我们的宇宙（一）
赵致真
[主持人
很难想象当我们的祖先刚刚直立起来的时候，面对如此浩瀚而辽阔、深邃而宏大的天空，该会发出怎样的惊叹和疑问，激起怎样的遐思和浮想。
有位哲学家说过：“如果地球上只有一个地方能看得到星星，那么，全世界的人便一定会集中到这个地方来。”人类与生俱来的好奇心和寻根究底的求知欲，也许是天文学最原始和朴素的动机。而生存斗争和生产劳动对天文知识的逐渐依赖，则更催发着人类最早的理性之光和智慧之花。
日升日落，月盈月亏，昼夜交替，四季轮回，世界的本源是什么？何处是天的起始和地的终极？几乎每一个民族都有自己的创世神话，几乎每一种文化都试图作出自己的解释和回答。
从地心说到日心说，从经典力学到相对论，人类日益摆正了自己在宇宙中的位置，并加深着对时间、空间和物质的认识。爱因斯坦说：“这个世界上最不可理解的事情，就是世界是可以理解的。”天文学作为贯穿人类整个历史的科学，也从根本上影响了每个时代哲学和宗教的发展。
无法逾越的巨大尺度使天文学不能成为实验科学，人们只能根据观察到的很少现象进行推测和计算，但天文学却一直是个大丰收的科学前沿。今天，我们已经能看到100亿光年之外的宇宙深处，我们已经能把自己的飞行器送到太阳系之外的银河之滨。这不能不说是自然的奇迹和人类的骄傲。
一想到夜幕上那些朦胧而密集的光斑，都是无比遥远而庞大的实体，恒星的数目比地球上的沙子还多；一想到在银河系的万家灯火中，我们在一盏叫做太阳的温暖灯光下成长了自己的文明并向着辽阔的宇宙张望；一想到在无数次毁灭和创造中，按照精确规律构建的宇宙竟有着如此错综的结构与惊人的和谐。我们怎能不充满对大自然无限的神往和敬畏。
只有建立起清晰的宇宙概念，我们才能理解世界的根本秩序。如果对天文学一无所知，则不能算受过完整的教育。
“纵谈天地奥秘，饱览宇宙神奇”。我们的节目将和您一起欣赏和享受天文学的成果，共同经历一次最遥远而神奇的心灵壮游。
一、美丽的地球
[主持人
说起地球，我们心中就会涌起无限温热的感情。虽然在茫茫宇宙中，地球只能算得上沧海一粟，但她却是我们人类可爱的故乡，唯一的家园。
人类对大自然的一切认识，都是从地球开始的。作为地球的儿女，我们对于这颗养育自己的行星又有多少了解呢？
（采访：地球年龄，地球直径，版块理论）
[主持人
我们都毫无例外地生活在地球上，但面对有关地球的许多问题，究竟应该作出什么样的回答？
希望下面的电视片能帮我们回忆起零碎的知识，并且增进一些对地球的了解。
[电视片解说词
当宇航员从太空中俯瞰我们这颗云蒸霞蔚、生机勃勃的行星时，当月球上的摄影机拍下一轮巨大的地球从月平线上升起时，我们都会为眼前的景象砰然心动。这就是我们地球母亲美丽的容颜，这就是我们人类永远的故乡。由于大气和水更多吸收太阳光谱中的红色，这颗玲珑剔透的行星便静静焕发出独特的、梦幻般的蔚蓝。
地球的年龄究竟有多大？这个难题曾经考验过许多科学家的智慧。有人想出用沉积岩形成的时间来测定，有人主张用海水含盐浓度的增加来推算，而最精确可靠、量程最大的宇宙计时器，显然要数放射性元素的蜕变了。放射性元素衰变一半需要的时间叫半衰期，它不以外界物理化学条件变化为转移。例如铀235，每隔4亿5千万年就有一半变成铅与氦，钍232的半衰期是13亿年，而铷82的半衰期则将近50亿年。从这些同位素和他们衰变产物的相对浓度中，我们测定出地球最古老的岩石—西格陵兰片麻岩已有38亿年的历史。但这显然还只是地球从“天文时期”进入“地质时期”前后的时间。根据对月球岩石和太阳系陨星的测定和比较，我们地球的高寿应该是46亿岁了。
