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古希腊的科学家认为,人之所以能够看见周围的物体,是因为人的眼睛可以发出触须般的光,照射到哪里,就能看到哪里。当然,这是古人一种不科学的猜想,但却也和现代的主动雷达搜索、超声成像颇为相似。现在我们知道,光是宇宙慷慨的施予,不需要人类的眼睛费力地发射,眼睛只负责接收来自光源的光子。
地球上最大的光源是太阳,亘古以来,它不知疲倦地将光和热洒向茫茫宇宙。地球只接受了它十六亿分之一的能量,便有了四季更替,万物荣枯,便有了风雨雷电,江海翻腾。
无穷的能量,来自太阳内部中心的核聚变反应,两个较轻的原子被太阳庞大质量紧紧压在一起,在高温共同作用下,合并成了一个更重的原子,但这个原子的质量要小于之前两个原子质量之和,丢失的质量,根据著名的爱因斯坦质能方程,变成能量,以光子的形式释放了出去。
但这些可怜的光子,在核爆频仍的太阳内部,要和其他的粒子不断地碰撞,历尽百转千回,才能挤到太阳的表面,此时距诞生它的热核反应,已经过去了五千年。
太阳喷吐着上千公里高的火焰,把光子抛向宇宙深处。它们中的一部分,经过约八分钟的飞行抵达地球,它们穿过稠密的大气,洒向山川河流,洒向街道建筑,并最终进入我们的视网膜,触发了视觉细胞的电反应,形成了大脑中的影像,让我们感受到光明和温暖。今天我们看到的每一缕阳光,都诞生自五千年前的尧舜时代。
我们所认知的“光”
当太阳完全落入地平线后,陽光在大气中的散射消失,星光便清晰可见,此时仰望苍穹,星光璀璨。这其中除了几颗太阳系的行星是在反射太阳光之外,其余都是发光的恒星。它们发光的机理和太阳相同,只是距离非常遥远,最远的甚至达到几十亿光年,这就意味着,你看到的星光,远超人类的历史,甚至可能比太阳还要古老,也有可能,在你看到星光的那刻,发出它们的恒星早已死亡,星光是它留在宇宙中最后的回响。
古老的星光,虽然不能带给地球光和热,但是对于航海、考古以及科技进步都起到了重要的作用。比如古代人们在大海上航行,不敢离开海岸线太远,四周水天一色就意味着迷航甚至死亡。后来,人们发现北极星的位置是不变的(北极星在北极正上方,不随着地球自转在星空中改变位置),那么根据北极星的高度,就可以推断自己所在的纬度:如北极星在头顶,那么观察者身处高纬度的北极附近,如果在地平线上方不远,那么观察者身处低纬度的赤道附近。只要航行时纬度不变,航线就一定是和赤道同轴的球面圆周线。
因为地球一直在自传,所以纬度易得,经度难求。终于,高超的钟表匠约翰·哈里森制造了准确度很高的怀表,人们根据出发地和到达地的时间,辅以星光位置的计算,便可以知道所处的经度。经纬度一旦可以得到,远洋航行便不再危险,大航海时代真正来临。
规律的斗转星移,忠实地见证着历史变迁,为考古学家们确定纪年提供了莫大的帮助。中国人相信天人合一,奇异的天象往往预示着重大的机会,因此在记录重大事件的同时,也会记录下特殊的星像,这就为确定事件发生的准确日期,甚至观测者的地理位置提供了可能。
星光还为爱因斯坦证明了广义相对论。17世纪,牛顿提出了万有引力,20世纪,爱因斯坦并未满足于对引力的知其然,而是在孜孜以求地探索其所以然。他认为,引力的实质是物体质量对时空的扭曲效应,若把时空比作平坦的海绵床垫,把太阳比作一个铁球,那么太阳周围的时空就如同被铁球压出凹陷的床垫,经过的物体受到凹陷的影响,有向凹陷中心运动的趋势,形成了引力的外在表现,这就是大名鼎鼎的广义相对论的直观论述。
理论提出后,人们将信将疑,如何才能证明呢?他想到了星光和太阳,星光被太阳扭曲是对广义相对论的有力证明!为了更直观地解释,我们可以用一个虚拟的侦探故事来说明:
“砰!”枪声响起,一发子弹穿过客厅的玻璃,在上面留下了一个枪眼,在客厅的墙上也留下了一个弹孔。很快,警察赶到现场,将墙和玻璃上弹孔的连线向外延长,指向了对面大楼斜后方的树林,警察盯着那里眉头紧锁。虽然弹道的连线指向了那个位置,但是在那里却抓不着犯人。这时,神探“福尔摩斯﹒爱因斯坦”来了,他拿出纸和笔,把弹道数据代入相对论公式开始演算,然后摸着小胡子告诉警察,枪手躲在对面大楼的正后方。
正后方?警察表示不信,“子弹可以拐弯?”
“对面楼房质量很大,枪手的本意不是打老张家,但大楼扭曲了时空,子弹经过时,改变了弹道,现场客厅的玻璃就遭了殃”。神探解释着原理。按照神探的推理,警察果然根据公式找到了枪手,故事结束。


当然,故事是虚拟的,但科学道理是真实的。回到实验里来,对面的大楼就是太阳,枪手是太阳背后的一颗恒星,恒星在太阳背后发出的光原本不会射向地球,但经过被太阳扭曲的时空时,不再沿直线传播,最终绕到了地球上。现在只要证明在地球上能看到那颗太阳背后的恒星,就能证明广义相对论的正确性。问题是阳光强烈,微弱的星光淹没其中,根本无法分辨,只能等发生日食的时候,才有条件观察。1919年,地球发生了日食,两个观测小组分别奔赴巴西和非洲,不但拍摄到了太阳背后的那颗恒星,而且折射角度数据与广义相对论一致,与牛顿万有引力的计算结果不符,爱因斯坦登上了科学的神坛。