探索宇宙 永無止境

劉玉娟 周風(fēng)林

(1.山東省招遠市第一中學(xué);2.山東省招遠市教育科學(xué)研究中心)

《尸子》有云:“四方上下曰宇,往古來今曰宙。” “宇宙”這一概念,出自戰(zhàn)國末期思想家尸佼。縱有千古,橫有八荒。人類自誕生以來,對宇宙的思考和探索,就從未停止。每當(dāng)我們仰望浩渺無垠的宇宙,總是不由地追問:它是什么?它來自哪里?又將去往何處?日月星辰,“若出其中”,宇宙中萬眾矚目的太陽,偶爾也會呈現(xiàn)最神秘、最壯觀、最具科研價值的天文現(xiàn)象——日食。這不僅給我們帶來超炫的視覺享受,也引發(fā)我們無盡的好奇與探索……

仰望宇宙的人如恒河沙數(shù),但是能夠擁有宇宙思想、洞悉宇宙奧秘的人卻寥若晨星;宇宙思想可以影響人類文明,宇宙探索能夠推進人類文明。

本期的兩篇選文,旨在啟發(fā)我們思考人類宇宙四萬年。前者傾向于想象與思想,向我們展示中國古人的睿哲;后者偏向于科學(xué)與知識,帶我們掀開日全食的神秘面紗。

宇宙演化思想

【閱讀提示】

宇宙生成演化問題,是每一個發(fā)展成熟的古代文明都會關(guān)注和思考的問題;宇宙的奧秘也一直令中國古代哲人心馳神往。在沒有任何科學(xué)儀器和實驗探測可以借助的時代,他們只能用無與倫比的智慧去思考如此宏大抽象的問題。

本文邏輯思路清晰,雖引文較多,但闡釋通俗易懂。閱讀過程中要注意探究宇宙演化學(xué)說的各流派觀點及其相互關(guān)系,注意梳理宇宙的發(fā)生發(fā)展過程及其影響。

在對宇宙生成演化問題的認識上,中國古人有著多種多樣的見解。在中國古代哲人中,占主導(dǎo)地位的是宇宙演化說。神話傳說“盤古開天地”反映出上古先民對宇宙起源的認識,即已透露出宇宙早期是混沌的,經(jīng)過演化,逐漸形成后世所見形狀的思想萌芽。詩人屈原膾炙人口的詩篇《天問》開篇伊始就提出了與天地起源有關(guān)的問題,也反映了這種認識。哲學(xué)家老子則直截了當(dāng)?shù)靥岢?“天下有始,以為天下母。”陰陽家的代表人物鄒衍,善談天事,齊國人稱其為“談天衍”。他主張宇宙創(chuàng)生學(xué)說,到處“稱引天地剖判”,推演“天地未生”。鄒衍的學(xué)說在當(dāng)時諸侯國中受到普遍歡迎,司馬遷的《史記》對此也有生動記述。

承認宇宙是逐漸生成的,必然要回答一個問題:宇宙由何而生?老子的《道德經(jīng)》說:“天下萬物生于有,有生于無。”《莊子·庚桑楚》也說:“萬物出乎無有。有不能以有為有,必出乎無有。”這里所說的“有” “無”,是一對哲學(xué)范疇,分別表示生成天地萬物的原初物質(zhì)的存在與否。老莊主張“有”生于“無”,有其內(nèi)在的邏輯依據(jù),因為就任一具體事物而言,都是由不存在到存在,即由“無”到“有”。由此推而廣之,把宇宙視為一個整體,而且認為它是逐漸生成演化而來的,那么,在其存在之前的階段,自然就是“無”了。三國時王弼在為老子《道德經(jīng)》作注時,對此做了總結(jié),指出:“天下之物,皆以有為生,有之所始,以無為本。”這樣說,是邏輯的必然。

可是,邏輯并不能解決所有問題。絕對的“無”怎么能產(chǎn)生出“有”呢?西晉裴頠《崇有論》就明確提出:“夫至無者,無以能生。”認為絕對的“無”不能產(chǎn)生“有”來。對此,即使睿智如老子也只能模糊其詞:“道生一,一生二,二生三,三生萬物。”這當(dāng)然難以令后人滿意。