古人发现远处船舶的桅杆总是最先露出和最后隐没，日月星辰总是从地平线一边升起另一边落下，在月食中遮蔽月面的影子又总是一弯弧形，便猜想到大地可能是一个圆球。今天我们知道，地球的平均半径为6378公里。这是个恰倒好处的尺寸。有人因为地球的赤道半径比极半径长21公里，北极到地心比南极到地心远15米，便把地球比做一只梨。其实，这些微小的不规则之处几乎可以忽略不计。地球的扁率仅为300分之一。从太空看去，它仍然不失为一个相当标准的圆球。
在我们的火箭已经飞出太阳系的时候，我们的钻头却最远只能钻到脚下12公里的深处。这便是“上天有路，入地无门”的现实。但地震波传播速度和方向的变化，却能如同用B超探测内脏，披露出地球深处的许多秘密。地球是从均匀的球体逐渐演化成四个同心球层结构的，即内核、外核、地幔与地壳。固体内核的密度为水的13倍，温度为摄氏6000多度，压力达370万个大气压。根据计算，这种状态下存在的物质只能是铁。而落到地面的铁质陨石作为解体行星的残片，也恰恰印证了地球内核由铁和镍构成。地球外核的成分虽然也主要是铁和镍等金属元素，但却为流动的液态。大约3000公里厚的地幔主要由橄榄岩构成，在高温高压下处于固态或半流动粘稠状态。薄薄的地壳则平均只有33公里厚，上部是花岗岩，下部为玄武岩。海洋中最薄处仅有5公里。当地壳的有些部位发生裂缝，地幔上部炽热的熔岩喷涌而出，这便是火山爆发了。
地球70%的面积被海水所覆盖，陆地面积仅占30%，上面还布满了河流与湖泊。循名责实，把地球称为水球也许更为恰当。如果按化学元素的含量来排序，那么，铁、氧、硅、镁大概能算构成地球90%以上物质的四大家族。
1912年，卧病在床的德国气象学家魏格纳凝望着墙上的世界地图，一个伟大的思想火花突然照亮了他的视野。欧洲的西海岸和加拿大的东海岸，非洲西海岸和南美洲的东海岸，虽然隔着大西洋遥遥相望，但轮廓线竟如此地相似和对应，如果拼接在一起几乎能完全吻合。魏格纳勇敢地提出了大陆飘移学说。他认为地球上的陆地原本是连在一起的，称为联合大陆或泛大陆。为了给自己的理论寻找充分的科学根据，魏格纳奔走于世界各地进行考察。1930年，在他50岁生日的第二天，不幸牺牲在格陵兰岛的冰天雪地中。
然而，大陆漂移学说却一度被人们视为荒唐的臆想而饱受嘲讽。坚实的大地难道能象解开缆绳的木筏一样随波逐流，象七巧板一样任意拼装吗？直到20世纪60年代海底扩张学说建立，古地质学、古气候学、古生物学的许多证据纷纷提出，魏格纳的理论才得以东山再起。此后，科学家们整合了各种孤立散乱的观察和发现，用统一的版块构造学说描绘出了全球动力学的清晰图景。原来我们地球的岩石圈被一些构造带分割为六大版块，即亚欧版块、非洲版块、美洲版块、太平洋版块、印度版块和南极洲版块。地幔物质的对流如同巨大的传送带，运载着版块缓缓移动。版块之间的相互碰撞、错动、拱抬与张裂，形成了地球上各种各样的山脉、峡谷、断层和海沟。雄居世界之颠的喜马拉雅山，便是印度版块向亚洲版块冲撞挤压后隆起的巨大褶皱。山上那些沉积岩和三叶虫、海葵、石菊等水生物化石，都向我们诉说着2000万年前这里曾经是一片古地中海。而地震则是版块推挤中产生应力的释放。不过，我们大可不必担心版块之间会象碰碰车那样撞来撞去。事实上，大陆漂移的速度比我们的指甲生长还慢。但亿万年后，这些微小变化的积累却会让世界地图面目全非。
地球的质量到底有多大？这个问题同样困扰了科学家许多年。真正第一个给地球过磅的人是英国科学家卡文迪许。1798年，他用扭秤法测定出地球的平均密度，所算出的地球质量很接近于今天公认的60万亿亿吨。无处不在的万有引力，使行星在自身重量的压力下必须保持各方向的平衡。于是球体就成了一切庞大天体的稳定外形。在地球上，巨大剪应力使所有山峰的高度都不可能超过11千米。而自转产生的离心力则让地球赤道部分略略鼓起。
