它們來自恒星

王旭東

科學(xué)一直是如此的神秘和有趣，其包含了對真相的探求與認(rèn)知的邏輯。

古希臘的科學(xué)家認(rèn)為，人之所以能夠看見周圍的物體，是因?yàn)槿说难劬梢园l(fā)出觸須般的光，照射到哪里，就能看到哪里。當(dāng)然，這是古人一種不科學(xué)的猜想，但卻也和現(xiàn)代的主動雷達(dá)搜索、超聲成像頗為相似。現(xiàn)在我們知道，光是宇宙慷慨的施予，不需要人類的眼睛費(fèi)力地發(fā)射，眼睛只負(fù)責(zé)接收來自光源的光子。

地球上最大的光源是太陽，亙古以來，它不知疲倦地將光和熱灑向茫茫宇宙。地球只接受了它十六億分之一的能量，便有了四季更替，萬物榮枯，便有了風(fēng)雨雷電，江海翻騰。

無窮的能量，來自太陽內(nèi)部中心的核聚變反應(yīng)，兩個(gè)較輕的原子被太陽龐大質(zhì)量緊緊壓在一起，在高溫共同作用下，合并成了一個(gè)更重的原子，但這個(gè)原子的質(zhì)量要小于之前兩個(gè)原子質(zhì)量之和，丟失的質(zhì)量，根據(jù)著名的愛因斯坦質(zhì)能方程，變成能量，以光子的形式釋放了出去。

但這些可憐的光子，在核爆頻仍的太陽內(nèi)部，要和其他的粒子不斷地碰撞，歷盡百轉(zhuǎn)千回，才能擠到太陽的表面，此時(shí)距誕生它的熱核反應(yīng)，已經(jīng)過去了五千年。

太陽噴吐著上千公里高的火焰，把光子拋向宇宙深處。它們中的一部分，經(jīng)過約八分鐘的飛行抵達(dá)地球，它們穿過稠密的大氣，灑向山川河流，灑向街道建筑，并最終進(jìn)入我們的視網(wǎng)膜，觸發(fā)了視覺細(xì)胞的電反應(yīng)，形成了大腦中的影像，讓我們感受到光明和溫暖。今天我們看到的每一縷陽光，都誕生自五千年前的堯舜時(shí)代。

我們所認(rèn)知的“光”

當(dāng)太陽完全落入地平線后，陽光在大氣中的散射消失，星光便清晰可見，此時(shí)仰望蒼穹，星光璀璨。這其中除了幾顆太陽系的行星是在反射太陽光之外，其余都是發(fā)光的恒星。它們發(fā)光的機(jī)理和太陽相同，只是距離非常遙遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)的甚至達(dá)到幾十億光年，這就意味著，你看到的星光，遠(yuǎn)超人類的歷史，甚至可能比太陽還要古老，也有可能，在你看到星光的那刻，發(fā)出它們的恒星早已死亡，星光是它留在宇宙中最后的回響。

古老的星光，雖然不能帶給地球光和熱，但是對于航海、考古以及科技進(jìn)步都起到了重要的作用。比如古代人們在大海上航行，不敢離開海岸線太遠(yuǎn)，四周水天一色就意味著迷航甚至死亡。后來，人們發(fā)現(xiàn)北極星的位置是不變的（北極星在北極正上方，不隨著地球自轉(zhuǎn)在星空中改變位置），那么根據(jù)北極星的高度，就可以推斷自己所在的緯度：如北極星在頭頂，那么觀察者身處高緯度的北極附近，如果在地平線上方不遠(yuǎn)，那么觀察者身處低緯度的赤道附近。只要航行時(shí)緯度不變，航線就一定是和赤道同軸的球面圓周線。

因?yàn)榈厍蛞恢痹谧詡鳎跃暥纫椎茫?jīng)度難求。終于，高超的鐘表匠約翰·哈里森制造了準(zhǔn)確度很高的懷表，人們根據(jù)出發(fā)地和到達(dá)地的時(shí)間，輔以星光位置的計(jì)算，便可以知道所處的經(jīng)度。經(jīng)緯度一旦可以得到，遠(yuǎn)洋航行便不再危險(xiǎn)，大航海時(shí)代真正來臨。

規(guī)律的斗轉(zhuǎn)星移，忠實(shí)地見證著歷史變遷，為考古學(xué)家們確定紀(jì)年提供了莫大的幫助。中國人相信天人合一，奇異的天象往往預(yù)示著重大的機(jī)會，因此在記錄重大事件的同時(shí)，也會記錄下特殊的星像，這就為確定事件發(fā)生的準(zhǔn)確日期，甚至觀測者的地理位置提供了可能。

星光還為愛因斯坦證明了廣義相對論。17世紀(jì)，牛頓提出了萬有引力，20世紀(jì)，愛因斯坦并未滿足于對引力的知其然，而是在孜孜以求地探索其所以然。他認(rèn)為，引力的實(shí)質(zhì)是物體質(zhì)量對時(shí)空的扭曲效應(yīng)，若把時(shí)空比作平坦的海綿床墊，把太陽比作一個(gè)鐵球，那么太陽周圍的時(shí)空就如同被鐵球壓出凹陷的床墊，經(jīng)過的物體受到凹陷的影響，有向凹陷中心運(yùn)動的趨勢，形成了引力的外在表現(xiàn)，這就是大名鼎鼎的廣義相對論的直觀論述。