為了避免“有生于無”的困境,古人對這一命題做了修正,認為“無”不是“無有”,而是“無形”。這里“形”指固定的形體,“無形”指沒有固定形體的生成宇宙萬物的原初物質(zhì),即所謂混沌不分的氣。《淮南子·原道訓(xùn)》指出:“夫無形者,物之大祖也……視之不見其形,聽之不聞其聲,循之不得其身,無形而有形生焉……是故有生于無,實出于虛。”《淮南子》的這一修正,既滿足了討論這一問題所不可避免的邏輯要求,又解答了人們關(guān)于“無”如何生出“有”來的疑竇,把問題向前推進了一大步。這一推進,直接導(dǎo)致了中國古代宇宙演化理論學(xué)說的繁榮。

綜合《淮南子》的論述,可以了解當(dāng)時人們心目中的宇宙演化圖景:宇宙初始是一團混沌不分的氣,由這團氣產(chǎn)生了時間和空間。這導(dǎo)致陰陽二氣的分離,陽氣體性輕清,飛揚上升而為天;陰氣體性重濁,凝結(jié)聚滯而成地。陰陽二氣的集聚,導(dǎo)致日月星辰的產(chǎn)生;陰陽二氣的推移運動,造成四季往復(fù),萬物衍生。宇宙萬物就是這樣逐漸演化而成的。《淮南子》繪出的宇宙演化圖景具有典型性,后世的宇宙演化學(xué)說大多是在《淮南子》宇宙演化論基礎(chǔ)上發(fā)展出來的。其中比較重要的有《易緯·乾鑿度》、王符《潛夫論》、張衡《靈憲》等著作中的天地起源理論。《乾鑿度》對氣演化過程作了階段區(qū)分,給出了代表不同階段的太易、太初、太始、太素等專有名稱。階段性概念的出現(xiàn)標(biāo)志著認識的深化,也有利于展開討論,因而被后人廣泛采用。王符的宇宙演化學(xué)說則特別強調(diào)人在宇宙演化進程中的作用,認為人既是宇宙演變的產(chǎn)物,又可以參與宇宙演變過程。這就像“車上御馳馬,篷中擢舟船”,人雖然不能脫離天覆地載,但可以通過自己的行為作用于天地,使宇宙演化沿著人所選擇的方向進行。張衡的理論重視“道”的作用,認為道本身也有一個發(fā)生、發(fā)展、演變的過程。道既是宇宙演變的產(chǎn)物,又是宇宙進一步演變的條件,它也促成了宇宙的演變。這一認識,無疑多少反映了古人對自然規(guī)律在宇宙演變過程中所起作用的思考。

宇宙演化理論要說明天地的形成,這就必然要與宇宙結(jié)構(gòu)學(xué)說發(fā)生聯(lián)系。早期的演化理論認為元氣輕清,上浮為天,陰氣重濁,下凝為地,天在上,地在下。這與“蓋天說”的宇宙結(jié)構(gòu)模型相一致。“渾天說”產(chǎn)生后,張衡作為“渾天說”的集大成者,他對宇宙演化理論作了相應(yīng)改進,認為“元氣剖判,剛?cè)崾挤?清濁異位”的表現(xiàn)是“天成于外,地定于內(nèi)”,即是天包著地的。這與“渾天說”的宇宙結(jié)構(gòu)模型是一致的。

但是,既然陽氣輕清,理應(yīng)上揚,它為什么不上浮形成天,而是要包在地外?在張衡的理論中找不出合理的答案來。直到宋代,朱熹才提出了一個比較合理的力學(xué)解釋,他說:“天地初間只是陰陽之氣,這一個氣運行,磨來磨去,磨得急了,便拶許多渣滓,里面無處出,便結(jié)成個地在中央。氣之清者便為天,為日月,為星辰,只在外,常周環(huán)運轉(zhuǎn),地便只在中央不動,不是在下。”(《朱子語類》卷一)

朱熹的理論用習(xí)見的旋渦現(xiàn)象比擬宇宙演化,比較合理地說明了渾天格局的形成原因。這一理論對后世影響很大,它標(biāo)志著中國傳統(tǒng)宇宙論發(fā)展到了新的階段。一直到西方近代科學(xué)關(guān)于宇宙起源演化的學(xué)說傳入我國,這一理論才最后壽終正寢。

