在一般人的印象里,天文学是一门非常严肃、深奥的学问,离我们一般人很遥远,要想体会到天文学的乐趣,可能需要气喘吁吁地爬上巍峨的山峰,到天文观测站去。但实际上,天文学并非是你所想像中的那么遥远、高不可攀,在我们的日常生活中,我们就能经常地感受到天文学现象。比如,当你驾驶着你的爱车出行时,一路上,你就能学习和感受到许多天文学方面的东西。如若不信,就让我随车给你一路指点。好吧,现在就开始我们的“天文学之旅”。
感受“光行差”
你把车开出车库,才刚一上马路,天就下起雪来了。请注意看,扑打挡风玻璃的雪花似乎来自你前方的某一点。踩油门,加速,那个点下降到接近眼睛的高度。再踩刹车,它就上升。你知道这是怎么回事吗?实际上,这种现象与著名的“光行差”有关。
1725年,英国天文学家布拉德莱就发现了这种光行差现象,他发现,在地球上观察恒星时,任一恒星的视位置在一年内有周期性的变化,他一直对此现象百思不得其解。直到1728年,有一次他航行在泰晤士河上,发现桅顶的旗帜并不简单地顺风飘扬,而是按船与风的相对运动而变换方向。布拉德莱由此想到,这种情况与人撑伞在雨中行走时的情形一样,如果将雨伞垂直地撑在头上方,雨点就会滴在人身上,如果将伞稍稍向前倾斜,人就不会淋雨了,而且人走得越快,雨伞就必须向前倾斜得越厉害。天文学上的情况与此极为相似,光从某颗恒星沿某个方向以光速照射地球,同时地球以另一个速度绕太阳运转。当对这种光进行观察时,望远镜就像雨伞一样,必须朝地球前进的方向略微倾斜,才能使光线笔直地落到透镜上。与雨雪一样,星星在天空中看上去的位置并不是它们实际的位置,这是因为地球以每小时10万公里左右的速度绕太阳公转,当宇宙中星体的光波到达我们地球的时候,是存在着一定的时间差和角度差的,布拉德莱把这种差异称为“光行差”。他还对光行差现象做出了经典解释,他认为光行差不是地球运动造成的视差,而是由光的有限速度和地球轨道线速度的比例决定的。
光行差的发现无疑是很重要的。首先,它同视差一样,明确地证实了地球的确是在绕太阳运转;其次,在实际观测中人们可以消除光行差位移,从而真正探测到视差造成的偏离现象。
感受“红移”
沐浴在飘飘扬扬、满天飞舞的雪花中,你驾驶着车继续前行。这时候,一阵警笛声哇呜哇呜、由远而近地鸣叫着从你背后传了过来,伴随着警笛声,一辆警车唰地一声风驰电掣地从你的车旁呼啸而过,警笛声也由大而小,渐渐消逝。这时候,你头脑中想的可能是:前面一定是又发生了什么事吧?打架斗殴?或者是更可怕的凶杀案?你满脑子都是刑事案件,但你想没想到过,你刚才又经历了一场天文学知识的“洗礼”——红移现象。
对于红移这一概念,权威的、简洁的解释一般是这样的:光谱线向红端(波长较长的一端)的推移。如果红移的原因是多普勒效应,则表示光源在离开观测者。看到这样的解释,结合我们所学到的一些天文学知识,我们的脑子可能马上就会产生这样一种印象:在遥远的宇宙,有的天体正在以飞快的速度离我们地球远去。
天体的红移也许是宇宙间最为激动人心的事,但这种红移对我们来说,又是那样的神秘莫测和遥不可及。其实,苍茫深邃的宇宙间发生的波澜壮阔的红移现象,同样也经常在我们身边发生着。
当有辆救护车鸣着笛声从你身边经过时,仔细倾听它造成的多普勒效应,当笛声向你移近时,声波被压缩,声调因此变高;笛声远去时,声波被拉长,声音变得低沉。光波也有着类似于声波的现象,当光源远离观测者时,接收到的光波频率比其固有频率低,即向红端偏移,这种现象称为红移;当光源接近观测者时,接收频率增高,相当于向蓝端偏移,称为蓝移。
