它們來自恒星

王旭東

科學一直是如此的神秘和有趣，其包含了對真相的探求與認知的邏輯。

古希臘的科學家認為，人之所以能夠看見周圍的物體，是因為人的眼睛可以發出觸須般的光，照射到哪里，就能看到哪里。當然，這是古人一種不科學的猜想，但卻也和現代的主動雷達搜索、超聲成像頗為相似。現在我們知道，光是宇宙慷慨的施予，不需要人類的眼睛費力地發射，眼睛只負責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，便有了風雨雷電，江海翻騰。

無窮的能量，來自太陽內部中心的核聚變反應，兩個較輕的原子被太陽龐大質量緊緊壓在一起，在高溫共同作用下，合并成了一個更重的原子，但這個原子的質量要小于之前兩個原子質量之和，丟失的質量，根據著名的愛因斯坦質能方程，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部，要和其他的粒子不斷地碰撞，歷盡百轉千回，才能擠到太陽的表面，此時距誕生它的熱核反應，已經過去了五千年。

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，經過約八分鐘的飛行抵達地球，它們穿過稠密的大氣，灑向山川河流，灑向街道建筑，并最終進入我們的視網膜，觸發了視覺細胞的電反應，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代。

我們所認知的“光”

當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，其余都是發光的恒星。它們發光的機理和太陽相同，只是距離非常遙遠，最遠的甚至達到幾十億光年，這就意味著，你看到的星光，遠超人類的歷史，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，四周水天一色就意味著迷航甚至死亡。后來，人們發現北極星的位置是不變的（北極星在北極正上方，不隨著地球自轉在星空中改變位置），那么根據北極星的高度，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，那么觀察者身處低緯度的赤道附近。只要航行時緯度不變，航線就一定是和赤道同軸的球面圓周線。

因為地球一直在自傳，所以緯度易得，經度難求。終于，高超的鐘表匠約翰·哈里森制造了準確度很高的懷表，人們根據出發地和到達地的時間，輔以星光位置的計算，便可以知道所處的經度。經緯度一旦可以得到，遠洋航行便不再危險，大航海時代真正來臨。

規律的斗轉星移，忠實地見證著歷史變遷，為考古學家們確定紀年提供了莫大的幫助。中國人相信天人合一，奇異的天象往往預示著重大的機會，因此在記錄重大事件的同時，也會記錄下特殊的星像，這就為確定事件發生的準確日期，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，牛頓提出了萬有引力，20世紀，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。他認為，引力的實質是物體質量對時空的扭曲效應，若把時空比作平坦的海綿床墊，把太陽比作一個鐵球，那么太陽周圍的時空就如同被鐵球壓出凹陷的床墊，經過的物體受到凹陷的影響，有向凹陷中心運動的趨勢，形成了引力的外在表現，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，我們可以用一個虛擬的偵探故事來說明：

“砰！”槍聲響起，一發子彈穿過客廳的玻璃，在上面留下了一個槍眼，在客廳的墻上也留下了一個彈孔。很快，警察趕到現場，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位置，但是在那里卻抓不著犯人。這時，神探“福爾摩斯﹒愛因斯坦”來了，他拿出紙和筆，把彈道數據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？”

“對面樓房質量很大，槍手的本意不是打老張家，但大樓扭曲了時空，子彈經過時，改變了彈道，現場客廳的玻璃就遭了殃”。神探解釋著原理。按照神探的推理，警察果然根據公式找到了槍手，故事結束。

故事“會拐彎的子彈”示意圖與1919年日食觀測原理圖。

當然，故事是虛擬的，但科學道理是真實的。回到實驗里來，對面的大樓就是太陽，槍手是太陽背后的一顆恒星，恒星在太陽背后發出的光原本不會射向地球，但經過被太陽扭曲的時空時，不再沿直線傳播，最終繞到了地球上。現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。問題是陽光強烈，微弱的星光淹沒其中，根本無法分辨，只能等發生日食的時候，才有條件觀察。1919年，地球發生了日食，兩個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，而且折射角度數據與廣義相對論一致，與牛頓萬有引力的計算結果不符，愛因斯坦登上了科學的神壇。

“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，剩下的統稱為不可見光。是光，卻不可見，這個看似矛盾的物理詞匯包含了哲學的思辨。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。舉一個簡單的例子來說明波長和能量的關系：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，因為你很快就會累到手軟。那么能量去了哪里？變成了繩子的波動。所以波長越短、頻率越高的波，攜帶能量越大。這一點，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。當光子家族照射物體時，有的引起振動發熱（如紅外線），有的是讓電子從低層軌道飛到高層軌道繼續運行，唯獨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，因為動植物都有一定的自我修復能力，所以是無害的。但如果γ光子劑量超標，修復的速度趕不上破壞的速度，動植物就會生病甚至死亡。

1999年日本一座鈾轉換廠的工人為了早點下班回家，違反操作程序，導致現場產生了高劑量的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，仍然投入了最新醫療技術全力搶救，可能也是想在他身上進行重度放射損傷的治療試驗，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，舊細胞不斷死亡脫落，新細胞不斷制造更新，DNA是細胞復制的“圖紙”，現在“圖紙”全部損壞，便不可能產生正常的新細胞補充，其慘狀可想而知。另外一名距離稍遠的員工在220天的治療中同樣受盡輻射的折磨，搶救無效去世。根據對他們尸體細胞的顯微鏡檢測發現，只有一種細胞未受到放射性的影響，那就是心肌細胞。這也給人們留下了科學突破的一個方向。

γ光子的殺傷力驚人，它也是核武器的殺人利器之一，核彈爆炸時產生大量γ光子和中子，γ光子比中子作用距離更遠，殺傷半徑大。怎么阻擋γ光子呢？防護物厚度一定的情況下，越致密的物質越好，所以考慮到性價比，一般采用原子量很大的鉛元素進行阻隔。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）發現，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。比如，在醫學上，γ射線用于放射治療，精準地殺死體內的腫瘤細胞;x射線用于醫學成像，可以幫助醫生看清人體內部的病灶細節。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。在工業上同樣也有無損探傷的需求，那么這兩位成員都可以根據實際需求而派上用場。

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性。曾經有報道說，小朋友誤入紫外燈殺菌的房間并停留了一段時間，造成眼底細胞不可逆的損傷。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，不過根據前文的介紹，相信大家也能推測出，藍紫色的光能量要強一些，所以長期看電視、電腦或者手機，要注意藍光防護，長時間的藍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，但是它卻具有一項特殊的本領，那就是熱效應。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，內部的分子無時無刻不在振動和旋轉，只有當溫度下降到絕對零度（-273.15攝氏度）的時候才會完全停止。紅外線可以使分子的振動加劇，從而互相摩擦產生熱量。紅外線波長越長，便越可以深入物體內部，這和小石子擋不住大水波漣漪的擴散是一個道理。所以遠紅外的深度熱效應更加明顯。假如波長再長一些，就跑出了本文探討的光的范疇，進入了微波波段，你肯定想到了微波爐，它的加熱效應是由內而外的。

來自恒星的光芒，日復一日地照耀大地，潛移默化地影響著地球，讓生命漸漸萌芽。盡管有時，太陽光狂飆突進，高能宇宙射線不期而至，但地球逐漸生成了一系列保護機制，如大氣層、磁場和臭氧層，保護著萬物繁衍生息。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。

（責編：南名俊岳）