曾经发生过这样一件真实的故事。一艘欧洲的货船抵达赤道附近的非洲码头后，发现原封未动的货物少了十几吨。这桩“失窃案”令侦探人员一筹莫展。后来才发现是万有引力开的玩笑。地球上一切物体的重量，都是地球中心的引力与地球自转离心力的合力。赤道比高纬度地区距离地心远，自转的线速度快，这船货物的“蚀秤”就在所难免了。根据计算，两极地区的重力要比赤道附近大0.53%。
地球引力如同一条无形的锁链，把我们牢牢栓在地面上。法国著名科幻小说家儒勒.凡尔纳曾写过一种大炮，能把人发射到月球上去旅行。那时他并不知道，火箭的速度只有达到每秒11.18公里才能挣脱地球引力。这便是地球上的逃逸速度。领会这一点，有利于理解地球上大气的状况。事实上，如果气体分子的运动速度大于逃逸速度，我们的行星将无力吸引住它们而只能任其跑个精光。气体分子的平均速度是和他们的绝对温度成正比，和分子量的平方根成反比的。今天，我们地球的引力和温度，能够绰绰有余地抓住氧和氮的分子。至于飘到几百公里高空的氢和氦，则只能随他们开溜到太空中优游逍遥了。不妨设想，如果地球质量小一些，那么我们的空气将变得不胜稀薄，甚至不复存在。如果地球质量大一些，也许就留住了氢和氦并生成大量甲烷，使我们的空气变得完全无法呼吸了。
今天的大气早已经不是地球诞生时的第一代大气。地球几十亿年地质活动和生命活动共同创造了一个相对稳定的最佳配方：21%的氧，78%的氮，1%的二氧化碳、水蒸气和其他气体。我们就生活在这样一个数千公里厚的空气海洋底部。应该深深感谢原始海洋中无数代绿色海藻光合作用的卓著功勋。是它们把浓重的二氧化碳吞噬殆尽，并为地球上生命大潮的涌动准备了必要条件，那便是富氧气圈的形成。美国著名科学家萨根说：“地球上的天空是用生命换来的。”还应该知道，大气虽然只占地球质量的百万分之一，但却阻挡了来自太空的陨石撞击，维持了地球适宜的温度，以水蒸气的分压，确保了地面上的游离水不被蒸发干净，并用20-60公里高空的臭氧层滤掉了足以杀伤生命的太阳紫外线。这便是我们今天为什么对南极上空出现臭氧空洞忧心忡忡的原因。
[主持人
我们已经看到了一幅地球简略的画像。但地球不是静止不动的，它不仅在绕着地轴自转，还绕着太阳公转。
地球也不是孤立的，它和太阳、月亮都有着十分紧密和复杂的关系。因此，我们必须在运动中，在和太阳月亮的关系中进一步认识地球。
（采访：四季，潮汐，日食，月食）
[主持人
为什么会有四季轮回？为什么会有潮落潮起？为什么会有日食月食？还有很多很多的为什么。
让我们一起继续看看地球的故事。
[电视片解说词
我们的地球象一只陀螺，绕着地轴不停地自西向东旋转。地球自转一周需要23时56分4秒平太阳时。于是，我们便有了白天黑夜的轮番交替，日月星辰的东升西落。
1851年，法国科学家傅科做了一个著名的实验，他从巴黎国葬院的穹顶上悬挂了一副67米长的绳索，下面吊着一个28公斤重的摆锤。随着每一次摆动，地上巨大的沙盘便留下摆锤运动的痕迹。令观摩者们相顾惊诧的事情发生了。这只大摆没有始终按一条直线来回往复，而是经过一段时间后，摆动的方向偏转了很大的角度。傅科宣布说：“我们看到了地球的转动。”假如这个实验搬到北极去做，傅科摆一昼夜便会转过360度。而在赤道上，摆动就不会发生偏转了。