理論提出后，人們將信將疑，如何才能證明呢？他想到了星光和太陽，星光被太陽扭曲是對廣義相對論的有力證明！為了更直觀地解釋，我們可以用一個(gè)虛擬的偵探故事來說明：

“砰！”槍聲響起，一發(fā)子彈穿過客廳的玻璃，在上面留下了一個(gè)槍眼，在客廳的墻上也留下了一個(gè)彈孔。很快，警察趕到現(xiàn)場，將墻和玻璃上彈孔的連線向外延長，指向了對面大樓斜后方的樹林，警察盯著那里眉頭緊鎖。雖然彈道的連線指向了那個(gè)位置，但是在那里卻抓不著犯人。這時(shí)，神探“福爾摩斯﹒愛因斯坦”來了，他拿出紙和筆，把彈道數(shù)據(jù)代入相對論公式開始演算，然后摸著小胡子告訴警察，槍手躲在對面大樓的正后方。

正后方？警察表示不信，“子彈可以拐彎？”

“對面樓房質(zhì)量很大，槍手的本意不是打老張家，但大樓扭曲了時(shí)空，子彈經(jīng)過時(shí)，改變了彈道，現(xiàn)場客廳的玻璃就遭了殃”。神探解釋著原理。按照神探的推理，警察果然根據(jù)公式找到了槍手，故事結(jié)束。

故事“會拐彎的子彈”示意圖與1919年日食觀測原理圖。

當(dāng)然，故事是虛擬的，但科學(xué)道理是真實(shí)的。回到實(shí)驗(yàn)里來，對面的大樓就是太陽，槍手是太陽背后的一顆恒星，恒星在太陽背后發(fā)出的光原本不會射向地球，但經(jīng)過被太陽扭曲的時(shí)空時(shí)，不再沿直線傳播，最終繞到了地球上。現(xiàn)在只要證明在地球上能看到那顆太陽背后的恒星，就能證明廣義相對論的正確性。問題是陽光強(qiáng)烈，微弱的星光淹沒其中，根本無法分辨，只能等發(fā)生日食的時(shí)候，才有條件觀察。1919年，地球發(fā)生了日食，兩個(gè)觀測小組分別奔赴巴西和非洲，不但拍攝到了太陽背后的那顆恒星，而且折射角度數(shù)據(jù)與廣義相對論一致，與牛頓萬有引力的計(jì)算結(jié)果不符，愛因斯坦登上了科學(xué)的神壇。

“光子家族”的故事

然而廣義的光，包含更寬的譜線，從紅外線一直到γ射線。可見光只占其中的一小部分，剩下的統(tǒng)稱為不可見光。是光，卻不可見，這個(gè)看似矛盾的物理詞匯包含了哲學(xué)的思辨。我們見到的未必存在，比如海市蜃樓。我們不可見的未必不存在，比如美麗的花朵，若用紫外線照射，可以顯示出更漂亮的花紋，而蜜蜂的眼睛可以看見紫外線，所以它們能夠辨別不同的花朵。

紅外線的波長最長、頻率最低，所攜帶的能量也最低，γ射線反之，能量最高。舉一個(gè)簡單的例子來說明波長和能量的關(guān)系：將長繩一端固定，手持另一端上下晃動，繩子會波浪形地運(yùn)動。如果你懶洋洋地慢慢晃，波峰和波谷之間的距離就長，也就是波長較長，頻率較低;如果你快速地上下晃動，波峰和波谷之間的距離就短，也就是波長較短，頻率較高。這兩種方式，你付出的能量顯然是后者要大得多，因?yàn)槟愫芸炀蜁鄣绞周洝Ｄ敲茨芰咳チ四睦铮孔兂闪死K子的波動。所以波長越短、頻率越高的波，攜帶能量越大。這一點(diǎn)，我們從火焰的顏色也能看出來，在沒有金屬離子干擾的情況下，火焰溫度越高（能量大），顏色越趨向藍(lán)紫色（頻率高，波長短）。

光子家族的破壞王是頻率最高的γ光子。它能量大，穿透力強(qiáng)。當(dāng)光子家族照射物體時(shí)，有的引起振動發(fā)熱（如紅外線），有的是讓電子從低層軌道飛到高層軌道繼續(xù)運(yùn)行，唯獨(dú)γ和x光子，可以將分子或原子中的電子撞擊出去，所以又稱之為電離輻射。自然界存在著少量來自宇宙和天然放射性元素的γ光子，稱為本底輻射，因?yàn)閯又参锒加幸欢ǖ淖晕倚迯?fù)能力，所以是無害的。但如果γ光子劑量超標(biāo)，修復(fù)的速度趕不上破壞的速度，動植物就會生病甚至死亡。

