存在于这三颗卫星表层的大气层。太阳系里的四颗主行星的吸引力都比地球引力要大，所以其表层的大气层很容易被约束；金星的吸引力跟地球引力相同，所以也能束缚住其表面的大气层。
这些例子完全可以证明，为什么一旦行星体分子集合成团就很容易被束缚的原因。然而这些聚集团最初形成的原因以及如何能聚集成形的问题还是非常复杂的。例如，行星中的分子数量大约是1056个，而不是1054个或者1058个，控制这个现象的原因是什么？
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天文学和其他的科学没有什么不同。它的发展进步，让我们一步步接近真理，得到一个个更加精准的判断。我们研究得到的天文学理论，还为物理和化学等理论学科的发展提供了帮助。
对于人类历史进程来说，1610年的1月7日是一个值得纪念的日子。在那一天的晚上，伽利略，一位来自帕多瓦大学数学系的教授，用一台天文望远镜看向了遥远的星空，这是他最新的发明。
大约在三个世纪之前，罗杰·培根曾经向世人阐述过一件事情：望远镜应该怎样制作，我们才能更近距离地观察星空中的星星。他就是眼镜的发明者。在他的阐述中，还提到了应该怎样制作镜片，才能搜集折射到它上面的远方光线。这些光线会集中在一个焦点上，然后通过人的瞳孔传递到视网膜上。这个原理就跟助听器的一样。助听器搜集聚在一个大孔直径上的声波，并将这些声波折射到一个焦点上，然后通过人的耳膜传达到耳鼓上。这种镜片能提高人的视力，就像助听器能提高人的听力一样。
1608年的时候，利伯希发明了世界上第一架望远镜。伽利略一听到这个消息，马上对望远镜的制作原理进行了仔细的研究。果然，不久之后，他就亲手制作了一架更为先进的望远镜。在当时的意大利，这次发明掀起了一场很大的轰动。这个激动人心的消息很快在社会中传播开来，意大利的大街小巷中，人人都在议论望远镜卓越的功能。威尼斯的总督和元老院也听说了这个消息，他们命令伽利略将它带到政府中来展示。之后的情况就是，据目睹的威尼斯市民回忆，年事已高的政府参议员爬上当时最高的钟楼，用望远镜观察着远处大海中航行的船只。这是一架功能卓越的望远镜，它所能观察到的光线，比我们肉眼所能看到的最弱光，还要弱一百倍。不借助望远镜的话，我们是无法观测到遥远的星空的。通过使用这种望远镜，离我们50千米以外的物质看起来，就像只有5千米那样近——这是伽利略自己说的。
一直以来，有一个问题始终萦绕在伽利略的脑海中，才让他对这样的新发明如此狂热。两千多年前，毕达哥拉斯和欧多克斯曾经告诉过后人，在整个宇宙中，地球并不是一个静止的个体，而是永不停止地绕着一根轴在自转，它自转的周期是24小时。我们所经历的昼夜交替，也正是地球自转造成的。萨摩斯岛的阿里斯塔克斯进一步补充了这个理论，他解释道：地球除了在不停自转，还绕着太阳不停地公转，其公转周期是一年。我们所经历的四季交替，正是由地球公转造成的。阿里斯塔克斯可以称得上是希腊最伟大的一位天文学家。
然而这些理论并没有得到太多的支持。亚里士多德就坚决反对，因为他认为，地球是宇宙的中心，是稳定而静止的。后来，托勒密对这个说法进行了科学的解释：地球在宇宙中的运行轨道是稳定的。宇宙中的某些行星围绕地球作着圆周运动，而这些行星作为一个运动中的中心，又被另外的一些行星包围着在作圆周运动。这种地心论学说得到了当时教会的大力支持。在教会看来，人的生死轮回就是一场伟大的剧作，地球则是它的舞台。这场伟大剧作的参演者之一，正是伟大上帝的子嗣，因此地球如果并非宇宙的中心，显然是非常不合理的。除了鼓吹这些虚无主义，很难想象教会还能干点别的什么！
