科普丨《上下百亿年》：从古希腊开始的天文自助游，从阳光里发现太阳的奥秘

从古希腊开始的天文自助游，从阳光里发现太阳的奥秘

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精华笔记 

太阳离我们有多远？它由什么组成？它为什么能一直发光发热？太阳会熄灭吗？可能你心中浮现过诸如此类的问题。《上下百亿年》这本书就能解答这些疑问。本书作者卢昌海，是美国哥伦比亚大学物理系博士，出版过多部天文方面的科普书籍。

就让我们跟随科学家的视角，回顾人类探索太阳的历程，解开关于太阳位置、组成、能量的层层谜团。

太阳在哪里?

太阳在哪里？这既要计算太阳与地球的绝对距离，又要明确二者的相对位置。

古希腊的学者曾通过视差法来估算日地距离。当月亮是上弦月时，地球到月亮的方向与阳光照射月亮的方向垂直，利用三角函数，古希腊人计算出太阳比月球远19倍。但这个计算存在很大误差。到了18世纪，科学家利用金星凌日的现象来计算，最终确认日地距离为1.5亿公里。

在知道距离之后，还要明晰相对位置，这就引出了长达千年的“地心说”与“日心说”之争。

哲学家柏拉图认为所有天体绕着地球做匀速圆周运动。但很多行星的运行轨迹并不完美，为此，柏拉图的学生欧多克斯引入多层轨道来描述天体运动，却仍然无法解释行星逆行时幅度变化等问题。

托勒密是地心说的集大成者，他提出地球并不是在行星轨道的圆心，而是偏离了一定距离。托勒密的模型可以实现很高的精度。又因为该理论符合基督教的世界观，教会成了地心说的强力支持者。直到17世纪，地心说一直处于统治地位。但托勒密地心说仍有很多无法解释的问题，比如太阳比地球大很多，没理由要围着地球转。此外，为了适应各种行星运动轨迹，地心说的几何模型十分庞杂繁琐。

在这种背景下，哥白尼提出了系统性的“日心说”理论。这一模型不仅符合了天文观测数据，还可以将复杂的托勒密体系大大简化，让天体的运行规则变得简洁。虽然教会大力抵制，但越来越多的证据支持日心说。在众多学者的共同完善下，日心说最终取代了地心说。

地心说与日心说的较量，体现了科学思维最本质的特点：在观察现象的基础上，提出自己对自然规律的理解，并通过后续证据验证自己的理论。

太阳是由什么组成的？

太阳是由什么组成的？对于这个问题，要从阳光之中寻找答案。

17世纪，牛顿让光从小孔摄入三棱镜，得到了彩色光谱，证明了阳光是由不同颜色的单色光组成。1802年，化学家沃拉斯顿用了狭缝取代了小孔，发现了彩色光谱中存在很细的暗线。1814年，德国学者夫琅禾费设计了光谱仪，观察到了阳光光谱中的暗线有数百条。

40多年后，德国人本生与基尔霍夫破解了暗线之谜。本生把各种盐的粉末加热，观察到不同的盐会发出不同的光。在基尔霍夫建议下，本生使用夫琅禾费发明的光谱仪，发现每种元素在被灼烧时，不仅能改变火焰颜色，还会发出独特的光谱。基尔霍夫是让一束光穿过元素的稀薄蒸气。发现，在光谱中出现了暗线。一种元素能发射什么样的光，它也就能吸收什么样的光，两者相互对应。由于亮线源于光的发射，叫做发射光谱；暗线源于光的吸收，被称为吸收光谱。

太阳光谱中的那成百上千条的暗线，正是太阳的吸收光谱。由于吸收光谱与发射光谱相互对应，科学家们将阳光的暗线与已知元素的发射光谱相比较，从而识别出了太阳上的元素。

此外，光谱的强度与产生谱线的元素丰度有关，丰度越大，谱线就越强。经过几代人在光谱上的研究，最终确定太阳的总质量中，氢占了71%，氦占了27%，其余元素接近2%。

直到现在，光谱学仍然是天文物理的重要基础，这门科学的发展也让我们见识到了，通往真理的路并不只有一条。换一个角度，也许别有洞天。

太阳为什么发光？

太阳发光问题的本质是探究恒星的能量产生机制。

18世纪，天文学家赫歇耳提出太阳发光是因为有一个炽热的大气层。这个理论并不正确，因为他无法解释为何太阳能持续燃烧。德国物理学家迈耶则认为太阳是燃烧着的大煤球，并不断有陨星坠落其上补充燃料。但是，陨星坠落的数量必须极大，甚至会影响行星的轨道，这与天文观测并不符合，煤球说也被淘汰。

20世纪，物理学突飞猛进。爱因斯坦提出了质能方程，说明了即使很小的质量中也蕴藏着巨大的能量。卢瑟福证明了可以用人工手段实现原子核转变。基于这些科学突破，天文学家爱丁顿认为太阳能源来自于核聚变反应。在太阳中，氢原子核可以聚合成为氦原子核，这个过程会丢失一部分质量，并转化为巨大能量。经过他的估算，核聚变产生的能量足以支撑太阳燃烧100亿年。但爱丁顿无法给出核聚变过程的具体细节。

随着量子力学的发展，人们对微观世界的运行规律理解越发深入。结合前人理论，物理学家贝特揭示了恒星能量的产生机制。在太阳内部，核聚变通过“质子-质子链”反应，使4个氢原子核相互碰撞生成氦。此外，贝特还提出了一种“碳氮氧循环”的能量机制。在这一机制中，碳、氮、氧等元素会参与反应，促成核聚变发生。两种机制共同作用，为太阳发光提供能量。

从思考太阳的位置，到分析太阳的成分，再到揭示太阳的能量来源。人类对太阳的了解都越来越多。现如今，我们的太阳已经步入中年。人类又将如何应对亿万年后太阳的衰老？这仍需我们继续探索。希望那个时候人类已经移民到了宇宙深处，找到了一个又一个属于人类文明的新太阳。

书           名：上下百亿年

作           者：卢昌海

主    讲   人：圆的方块

主讲人简介：理工科博士，科普作者，科学松鼠会会员

主           播：刘波林

策 划  编 辑：陈艳

总    编    辑：徐苑