1999年日本一座鈾轉(zhuǎn)換廠的工人為了早點(diǎn)下班回家，違反操作程序，導(dǎo)致現(xiàn)場產(chǎn)生了高劑量的γ射線和中子輻射。距離輻射最近的員工，身體細(xì)胞的DNA全部被高能粒子損壞，政府部門知道他必死無疑，仍然投入了最新醫(yī)療技術(shù)全力搶救，可能也是想在他身上進(jìn)行重度放射損傷的治療試驗(yàn)，但他仍然在83天后無比悲慘地死去。人體從受精卵開始，一直處于不斷的新陳代謝過程中，舊細(xì)胞不斷死亡脫落，新細(xì)胞不斷制造更新，DNA是細(xì)胞復(fù)制的“圖紙”，現(xiàn)在“圖紙”全部損壞，便不可能產(chǎn)生正常的新細(xì)胞補(bǔ)充，其慘狀可想而知。另外一名距離稍遠(yuǎn)的員工在220天的治療中同樣受盡輻射的折磨，搶救無效去世。根據(jù)對他們尸體細(xì)胞的顯微鏡檢測發(fā)現(xiàn)，只有一種細(xì)胞未受到放射性的影響，那就是心肌細(xì)胞。這也給人們留下了科學(xué)突破的一個(gè)方向。

γ光子的殺傷力驚人，它也是核武器的殺人利器之一，核彈爆炸時(shí)產(chǎn)生大量γ光子和中子，γ光子比中子作用距離更遠(yuǎn)，殺傷半徑大。怎么阻擋γ光子呢？防護(hù)物厚度一定的情況下，越致密的物質(zhì)越好，所以考慮到性價(jià)比，一般采用原子量很大的鉛元素進(jìn)行阻隔。理論上金元素也是可以的，只是沒人用得起。

x射線由德國的倫琴教授（1845～1923年）發(fā)現(xiàn)，所以也稱之為倫琴射線，其能量較γ射線稍低一些，同樣由高能光子組成，但仍然可以造成電離輻射，不可長期或大劑量接受照射。

電磁波譜簡示圖，在整個(gè)波譜中，“可見光”僅僅是其中非常小的一段。

γ射線和x射線是光子家族的兩名兇猛的成員，但是它們也在為人類做著貢獻(xiàn)。比如，在醫(yī)學(xué)上，γ射線用于放射治療，精準(zhǔn)地殺死體內(nèi)的腫瘤細(xì)胞;x射線用于醫(yī)學(xué)成像，可以幫助醫(yī)生看清人體內(nèi)部的病灶細(xì)節(jié)。如果γ射線是放療科的主力，那么x射線就是放射科的骨干。在工業(yè)上同樣也有無損探傷的需求，那么這兩位成員都可以根據(jù)實(shí)際需求而派上用場。

比x射線能量再小一些的，是紫外線。但它同樣也具有一定的危險(xiǎn)性。曾經(jīng)有報(bào)道說，小朋友誤入紫外燈殺菌的房間并停留了一段時(shí)間，造成眼底細(xì)胞不可逆的損傷。陽光中紫外線會引起黑色素沉著，更是愛美姑娘們的大敵，但適度接受紫外線照射可以促進(jìn)人體生成維生素D，維持骨骼的健康。

比紫外線能量再小的，就是我們前面介紹的可見光，可見光對身體都是無害的，不過根據(jù)前文的介紹，相信大家也能推測出，藍(lán)紫色的光能量要強(qiáng)一些，所以長期看電視、電腦或者手機(jī)，要注意藍(lán)光防護(hù)，長時(shí)間的藍(lán)光會對眼底的黃斑造成危害。

光家族里，能量最小的是紅外線，但是它卻具有一項(xiàng)特殊的本領(lǐng)，那就是熱效應(yīng)。γ和x光子如果是破壞王，那么紅外光子就是溫和的按摩師。宏觀上靜止的物質(zhì)，內(nèi)部的分子無時(shí)無刻不在振動和旋轉(zhuǎn)，只有當(dāng)溫度下降到絕對零度（-273.15攝氏度）的時(shí)候才會完全停止。紅外線可以使分子的振動加劇，從而互相摩擦產(chǎn)生熱量。紅外線波長越長，便越可以深入物體內(nèi)部，這和小石子擋不住大水波漣漪的擴(kuò)散是一個(gè)道理。所以遠(yuǎn)紅外的深度熱效應(yīng)更加明顯。假如波長再長一些，就跑出了本文探討的光的范疇，進(jìn)入了微波波段，你肯定想到了微波爐，它的加熱效應(yīng)是由內(nèi)而外的。

來自恒星的光芒，日復(fù)一日地照耀大地，潛移默化地影響著地球，讓生命漸漸萌芽。盡管有時(shí)，太陽光狂飆突進(jìn)，高能宇宙射線不期而至，但地球逐漸生成了一系列保護(hù)機(jī)制，如大氣層、磁場和臭氧層，保護(hù)著萬物繁衍生息。終于，180萬年前，山西芮城縣西侯度的山洞里，露出了人類控制的第一束光亮，揭開了人類之光的序幕。

（責(zé)編：南名俊岳）