可是，这种学说在教会中也没有能得到一致的认可，奥瑞思穆的教主，还有库萨的卡迪那尔·尼古拉斯也表示了对这个学说的不满。尼古拉斯在1440年的时候表示：我一直认为，地球不是停在一个地方固定的，它和其他星球没有什么不同，都同样地在转动，并且地球自转周期正好是一昼夜。
久而久之，教会彻底被那些持有这种观点的人激怒了。1600年，哥尔达诺·布鲁诺被判火刑，在火刑柱上被活活烧死。他留下了这么一段话：我一直认为，慈祥的上帝除了应该制造一个漫无边际的世界，还应该制造一个或者更多的世界，但他却仅仅制造了这一个，好像并没有对称。所以，我说过，还会有更多个跟地球一样的奇特星球存在。就像毕达哥拉斯坚信的那样，除了地球这颗星球之外，宇宙中还有月球、行星，以及更多数不胜数的恒星存在，世界就是由它们所组成的。
但是，对那些怀着传统理论的人，波兰的哥白尼给予了最沉重的打击。他既不是神学家，也不是哲学家，而是天文学家。哥白尼的巨著《天体运行论》中记载，托勒密的本轮结构和运行轨道根本就没有必要去划分。在太空之中，行星的运行轨道和地球，以及其他的星球一样，都是围绕着太阳，作固定不变的周期性运动的。如今，《天体运行论》已经出版了超过六十年之久，但关于这些理论的争论依旧激烈，真理到底如何依旧没有定论。
……
然后，我们将要揭秘的是地球是怎样从太阳中诞生的，以及在20多亿年前，地球是一副什么模样。事实上，在形成之初，地球是一个高温的“火球”，根本无法容忍任何生命。它刚开始形成的时候，我们无论如何也想象不到，以后它会变成一个稳定的，有生命存在的星球。并且，依附在它上面的山川河流，大洋大海以及动植物，都很好地存在着。
随着时间的推移，这个高温的“火球”渐渐地冷却下来了，变成了液体的形状，接下来又凝固成了塑胶状，最终发展成为稳定的固体形态。从远古那些形状不规则的山川的影子中，我们还依稀能看出地球塑胶形态时期的痕迹。与此同时，气体就成为地球的大气层，水蒸气逐渐凝结成液体，形成了江河湖海。渐渐地，地球开始形成了适合生命的条件。但究竟适合生命的条件是什么时候出现。又为什么会这样演变的，我们至今还没弄明白。
地球上生命诞生的最早时间，到现在还没能被确定，但至少不会很久，因为地球本身也才存在了20亿年。无论怎么说，3亿年前的地球上应该可能就有生命的存在。刚开始的时候，生命全是由水生植物组成，后来逐渐开始出现鱼类，再由鱼类进化成两栖动物，接下来又进化为哺乳动物，最后再进化成人类。有确切证据证明人类的存在是在大约30万年以前。这就说明，生命在地球上不过才存在了短短一段时间，人类就更不用说了。从另一个角度来说，也就是，人类的存在时间与宇宙相比，是微不足道的，至于人类的发展进化和不断繁衍，那就更不过是浩瀚的时空中的一声毫不起眼的滴答声了。
远古时期的人猿，也就是人类的祖先，和现代人之间大概隔了一万年之久，在地球上繁衍生息。最初的人猿虽已初具人形，但在生存习性上，更多地趋向于动物性。他们还不太会思考，只懂得打猎、捕鱼等初级劳动形式，而解决矛盾冲突的办法通常是武力。随着生产力的提高，人类的意识开始逐渐觉醒，文明开始产生了。他们开始认识到，生活不仅仅是穿衣吃饭那么简单，开始出现私有欲望。人类渐渐地感觉到身体的美好，关注于水中的倒影，并且尝试着用能被记录下来的文字来表达自己的感觉。他们渐渐地开始使用金属和药材以及了解水和火的作用，开始发现和思考天体的运行。对于那些能看明白天空中写着什么的人来说，昼夜交替和夜晚的群星，都暗示着地球外还存在着一个未知的世界。
