太阳的故事之光明的源泉　恐怖的核心

　　爱因斯坦和他的年轻合作者英费尔德(LeopoldInfeld,1898-1968)曾经写过一本非常出色的科普著作，叫做《物理学的进化》(TheEvolutionofPhysics)。在那部著作中，他们作过一个令人印象深刻的比喻，那就是把科学的发展比喻成一个侦探故事。他们这样写道：
　　
　　自从柯南·道尔写出绝妙的故事以来，在几乎所有侦探小说中都有这样一个时刻，侦探收集到了为解决问题的某个阶段所需的全部事实。那些事实往往看起来很奇特、不连贯，并且彼此毫不相干。可是大侦探知道这时不必继续调查了，现在只有纯粹的思维能把搜集到的事实联系起来。于是他拉拉小提琴，或躺在安乐椅上抽抽烟。突然间，老天爷，他找到了联系！他不仅对手头所有的线索都有了解释，而且知道某些其它事情也一定发生了。因为现在他已经确切地知道在哪里可以找到它，如果愿意的话，他可以出去收集他理论的进一步证实。
　　
　　我们的太阳故事进行到这里，也差不多到了那样一个时刻，可以——甚至必须——象大侦探一样解决一些谜团了。不过与大侦探的单枪匹马及“老天爷，他找到了联系！”那样的戏剧性不同，科学家们收集事实的过程更象是现代侦探连续剧中那些跨省市的联合行动。因为除了大侦探自己收集的事实外，来自同事、同行乃至其它部门的协助往往也对案情的侦破起着关键作用。而科学家们解决谜团的过程，与其说是“拉拉小提琴，或躺在安乐椅上抽抽烟”，不如说更象是现代侦探连续剧中的大型案情分析会。在那样的分析会上，很多人(尤其是新手)会提出很多设想。当那些设想被一一排除后，某位幸运儿(多半是男主人公)会提出一个真正的好想法。当然，一个精彩的侦探故事往往是曲折的，一个曾经的好想法也许后来又遇到新问题，然后不得不召开新的案情分析会。我们将会看到，科学的发展常常也是如此。
　　
　　现在就让我们来观摩一场有关太阳的案情分析会，会议的主题是太阳为什么会发光？或者用更学术一点的话说，是恒星的能量产生机制是什么？
　　
　　太阳为什么会发光？这是一个很古老的问题。既然是很古老的问题，当然曾经有过很古老的回答，比方说“上帝安排的”。但那样的回答就好比是说凶案是上帝做的，不必查了。那样的人做神父远比做侦探合适，我们就不邀请了[注一]。
　　
　　那么，我们所邀请的第一位侦探是谁呢？是英国天文学家赫歇耳(WilliamHerschel,1738-1822)。此人是太阳系第六大行星——天王星——的发现者，在天文史上是一位赫赫有名的前辈。不过我们这场案情分析会虽然打算开成一个“团结的大会”、“奋进的大会”，却不是一个论资排辈的地方。在这个分析会上，赫歇耳的资格虽老，却必须被列入“菜鸟”行列(这也比较符合侦探片中新手总是先发言的惯例)，因为他的提议确实是太“菜”了一点。那提议是这样的：太阳之所以发光，是因为它有一个因炽热而发光的大气层，那大气层的下面则有可能是一个凉爽、甚至可能有生命居住的固态表面！
　　
　　今天的读者也许很难理解，象赫歇耳那样著名的天文学家怎么会想出如此不靠谱的提议？难道是超前学习了韩乔生同学的“意识流”？在这里，我们要为赫歇耳说几句公道话，因为他的提议在如今看来虽然极度离奇，在当时却并非单纯的臆想。事实上，赫歇耳之所以作出那样的提议，是因为他注意到了太阳上的黑子，他认为那是透过太阳大气层中的空隙所看到的太阳表面，那表面既然呈现黑色，想必是凉的，这就是他那提议的依据。那依据虽然是错误的，在当时却不失为是一种可能性。在科学史上，错误的假说可以说是层出不穷，一些反科学人士往往以此为由来抨击科学。其实，科学之所以有今天的声望，从来就不是因为她不会出错，而是因为她不断地寻求实证，并且在这过程之中不断地纠正错误，去芜存菁。我们在后文中将会看到，黑子的“黑”是一种相对的颜色，它并不等于日常意义上的“凉”。我们在第六节中介绍过的太阳光谱的类型也间接证实了太阳“表面”非但不凉，而且要比大气层(确切地说是光球层)更热，因为否则的话，太阳大气层的光谱将会是发射光谱而非吸收光谱(参阅第六节的注四)。除上述误判外，赫歇耳的提议还有一个很大的问题，那就是无论多热的大气层如果得不到能量的补充，都会很快冷却下来，这与太阳长时间稳定地发光是完全矛盾的[注二]。
　　
　　有这么多严重问题，赫歇耳的资格再老，也只能到一旁凉快去了。接下来有两人几乎同时发了言，这两人一位是德国医生兼物理学家迈耶(JuliusvonMayer,1814－1878)，另一位是苏格兰物理学家沃特斯顿(JohnWaterston,1811-1883)。说来也巧，这两人不仅发言时间相近，学术经历也相似：他们都在热力学领域中做过一些先驱性的工作，前者研究了热功当量和能量守恒，后者研究了气体分子运动论，但两人的工作都在很大程度上被同时代人所忽略。到了十九世纪四十年代后期，这对“难兄难弟”又几乎同时对太阳为什么会发光产生了兴趣。与赫歇耳时代不同，当这两人开始研究这一问题时，能量守恒的观念已初步形成(如前所述，迈耶本人就是研究这一观念的先驱之一)，因此他们不能象赫歇耳那样随意假设一种近乎静态的发光机制，而必须寻求能让太阳持续发光的能量来源。
　　
　　作为起点，他们两人都分析了一种土得掉渣的假说，即把太阳当成一个燃烧的大煤球。这种“煤球说”的提出是不需要想象力的，凡用过煤炉的人都有可能想到，但推翻它却需要一些专业知识。经过计算，迈耶发现太阳虽然大得惊人，但与它那更惊人的光度相比却还不够大，假如太阳果真是个大煤球的话，即便维持燃烧所需的氧气不是问题，它也只能燃烧几千年。沃特斯顿的研究则表明，不仅大煤球烧不了多久，其它化学反应也强不到哪里去，至多能撑20000年(感兴趣的读者可以利用化学过程所涉及的能量与原子外层电子的能量同一量级这一特点核实一下他们的结果)。如果时光能倒转两百年，他们这些结果将不仅不是问题，反而是天大的优点，因为那跟神学家们“推算”出的世界历史的长度大致相当。但在十九世纪中叶，学术界已基本断定地球的年龄远不止那个量级。而依照当时流行的康德-拉普拉斯星云假说(Kant-Laplacenebularhypothesis)，太阳和地球是由同一片星云收缩而成的，彼此年龄相近。既然太阳和地球的年龄相近，而地球的年龄远不止几千年，那么只能燃烧几千年的“大煤球”显然不可能是太阳持续发光的能量来源。因此“煤球说”也被排除掉了。 1 2 3 下一页