(摘編自《中國古代科學(xué)技術(shù)史綱(理化卷)》,作者:關(guān)建增 馬芳)

【問題探究】

1.“石本無火,撞擊發(fā)光;水本無華,激蕩生波。”科學(xué)研究具有傳承性,學(xué)術(shù)研究成果的日臻完善大多是不斷借鑒或質(zhì)疑已有成果之后實現(xiàn)的。本文作者就多處引用了前人的觀點,請分析這種寫法的作用。

2.本文具有高度的思辨性,既肯定了中國傳統(tǒng)宇宙演化理論學(xué)說的發(fā)展繁榮,又指出其在發(fā)展過程中的局限。結(jié)合文本內(nèi)容,請簡要分析“宇宙演化說”的發(fā)展修正及繁榮過程。

參考答案:見P08

日食背后的科學(xué)盛宴

【閱讀提示】

艷陽高照的白天,太陽突然被一個黑影遮住。黑影不斷擴大,甚至把整個太陽遮住。白天變?yōu)楹谝?星星現(xiàn)身。很快太陽又恢復(fù)如初。這就是神奇的日食。相傳早在公元前2137年的夏代仲康時期,中國就有了世界上最早的關(guān)于日食的記錄。日食以其短暫卻絢爛的演出,吸引著無數(shù)天文愛好者和科研工作者的目光。

本文從日食的形成、觀測及科研意義等方面全面解讀日食背后的科學(xué)原理,內(nèi)容深入淺出,通俗易懂。讓我們在科學(xué)知識的引領(lǐng)之下,開啟對日食奧秘的探尋之旅。

日食,指在地球上看到太陽被月球遮蔽的現(xiàn)象。日食主要分為日偏食、日全食和日環(huán)食三種。不同類型的日食,與月球的影子結(jié)構(gòu)和日食時地球在月影中的位置有關(guān)。若某次日食時,僅月球的半影落在地面上,該地區(qū)的人只能看到日輪的一部分缺失,就是日偏食;若某次日食時,月球的本影落到地面上,該地區(qū)的人會看到整個日輪被遮蔽,就是日全食;若某次日食時,只有月球的偽本影到達地球,則該地區(qū)的人會看到只有日輪的中央部分暗黑就是日環(huán)食。

計算表明,平均每個世紀(jì)可出現(xiàn)67.2次日全食、82.2次日環(huán)食和82.5次日偏食。也就是說,在地球上看到日偏食的機會比較多。對于同一地區(qū)而言,平均每3年就可以看到一次日偏食。不過,由于日全食帶和日環(huán)食帶非常狹窄,每次日食時僅占據(jù)地球表面積的極少部分,有時還位于人口稀少或難以到達的地區(qū),所以對于某一具體地區(qū)來說,看到日全食和日環(huán)食的機會就不算多了。

雖然日食的發(fā)生具有不確定性,地球也并非太陽系中唯一能夠欣賞日食或月食的行星,但地球仍然是欣賞日全食的“最佳觀影區(qū)”。這是因為日全食的發(fā)生首先就要求行星要有較大的衛(wèi)星。以火星為例,雖然火星有兩個衛(wèi)星,但它們都太小了,不能完全擋住太陽,因此,在火星上看到的只是日偏食或日環(huán)食。

我們能在地球上欣賞到壯觀的日全食,要多虧月球完美的大小和月、地、日之間的相對距離。太陽直徑大約是月球直徑的400倍,太陽到地球的距離差不多也是月球到地球距離的400倍。因此,從地球上看,人們會覺得太陽和月球幾乎一樣大,當(dāng)月球運行到地球和太陽中間且完全擋住太陽時,我們就能在地球上欣賞到壯觀的日全食了。

太陽的大氣可分為光球、色球、日冕三層。平時人們看到的日輪是太陽的最底層大氣(光球),厚度僅幾百千米,太陽的可見光輻射幾乎全部是由光球發(fā)射出來的。光球上方是厚度為幾千千米的色球,亮度只有光球的萬分之一。色球的外面有一層延伸至幾個太陽半徑之外的最外層大氣(日冕),亮度只有光球的百萬分之一。平時,暗弱的色球和日冕完全被明亮的天空背景所淹沒,人們想看見它們,必須借用專門的日冕儀。但發(fā)生日全食時,由于明亮的光球被月亮遮蔽,全食帶地區(qū)上空的大氣因失去強光照射而變得很暗,這使得紅色的色球和銀白色的日冕得以顯現(xiàn),為研究它們提供了絕佳的機會。