我们所经历的这种红移现象,看似平淡无奇,但这种“色彩之舞”的发现,具有非常重大的意义。1929年,美国天文学家哈勃发现,来自星系的光谱呈现某种系统性的红移,即星系正在远离我们。将星系中特定原子的光谱与地球上实验室内同种原子的光谱进行比较,可以确定光源正在以多大的速度退行。哈勃发现,离我们越远的星系退行速度越高,而且两者之间存在线性关系,即V=H×R(其中V是速度,H是哈勃常数,R是距离),这个关系称为哈勃定律。
红移现象的发现,不仅在于它证实了宇宙的膨胀,而且还提供了一种估计宇宙年龄的手段。
感受“大气效应”
汽车行驶已有半个多小时。车外虽然是风息雪霁,但仍是寒气逼人。而这时,尽管没开暖气,但车厢内却慢慢变得越来越温暖起来。具体的原因是:每个成年乘客所散发的热量都约等于一个100瓦的灯泡散发的热量。另一个原因是,日光照进汽车,但其中只有一部分被反射出去,其余的光被汽车内的物体吸收,并转化成红外线,也就是热量。车窗玻璃中的原子自然而然地与红外能量波相同的频率振动,形成一道阻止热量散去的屏障。
地球在某种程度上来说,也等同于一个大车厢。地球由大气层所包围,这个大气层就像车窗的透明玻璃。在阳光照射地球时,绝大部分的紫外线都被大气层中的臭氧层所“吸收”,但仍有少部分紫外线能够成功地突破层层防线,到达地球表面。这部分紫外线经过地球吸收后,能量减少,变为红外线,扩散回大气层中。而红外线的热量,与地球大气层中的二氧化碳产生共振,然后被“挽留”在大气层中,使大气层保有一个适宜的温度,地表年平均温度因此能保持在适宜的15℃左右,适宜于地球生物存活。若无红外效应,地球的温度将降至 -16℃ 左右,成为寂冷的、许多物种难以生存的世界。
但是,地球温室气体浓度的增加会减少红外线辐射放射到太空外,因此产生的影响包括全球性的地球表面及大气低层变暖,而全球气候变暖将会给环境带来一系列不利的后果。
对于大气效应的认识,可以使得我们对于地球温室效应的产生机制有更多的了解,同时也知道如何应对严重的温室效应。
感受“衍射”
车开得久了,感觉有些沉闷,也有些疲乏,于是你想放段摇滚乐来提提神、解解乏。一打开收音机,崔健的《新长征路上的摇滚》立刻充满了车厢里的每个角落,使你精神为之一振。这时候,车子开始驶入了山区,收音机里的歌声变得时大时小、时断时续。如果你想知道这是怎么回事的话,我可以告诉你,这其实是一种“衍射”现象在起作用。
所谓衍射,即波在传播过程中经过障碍物边缘或孔隙时所发生的展衍现象。更通俗地解释就是:波如果被一个大小近于或小于波长的物体阻挡,就绕过这个物体,继续进行;如果通过一个大小近于或小于波长的孔,则以孔为中心,形成环形波向前传播。孔隙越小,波长越大,这种现象就越显著。如果你对大海很熟悉,你会发现这样一个现象,海上翻涌的巨浪,可以绕过整个的岛屿,奇迹般地在它身后重现。还有,你站在高墙的一侧,却能听到墙对面的人的说话声,这也是声音虽然不能穿过厚厚的墙壁,却能绕过墙壁传播的缘故。
衍射现象是波的基本特性。波的衍射与波长有关,波长越长衍射能力就显著。声波的波长约为10厘米到1米多,它的衍射很容易被人们感觉到;光波的波长约为5×10-7厘米,衍射现象不明显,人们不易察觉。
