天文學的“朋友圈”

喬小海

通常來說，天文學研究宇宙本身以及宇宙中的各種天體，其研究內容是隨著我們對宇宙的認識而不斷深化的。在這一過程中，天文學和其他學科產生了各種各樣的交叉，形成了一個不斷發展、有趣的“朋友圈”。

“幼年”的天文學

遠古時代沒有電燈和手機，沒有高樓和汽車，也沒有千萬人口的超級城市。那時候的人們日出而作、日落而息，每天都生活在大自然中，他們看到頭頂壯麗的日月星辰，不禁會感到敬畏和好奇。敬畏使得太陽、月亮等天體被當成神靈一樣的存在；好奇則驅使人們記錄和研究這些天體的運行規律。于是，天文學誕生了。

史前時期的天文學和神話、宗教等有著千絲萬縷的聯系，最早的天文學家很可能是當時的神職人員。英國著名的史前遺跡巨石陣是大約5000年前人們舉行宗教儀式的場所。關于巨石陣的具體用途，因為年代久遠而眾說紛紜。然而有一點是確定的，巨石陣中那些幾十噸重的巨大石柱并不是隨意排列的，而是具有天文觀測的功能，比如可以標記春分、夏至、秋分、冬至時太陽的位置。可見在當時，天文學和神話、宗教是一個“圈子”里面的朋友。

語言和文字的出現加速了人類的知識積累進程。在長期積累的天文觀測記錄中，人們逐漸發現了日月運行的規律，這種規律可以用于預測未來的天象。對天象的預測不僅強化了天文在神話和宗教中的地位，也使得天文從高高的天上來到人間，天文學的“朋友圈”因此多了一個小伙伴，叫作“占星術”。占星術的英文單詞（astrology）來自希臘語，帶有“astro-”的前綴，而天文學的英文單詞（astronomy）也帶有同樣的前綴，這在一定程度上說明當時兩者之間的密切關系。在天文學的“朋友圈”里，有很多帶“astro-”這個前綴的名詞。

占星術的占卜語言也許可以含混模糊，但是河水泛濫和耕種的時間卻需要追求精準。于是，數學也加入了天文學的“朋友圈”，從此，數學和天文學一直是形影不離的好伙伴。兩河流域的蘇美爾人發明了六十進制的計數法，在天文學領域中與十進制共同使用。我們現在可以簡潔地用赤經和赤緯的度數來說明天體的位置，就得感謝蘇美爾人的這套計數方法。古代希臘人將幾何學引入天文學，他們發現大地是球形的，并計算了地球的大小。我國自古就是一個農業大國，在農業生產時要有一套較為精確可靠的歷法體系。同時，中國傳統中對天象重視，也賦予了歷法和天文觀測科學以外的重要含義，使得制定歷法并預測日月食等天象成了中國古代天文學的重要任務。

受古代社會發展和觀測條件的限制，那時候的天文學有很多在今天看來是完全錯誤但仍然很有意思的概念。比如，古代印度人認為大地是由大象和巨龜馱著的，這兩種動物在印度都有分布，大象的力大無窮和龜的穩健長壽，恐怕給古代印度人留下了深刻的印象。古代希臘人曾以為大地是漂在海上的圓盤，希臘在地中海邊上，航海業至今仍很發達，因此古代希臘人對海有感情就不奇怪了。古代中國人顯然對大象或者大海沒有什么感覺，而是相信天圓地方，還把這種觀念運用到了銅錢鑄造上。

由此可見，不同文明的天文學發展方向會受到該文明所處地理環境、文化和哲學等因素的影響。雖然不同的文明對地球有不同的理解，但是有一種觀念在不少文明中都出現過，那就是“地心說”，或者說以自我為中心的觀念。古時候的人們以為，地球甚至以為他們生活的那片地區就是整個宇宙的中心，滿天的星斗被看作天空中的裝飾品，或者是可以預測吉兇的工具。古代希臘人利用他們的幾何專長，發明了一整套本輪、均輪體系，來解釋日月星辰相對于地球的運動，這套體系在西方的影響延續了上千年。

拉起科學的小手

到了近代，人們的活動范圍越來越大，對宇宙的認知也越來越深。人們逐漸意識到地球不是宇宙的中心，宇宙的其他部分也遵循著和地球一樣的物理規律。于是，物理學加入了天文學的“朋友圈”，從此天體物理學成了天文學的主力軍，并一直延續到現在。

1666年，著名物理學家艾薩克·牛頓使用三棱鏡將太陽光分解為七彩光帶。1802年，牛頓的同胞威廉·沃拉斯頓通過使用狹縫，發現太陽的這種七彩光帶中有一些暗線存在，后來德國物理學家約瑟夫·馮·夫瑯禾費對幾百條暗線進行了認證和編號。現在我們知道，棱鏡折射出來的七彩光帶其實就是太陽的連續譜，光帶上的暗線是太陽連續譜中的吸收線，又叫作“夫瑯禾費線”。

此時的物理學也沒有閑著。物理學家在實驗室里燃燒氣態、固態等狀態的物質，并記錄它們的光譜，結果發現不同種類的物質會有不同波長的譜線，而譜線是吸收線還是發射線，與物質的狀態有關。于是，通過和實驗室中已知物質的光譜進行對比，兩位德國物理學家古斯塔夫·基爾霍夫和羅伯特·本生發現了夫瑯禾費線的奧秘，原來這些暗線是太陽上元素的“指紋”，通過這些線索我們可以不用飛到太陽上，就能知道這顆恒星含有哪些元素。