渐渐地，天文学开始出现，随之又出现了其他的各种科学，以及关注于美的艺术。但是和人类的历史过程相比较，它们就像是刚刚出现的；而要是跟地球比时间长短的话，它们也就存在了弹指一挥间而已。
天文学在科学上来讲，跟单纯地看星星是不一样的，所以它的历史最多也不会长于三千年。阿里斯塔克斯、毕达哥拉斯以及一些别的天文学家得出一个结论：太阳是不动的，而地球则围绕着它旋转。这个结论得出来的时间不长，但它的重要性在于，从此人类开始用确凿的证据来研究宇宙了，而不再是凭借着固步自封的想象。伽利略在1610年将望远镜对准木星的那天晚上，是天文学史上非常重要的一天，虽然它已经过去三个世纪之久了。
当我们把估算出的数值用表格的方式记录下来的时候，才开始真正理解天文学的真正意义。
这个表格很直观地显示出，天文学的确是一门新兴的学科。从天文字最初出现算起，也不过是人类存在时间的百分之一，而与生命存在时间相比，更不过是它的十万分之一而已。地球上的生物，十万个当中，有99999个是与地球之外的世界没有任何联系的物种。过去的天文学是人为地按照时间单位来估算的，按这种方法计算延续了一百多代。可能将来天文学会有自己的计量单位，也可能它会因为不可预知的原因夭折。地球已经存在了46亿年之久，它连带着生命、人类以及天文学一起，再存在数十亿年，也不是不可能的。其实我们可以找到更多的理由证明地球能够存在得更长久。但如果将来我们要改用天文学上的单位来计算地球的生命时间的话，会有一些麻烦，毕竟天文学还刚刚开始。而且它毕竟是一门只能无限接近真理的科学。就像一个刚刚出生的婴儿，我们没必要现在就去探讨他将来是否会成熟一样。但即使如此，他毕竟已经睁眼看世界了，总比之前浑浑噩噩一无所知要强很多。
所以我们学习天文学，从它那里懂得有关于宇宙的知识。但我们不能仅仅关注这一项单一学科，还要去学习像物理、化学、地理等其他学科，以及天文学的衍生学科，像天体学、天体进化学和天体理论学等等。这些学科都能帮助人们研究天文学。我们在单一学科当中得到的信息肯定是零散的，但我们能将这些零散的信息拼凑成一个整体。当有一天我们能把所有的信息都掌握之时，我们肯定能得到一个完整的信息。但是现在来说，信息还不够多，想要得到一个全局的概念还不太可能。不过至少我们可以把已知的信息都保存下来，找到它们之间的联系。等到将来更多的信息都到齐了之后，也许我们就能找到想要的答案了。
《浩瀚的宇宙(揭开宇宙深处的秘密全新插图本)》是一部人类认识宇宙的结构、形成及发展的简史。《浩瀚的宇宙(揭开宇宙深处的秘密全新插图本)》从地球所处的太阳系写起，由近及远，先后介绍了太阳系、银河系及各星云，然后从物质的基本结构原子、分子等出发，有条不紊、逻辑严密地揭开人类认识宇宙各星体的结构、形成及演化的依据和过程，进而系统地认识宇宙的形成及发展。作者金斯化繁为简，抽丝剥茧般将繁琐的天文理论知识，由浅及深、简洁明了地展现在普通读者面前，让读者丝毫不觉深奥难懂，并能激发读者的阅读兴趣，坚定探索宇宙未解之谜的信心。它是一本通俗易懂的绝佳天文学入门读本。
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