人们还发现在北半球，南北方向的河流更多冲刷右岸，南北行驶的火车更易磨损右侧的铁轨，南北发射的炮弹也会向右发生微小偏移。而在南半球则情况正好相反。这便是我们所说的科里奥利力。地球不是一个惯性系，自转的时候，赤道的地面24小时要走完4万公里的大圆圈，而极点的地面却没有动。地球高纬度和低纬度之间旋转半径的差，便是造成科里奥利力的原因。大气的流动也不能超越这一影响。当赤道的空气被加热上升，造成永久的低气压带后，回归线附近高压带的空气便向赤道流动，并受科里奥利力的作用发生东西方向的偏转。于是在赤道以北形成东北风，赤道以南形成东南风。这种吹彻全球的万里长风曾鼓动麦哲伦和哥伦布远航的船帆，由于它恪守信用，千古不变，所以被叫做信风。当然，科里奥利力只能在大尺度和长时间里才会显示出微弱的影响。我们无须担心在田径场上由北朝南奔跑时会偏离方向。
除了自转以外，我们的地球以每秒29.79公里的速度，沿着一个偏心率很小的椭圆绕着太阳公转。走完大约10亿公里的一圈路程要花365天又6小时。于是地球上便周而复始跨进了新的一年。
烈焰喷薄的太阳仅仅把22亿分之一的光热投射到地球上，但这对于我们的行星已经足够了。每平方厘米1353瓦，我们把这一高空测出的单位面积垂直辐射能叫太阳常数。太阳是“地球发动机”永不熄灭的“锅炉”，提供了大气运动、水循环和万物生长所需要的全部能量。我们从事农业活动，其实是在利用植物做媒介收获阳光。而地下埋藏的煤炭、石油、天然气则可以看作地球生命亿万年间制造出来的“阳光罐头”。没有太阳，生机盎然的地球将变成冰冷死寂的世界。
地球上为什么会有寒暑交替，春去秋来？其中的玄机和奥妙，原来尽在于地球的自转轴有一个23度27分的倾角。当北半球接受太阳光的直射而处在盛夏时，南半球则面对太阳光的斜照而正值隆冬。北半球的春天又对应着南半球的秋天，两半球得到了同样多的阳光。这便是四季的由来。我们把北纬23度27分的纬圈叫北回归线，南纬23度27分的纬圈叫南回归线，意思是太阳的直射到此为界，然后便开始掉头转向，打道返回了。而北极圈、南极圈则会有半年时间照耀着不落的太阳，另外半年陷入漫长的黑夜。由于地球绕日轨道不是一个标准的正圆，因此南半球稍稍比北半球的夏天更热，冬天更冷。有研究者认为，以数万年为周期的地轴变化和日地距离的叠加效应，可能是地球上冰川时期形成的宏观原因。
除太阳之外，没有哪个天体对地球的影响比月亮更大。千百年来，美丽的月轮一直是神话创作的素材和诗人灵感的源泉。但实际上，这座“广寒宫”却是个十分枯燥乏味的地方。月亮距地球的平均距离有38万4400公里。半径1737公里，面积不及亚洲大，质量是地球的81分之一，引力也只有地球的6分之一。月亮上的逃逸速度仅为每秒2.38公里，因此根本无法留住自己的大气。亿万年间，长驱直入的宇宙流星轰击着毫不设防的月球表面，因为没有空气和水的活动去风化和抚平，那些疮痍满目的陨石坑至今仍保持着碰撞时的模样。我们称为“月海”的较暗区域是低洼而开阔的平原。33000多个环形山是月球表面最醒目的地形特征。
月亮无疑是第一个让我们有了多星球概念的天体。有人猜测它是被地球抓来的“俘虏”，有人认为是从地球身上甩出去的，并言之凿凿说太平洋的凹陷便是留下的“疤痕”，应将月亮视同地球的“第八洲”。而更合乎科学的解释，月亮和地球应该在太阳系诞生中同时形成。当然，按照主星和卫星通常的尺寸比例，月亮的体积有些过大了。倒不如把月亮看成地球的伴星更为恰当。实际上，地球和月亮是互相围绕着共同的质量中心旋转的地-月系统。地球绕日运行的轨道应该是地-月中心的轨道。至于地球自身行走的路径，则是一条起伏很小的波浪线。
每当我们看到排山倒海的潮水滚滚而来的时候，便会惊叹大自然磅礴的力量和微妙的机制。潮汐便是月球引力最直观而生动的演示。我们很容易懂得地球靠近月亮的一面受到引力最大，中心部位次之，而背向月亮的一面最小。这个引力差趋向于把地球挤扁和拉长。于是，向着月球的一面和背着月球的一面便同时鼓起两座水丘。由于地球的自转，这两座隔球相对的水丘追着地-月间的连线不断移动，潮汐便产生了。质量大得多的太阳由于距离遥远，起潮力只有月亮的三分之一，当日、月和地球处于同一直线时，叠加效应会使潮高出现极大值。其实作为弹性体，地球的岩石圈也有固体潮。不过形变的幅度不大，“潮峰”只有70厘米左右，平时不易被感知和觉察。还有大气圈因潮汐作用而引起的流动和压力变化，则被淹没在原因复杂、丰富多采的气象活动中了。