另外，元素周期表上排第二的氦元素就是首先在太陽上發現的。1868年，法國天文學家朱爾斯·簡森和英國的諾曼·洛克耶爾通過觀測太陽日珥，各自獨立地發現了陌生的黃色譜線，該譜線與當時已知的地球上的元素都對不上號。后來才知道這就是氦，它的名稱Helium在希臘語中是“太陽”的意思。

到了現代，通過光譜研究遙遠天體的化學組成已經成為天體物理學研究中的家常便飯。天文學和物理學分享了關于宇宙中元素豐度和核合成的有趣知識。宇宙大爆炸之后，宇宙中基本只有氫和氦；第一批恒星誕生之后，通過恒星核心的聚變反應將氫合成為氦、碳、氮、氧、鎂、鈣、鐵等重元素；在恒星演化末期的各種爆發中，這些元素被拋灑到宇宙中，中子星合并等高能天體物理過程則造就了金、鉑等元素。這些元素不僅讓元素周期表變得更長，還形成了地球和地球上的智慧生命。我們能夠在這里讀雜志，還得感謝在億萬年前合成重元素的那些恒星。

不久前，天文學還給物理學送了一份小禮物，說起來這其中還有地球科學的參與。早在20世紀初，人們就發現可以通過對地震波的測量來確定地球內部的構造。半個世紀之后，這種利用波動探測內部的技術被用到了太陽上，這就是日震學。我們看到的圓圓的太陽只是它的光球部分，光球以下的太陽內部是不透明的，也就是說，我們沒法直接探測那里的光，就像我們看不到地球內部一樣。好在太陽上也有波，于是日震學利用在太陽光球上測到的波，來計算太陽內部的物理狀態。這種方法相當成功，以至后來發現太陽中微子數目比預期的少很多時，日震學方法可以讓天文學可以很有底氣地對物理學說：“問題不在我這里，你自己再找找看吧。”最后，物理學發現問題還真出在自己這里。原來當時對中微子物理性質的認識有誤，在發現了中微子振蕩之后，問題得到了解決。發現者梶田隆章和阿瑟·麥克唐納也因為“在粒子物理領域開辟了新的疆土”，獲得2015年的諾貝爾物理學獎。

激增的“新朋友”

在21世紀的今天，仍然有人會在夏至和冬至到巨石陣舉行文化活動，也仍然有人相信星相命理，喜歡談論“水逆”，但是天文學已經不再是當年那個跟占星術玩過家家的小孩子了。

現代天文學不再僅僅滿足于坐在自家后院看星星，而是發射飛船去進行天體探測。有的飛船傳回了近距離的天體特寫照片，有的甚至實現了登陸，采樣并進行現場分析或者送回地球。現代天文學還建造了開普勒空間望遠鏡和凌星系外行星巡天衛星這樣的專門儀器，去探測太陽系外面的行星，尋找地球的遠房親戚。這樣一來，不僅行星科學這一分支正在蓬勃發展，其他學科也紛紛發來“添加好友申請”。有了實地采集的樣本，還有觀測到的圖像，天文學和化學可以聯手仔細分析，看看在宇宙中原子是如何變成分子的，這就是天體化學要做的事。對于一些天體表面的奇特地形，地質學可能很想搭天文學的便車去考察一下，這個方向被叫作“天體地質學”。隨著在太空深處發現了各種有機分子，生物學迫不及待地想要找天文學討論茫茫宇宙中外星生命的問題，于是就有了天體生物學。

在我們自己的星球上，地球科學的研究已經向上發展至外層大氣，天文學研究則從太陽等天體擴展至星際空間，于是天文學和地球科學在太空勝利會師了。新興學科空間天氣研究的是從太陽大氣到地球大氣的廣袤空間，比如，太陽大氣中的耀斑事件，可能會導致地球電離層中電子密度的變化；太陽大氣中磁化等離子體的拋射，可能導致地球磁場的變化。可見，天文學的研究內容也是隨著人類的不斷探索而深入的，當人類開著飛船進入星際空間，平時出門要關注的天氣預報自然就變成了空間天氣預報了。和土地、海域一樣，空間作為一種資源，也引起了法學的關注，于是有了“空間法”的概念。

現代天文觀測數據的劇增使得數學有了新的用武之地，統計學被派來和天文學討論，內容是如何對海量數據進行分析，結果產生了天文統計學。至于計算機科學，很早就成了天文學的好幫手。不論是綜合孔徑、主動光學、自適應光學等觀測技術，還是宇宙學數值模擬、日震學計算、行星際激波傳播等計算分析，都離不開計算機的支持。這樣一來，各大天文臺招收計算機專業的學生也就不足為奇了。

現代天文學的“朋友圈”是如此熱鬧，就連歷史學和考古學也發來“邀請函”，請天文學利用天體力學計算和考證古代觀測記錄、歷史事件的精確年代和真實性，這個新學科叫作“考古天文學”。如果相關的事項涉及法律事務，那么就該由法醫天文學出場了。據說林肯當年就用月相知識，說明證人不可能利用月光分辨出人的面孔，從而打贏了官司。現在，天文學家利用月球的運動規律確定了著名畫家文森特·凡·高一幅畫作的具體日期，這幅名為《初升月亮下的麥垛》的畫，描繪的是1889年7月13日晚上9點08分的法國鄉村美景。

在將來，如果真的發現了外星生物或外星智慧生命，那么哲學、倫理學、軍事學、政治學、經濟學等學科可能會擠破頭地想要跟天文學搭訕，那時天文學的“朋友圈”怕是要被擠爆了。