天上的星星之河，旅行到时空边缘

2023-09-17 理论教育版权反馈

【摘要】：第10章天上的星星之河夜空里那条浅白的光带，明显透露出银河系结构的重大秘密银河故事银河自古以来就带给各民族无数的想象。他不承认银河是天上之物，因为他坚信天是完美无缺的，而银河的边缘参差不齐，显得不美。两个数星星的人康德从思维上推断银河系的大致形状，有人却想通过数星星得到银河系的真正结构。第一个是英国的赫歇尔，他利用自己的望远镜数星星。

第10章　天上的星星之河

夜空里那条浅白的光带，明显透露出银河系结构的重大秘密

银河故事

银河自古以来就带给各民族无数的想象。希腊神话把银河称为“乳汁之路（the Milk Way）”，传说宙斯的一个儿子赫拉克勒斯幼年时抓伤了天后赫拉的乳房，赫拉的乳汁洒向天空，形成了银河。

在芬兰神话中，银河被称为鸟的小径，他们认为银河是鸟真正的居所，银河也会指引着候鸟向南方迁徙。这个神话竟然被现代科学证实了，银河确实对候鸟迁徙有指引作用，而且鸟儿们也确实住在银河系里，因为地球就是银河系的一部分。

古代埃及和中国人都认为银河是天上的河流，这条河流还和地上的河流相通，如果从地上的河乘船，就可以到达天河。

隋唐时期有一个流传很广的故事，说的就是这回事。说当年汉武帝派张骞去大夏寻找黄河源头，张骞做了一个筏子，沿黄河逆流而上，走了几个月，不但没找到源头，反而发现黄河越来越宽，越来越清澈，后来竟然水天相接，天水一片，到处是星光，如同仙境。前面忽然出现一处城郭，亭台楼榭，错落有致，河水从城中流过。

张骞好奇地划进去，见岸边有一男子牵一头牛，牛头探入河中饮水；对岸，一位妇女在洗衣服。张骞把筏子划近那妇女，问道：“大嫂，请问这是什么地方？”那妇女回答说：“这是天河呀！你是从人间来的吗？”张骞暗自吃惊，他见那妇女身后有一块石头，形状和颜色都是人间没有的，就问：“这是什么石头？”那妇女说：“这叫支机石，你喜欢，就送给你。”张骞接过石头一看，原来是织布机上压布匹的石条，知道自己遇到了织女。张骞在城中游历了一圈之后，就沿黄河顺流而下，返回中国。《汉书》中记载，今成都严真观有一石，俗呼为“支机石”，传说就是张骞带回来的。

银河是一条完整的环带

曾经带给古代人无数浪漫想象的银河对现代人来说是相当陌生的，多数人对银河的印象往往只停留在书本上，即使偶尔看到，也是茫然无所知。要想欣赏银河，就要到远离城市的乡村旷野。

银河那抹神秘的光环其实十分醒目，人们看到它横跨天际，但那只是地上的一半，还有一半在地面以下。银河是星空里一个完整的环，包围着地球，地球看上去位于这个环的中央，了解这一点很重要，它是理解银河系结构的关键。如果你用整夜的时间来观察，会发现随着地球的自转，地上的银河会向西落下，地下的那部分银河会升起来。

关于银河的哲学猜想

银河这条浅浅的光带究竟是什么？亚里士多德认为，银河是纯粹的大气现象，是地球发出的水蒸气聚集在天空形成的，可能有某种机制导致水蒸气总是往银河那一带聚集而不消散。他不承认银河是天上之物，因为他坚信天是完美无缺的，而银河的边缘参差不齐，显得不美。

另有一些哲学家的看法和亚里士多德正好相反，他们认为银河很可能是天空两个半球的结合带。恒星天球是包围大地的完整的球，银河光带将它平分为两部分。可能造物主在造恒星天球时，是用两个半球拼接成的，拼接部位不太整齐，留下了粗糙的痕迹，那就是银河，这看法估计会让亚里士多德很生气。

亚里士多德之前的德谟克利特看法要高明许多。德谟克利特最著名的观点是原子学说，他对宏观宇宙的见解也很深刻：他推测出太阳远比地球庞大得多；月亮本身不发光，靠反射太阳光才显得明亮；对于银河，德谟克利特认为，它是由无数恒星构成，由于这些恒星太远太暗弱，人们无法把它们一一区分开来，于是就形成了一条光带。

望远镜中的银河

争论被伽利略的望远镜终结，伽利略在《星际使者》中写道：

借助望远镜，我的观察十分细致而直观，结果使我相信，长期以来困扰哲学家们的所有争论已经得到解决，我们终于能够从烦人的舌战中解脱出来了。事实上，银河不是别的，而是汇聚成群的无数恒星的大集合。无论把望远镜指向它的什么部位，大量恒星立即进入视野。它们中的许多相当大而明亮，小的恒星则多得根本数不清。