在日全食這一特定的時機和特定的條件下,科學(xué)家們通過觀測色球和日冕來研究太陽的物理狀態(tài)和化學(xué)組成。例如,在1868年8月18日的日全食觀測中,法國的天文學(xué)家讓桑就從拍攝到的日珥的光譜中發(fā)現(xiàn)了一種新的元素——氦。在他發(fā)現(xiàn)氦20多年后,英國化學(xué)家拉姆賽才在地球上找到氦。

日冕是太陽活動的重要發(fā)生區(qū)域,太陽的種種活動都會強烈影響地球生命的繁衍、通信導(dǎo)航、氣象、氣候等。因此,日冕的結(jié)構(gòu)、演化、物理機制等一直是空間物理研究的重要內(nèi)容。《科學(xué)》雜志曾評選出了當(dāng)代天文學(xué)八大未解之謎,其中就包含了違背熱力學(xué)第二原理的日冕加熱問題。這個問題也一直是國際物理領(lǐng)域的研究熱點。

借助日全食發(fā)生的原理,科學(xué)家設(shè)計了“人造日全食”——日冕儀。日冕儀就是選用合適的濾光片充當(dāng)“月球”,擋在望遠鏡和太陽中間以制造出日全食的效果,這樣一來,科學(xué)家就可以通過日冕儀來持續(xù)觀測太陽日冕。

我們不僅可以利用日全食研究太陽,也可以研究地球。發(fā)生日全食時,因為月球會遮擋住太陽,所以會導(dǎo)致到達地面的太陽輻射降低。在地球大氣大約60～1 000千米區(qū)域內(nèi),中性氣體分子會因太陽輻射等作用被部分電離,形成導(dǎo)電的電離層,而太陽輻射會影響電離層的電子產(chǎn)生率,所以電離層在白天和夜晚會產(chǎn)生不同的分層結(jié)構(gòu):白天,太陽輻射大,電離層分為D層、E層、F層(又分F1層和F2層),整體電子密度高;夜間整體電子密度低,只存在E層和F層。

在某種程度上,日全食就像一次快速的日落日出,日食陰影區(qū)電離層光的電離突然停止,電子密度會顯著下降,同時也會影響電子溫度等。日全食的出現(xiàn),給人們提供了一個在特殊情況下研究太陽輻射對地球大氣層影響的絕佳機會。我們可以通過多種手段來測量電離層對日全食的響應(yīng),例如電離層測高儀、非相干散射雷達、GNSS(全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))掩星等。通過這些手段,研究人員發(fā)現(xiàn),日全食不僅作用于陰影區(qū),還會通過大尺度重力波向全球范圍傳播。還有一些影響會通過熱層大氣環(huán)流沿磁力線運輸,產(chǎn)生電離層的共軛響應(yīng)。

除了電離層,太陽輻射對地球電磁場、臭氧層、低層大氣,以及其他地球環(huán)境(如引力場、重力場、固體潮和宇宙線變化等)的影響,也都可以在日全食時得到更深入的研究。

(摘編自《百科知識》,作者:韓婷葦)

【問題探究】

3.日全環(huán)食又叫混合日食,是指在一次日食過程中出現(xiàn)全食、環(huán)食和偏食三種情形,因其極其罕見,被稱為“第四種日食”。同一個人在同一個地方,能在一次日全環(huán)食中同時看到這三種現(xiàn)象嗎?請回答并結(jié)合文本內(nèi)容及下面示意圖進行分析。

4.我國歷史上最早關(guān)于日食的記載都把它描繪成了一種超自然現(xiàn)象,認為是上天的訓(xùn)誡,也是災(zāi)害的前兆。其實,眾所周知,它是極具科研價值的天文現(xiàn)象。請結(jié)合文章內(nèi)容,概括說明“科學(xué)盛宴”的具體內(nèi)容。

參考答案:見P08

古詩文大講堂

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