潮汐作用对地球最深刻的影响在于，海水流动的摩擦，对海岸的冲击，岩石圈的形变，都阻碍着地球的自转，起着一对“刹车片”的作用。尽管这一力量十分微小，只会使地球的自转在10万年里减慢2秒，但我们却不得不又一次惊叹长长的“时间杠杆”撬动的结果。16亿年前，地球每昼夜只9小时，一年有800多天，6亿年前的每昼夜是20小时，一年440天。海底珊瑚虫的化石生长线留下了古代的时间刻度。遥想当年，比今天高得多的巨潮扑向海岸，地球生命从海洋摇篮登上陆地显然得力于潮汐的催发和运送。而远古月亮比今天离我们近得多。伴随着地球自转减慢，月球也遵循角动量守恒的规则，以每年3厘米的速度渐行渐远。反过来，地球在月球上引起的固体潮同样带来月球的“自转失速”。直到月亮永远将一面朝着地球才告稳定。说到引潮力也会使地球永远以一面朝向月亮，那还需要至少几十亿年时间。
让我们祖先一代代备受惊吓的天文现象，也许莫过于日食和月食了。当好端端的一轮红日朗照中天的时候，突然被什么东西“吃”成了一弯月牙甚至全部消失，的确足以让人类大起恐慌。其实这不过是日、月、地三者运动中产生的遮掩现象。太阳的直径虽然比月亮大400倍，但距离却远400倍。因此在天幕上的视角直径都是0.5度。月亮作为既不发光又不透明的天体，背着太阳的一面总会拖着自己长长的影子。如果说“一叶障目”可以“不见泰山”的话，当月亮走到太阳和地球之间的直线上时也会挡住太阳的光辉。在地球上，月亮本影掠过的地方就会看到日全食，半影所及的区域则看到日偏食。如果月球本影的尖端达不到地球表面，它延伸而成的伪本影扫过之处就看到日环食。同样，当月亮走到地球背向太阳的一面，并全部或部分钻进地球的本影中后，就发生了月食。如果月亮只经过地球的半影，便出现半影食，它只会减弱月光的亮度，因而不易为人们所觉察。
对于地球上某一个具体地方来说，日食现象并不多见。但从全球范围看，每隔18年就会有43次日食。古人已经懂得推算日月食的发生，今天对日月食的长程预报早已达到了高度精确的程度。
打从华夏祖先发明指南针的时候起，人类便知道利用地磁来确定方向了。我们的地球究竟是怎样变成一块大磁铁的，科学家作了多种解释。令人信服的说法是，地球的高速自转与核心流动的铁镍物质形成电流回路，如同一个巨大的天然发电机把机械能转换成磁能，于是产生了大地的磁场。多亏疏而不漏的磁力线对地球起着屏蔽作用，把许多有害射线束缚在“范艾伦带”使其不能到达地面。南北极地区美丽的极光，便是被偏转的带电粒子轰击高空大气所点亮的最壮观的霓虹灯。古地磁考察表明，地球南北磁极过去曾发生过多次游移和颠倒。大洋中脊两侧岩石在冷却中固定下来的磁性分子，为不同地质年代地球磁场方向交替变化留下了确凿的物证。
[主持人
我们讲了这么多地球的故事。对地球了解得越深，就会对她越加热爱和珍惜。
地球确实得天独厚。它是大自然妙手偶得的杰作。无论对地球的尺寸、质量、自转速度、自转倾角、与太阳距离等任何天文数据稍加修改，就会使今天的世界秩序、气候模式完全改变和乱套，带来不可设想的后果。
幸运地生活在茫茫宇宙中这块微小绿洲上，当人类终于认识了“我们只有一个地球”的时候，才能真正成为拥有光明前途和希望的物种。
我们将和几十亿年间大地海洋孕育出来的无限生灵一起，共同乘着地球号宇宙飞船，继续奔向无尽的航程！