收音机接收的电台有调幅无线电台和调谐无线电台两种。调谐无线电台往往在山区信号减弱,而调幅无线电台则不太受影响,这是由于无线电波的衍射能力,也就是波绕过障碍物的能力的差别所造成——波长100米的调幅无线电波的衍射能力远远强于波长1米的调频电波。现在你该明白你的收音机为什么在山区收听效果不太好了吧?原来,你在听调频无线电台,而如果你收听的是调幅无线电台,那就不会出现这方面的问题了。
波的衍射用途很广。无线电广播使用几百到几千米波长的波,它能绕过高大建筑物、山峰传到任何角落,所以一般收音机不用室外天线也能收到遥远地方传来的广播。电视台使用的无线电波的波长只有1米左右,绕过障碍物的本领小,所以收看电视节目需要灵敏的天线乃至高大的室外天线。
感受“干涉”
目的地终于到了。车子开进停车场时,往下看,积雪已经融化,在水泥地面低洼处形成星星点点的小水坑,这些小水坑的水面上浮着一层薄薄的油膜,在阳光的照耀下,折射出五颜六色的光。落在水上的汽油怎么会呈现出如此瑰丽的色彩呢?这里面又蕴含了一种天文学上的干涉现象。
汽油密度比水小,落在水中就铺展开来,漂浮在水面上,形成一层薄薄的油膜。这层油膜虽然极薄,但它却像一张透明的玻璃纸,也有正面和背面,光线照射到油的背面,会立即将光线反射回来 ,反射回来的光线回到油膜的正面,又会引起一定的反射。光线在油膜内,就好像乒乓球在两块平行的平面之间来回弹射一样。阳光是由赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色组成的复色光,当它在油膜的正面和背面来回反射的时候,由于这两个平面之间的距离极微小,两股反射的光线就可能重叠起来。阳光中的各种色光,在不同厚度的地方,有的会得到加强,有的却会减弱,甚至相互抵消。这样一来,油膜上有些地方就显得红一些,有些地方显得蓝一些,而有些地方显出别的颜色,于是油膜就出现了瑰丽的色彩。这样的现象,叫做光的“干涉”。
其实,不仅油膜上会形成光的干涉,只要光线射入任何透明薄膜时,都会发生这种现象,比如肥皂泡、蜻蜓或苍蝇的翅膀,在阳光照射下,也会显得彩色缤纷,这都是光玩的把戏。
利用光的干涉,可以精确地进行长度测量,以及检查物体表面的平滑程度等。利用电磁波的干涉,可以做成定向发射的天线。利用声波的干涉,可以测量液体或气体中的声速和声吸收,进而研究这些介质的力学和分子的性质。天文学家利用干涉现象,将分处两地的望远镜收集到的光波或无线电波结合起来,这样,尽管两个望远镜相距遥远,却能合二为一,作为一个巨大的仪器使用。再比如,在制作光学仪器的时候,常常需要磨制一块十分平滑的平面玻璃,它的偏差不准超过万分之一毫米,这样小的误差用普通的量具是测量不出来的,但是利用光的干涉原理就可以轻而易举地完成这个任务。检验的时候,要用一个精度极高的透明检验样板,和被检验的平面玻璃紧紧叠合在一起,它们中间有一个极薄的空气膜,在有光照射的时候,空气膜就会产生类似肥皂膜上的干涉条纹。如果被检验的玻璃板非常平滑,就会产生一组笔直的互相平行的干涉条纹,而表面不规则就会产生不规则的干涉条纹,根据这种方法就可以断定成品是不是合格。
好了,目的地到了,我们的“天文学之旅”也该结束了。在这一趟旅程里,你是不是真的学到了一些天文学知识?是不是觉得天文学现象并不那么遥远、神秘和枯燥,而是实实在在并且经常在我们身边发生?
名词解释
多普勒效应:多普勒效应是为纪念奥地利科学家多普勒而命名的,他于1842年首先提出了这一理论,他认为声波频率在声源移向观察者时变高,而在声源远离观察者时变低。一个常被使用的例子是火车,当火车接近观察者时,其汽鸣声会比平常更刺耳,你可以在火车经过时听出刺耳声的变化。