银河是星空中包围着我们的一条环带，它由无数的恒星组成，这能启示出宇宙的什么秘密呢？18世纪的德国哲学家康德最早提出了对银河系结构的卓越见解。

康德的洞察

康德是一个极为独特的人，有人这样概括他：“没有生活，也没有事件，在柯尼斯堡闲静偏僻的小路上，度过了机械的、定规的、差不多是抽象的独身生活。这个人外在的生活，和他那粉碎世界的思想，是奇妙的对照。”

康德毕生没有远离故土，也没有结婚生子，只是日复一日地沿袭着自己的时间表，除了教学，在每天下午固定的时间，康德会踏上一条幽静而狭长的小路散步，同时把思绪放飞进浩瀚的宇宙。

行走在小路上的康德永远是灰色的装束，手里永远拿着一根灰色的手杖，后面永远跟着一位老仆人，永远为他准备着一把雨伞。康德散步的时间如此准时，以至于有人看到康德都不由自主地校对自己的表。康德散步的这条路现在被称为“哲学家之路”。

1755年，康德出版了他的第一部重要著作《自然通史和天体理论》，这本书的原名极长：《自然通史和天体理论，或者根据牛顿定律试论整个宇宙的结构及其力学起源》，从这书名可以看出康德的勃勃雄心。

康德的见解确实深刻，他认识到银河系是扁平的盘状结构，最早提出河外星系的存在，最早提出太阳系由星云演化而来。这些卓越见解来自他天才的悟性和不懈的思考，同时也印证了那句“道德与星空”的名言的确是他内心世界的写照：

“世界上有两件东西能够深深震撼人们的心灵，一件是心中崇高的道德准则，另一件是头顶上灿烂的星空。”

康德是怎样推断出银河系是一个扁平的盘状体呢？因为银河是一条由恒星组成的光带，表明恒星在银河方向密集，因而它不可能是球形的，只能是扁平的。我们身处在扁平的银盘中，沿银盘方向望去，视线遇到的恒星很密集，就形成了银河光带；偏离银盘方向，视线遇到的恒星数量就少得多，就是银河光带之外的星空。

两个数星星的人

康德从思维上推断银河系的大致形状，有人却想通过数星星得到银河系的真正结构。第一个是英国的赫歇尔，他利用自己的望远镜数星星。那时候还没有照相设备，他需要用眼睛紧盯在目镜上，一颗颗辨认出恒星，再把它们标示在坐标系上，其枯燥和艰难可想而知。那时候望远镜观测完全在开放的环境里进行，冬天寒冷刺骨，夏天蚊虫叮咬，赫歇尔孜孜不倦地坚持了1083个晴夜，计数出117600颗恒星。1785年，赫歇尔发表了有史以来第一幅银河系结构图：一个扁平的盘状体，太阳在盘的中心附近，盘的直径是厚度的4倍，直径大约是天狼星到地球距离的850倍。因为不知道任何一颗恒星的距离，赫歇尔的银河系没有确切大小。

赫歇尔的勤奋实在令人赞叹，除了计数十多万颗恒星，赫歇尔和妹妹卡洛琳一生发现的星云超过了5000个。而在他之前，人类已知的星云天体不超过150个。因为在恒星和星云方面的巨大贡献，赫歇尔被誉为“恒星天文学之父”。

赫歇尔的银河系模型

荷兰天文学家卡普坦是另一个下大工夫数星星的人。他的处境比赫歇尔好很多，那时候天文学家们有了一个强大武器：照相术，用一张底片就能拍下好几千颗恒星，然后坐下来慢慢分析，不必像赫歇尔那样用眼睛紧盯着目镜了。

但如果对整个天空都拍照，恒星的数量就会多得无法分析。卡普坦想到了一个聪明的办法，他在天空选出206个小区域作为样本，号召全世界的天文学家分别观测这些样本，卡普坦自己则利用观测数据来分析银河系的结构。即便如此，这项工作也是相当单调乏味的，卡普坦坚持了40年，数出了400多亿颗恒星。

1922年，卡普坦发表了他的银河系模型：扁平的盘状结构，直径5.5万光年，厚度1.1万光年，包含恒星474亿颗，太阳大致位于银河系中心。这个银河系之大，远远超出了所有前人的想象。

然而，它还是太小了。那时候，测量恒星距离靠的是三角视差法，这方法只能测量近距离的恒星。要想真正搞清楚银河系的尺度，需要一把威力更强大的量天尺。这把量天尺其实一直在星空闪耀，等待着人类去启用，那就是造父变星。

天上的星星之河，旅行到时空边缘

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