天文学让孩子懂得谦逊,养成科学精神

松鼠老孙
2014-12-26 看过
天文学让孩子懂得谦逊,养成科学精神 | 少年书房
2014-12-20 外滩教育
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《暗淡蓝点》是一本极具个性的天文学科普作品,作者卡尔·萨根是美国著名天文学家、物理学家,也是一位充满热情的科普及科幻作家(少年书房栏目曾推荐过他的科幻作品《接触》,回复“书房2”即可收看)。宇宙浩瀚,天文学可以让孩子懂得谦逊,心胸开阔,这也是很多美国高中开设天文学AP课程的原因。而除了介绍天文学知识,《暗淡蓝点》同时也是一本卡尔·萨根自传,以及有他参与的美国航天航空探索史。大概从20世纪50年代开始,年轻的卡尔·萨根就成为了美国航空航天局的顾问,参与了很多美国大型航空航天项目。本期少年书房,我们邀请天文学博士孙正凡为我们推荐卡尔·萨根所著《暗淡蓝点》,此为少年书房栏目第58篇。

文/孙正凡

目标:小行星、火星、冥王星、星际空间……这几年,太阳系探索的新消息不断出现在新闻里,这也许标志着又一轮太空探索高潮的到来。2013年11月9日,正值著名天文学家、科普作家、科学活动家卡尔·萨根诞辰80周年,他的著作《暗淡蓝点》也推出了纪念版,我们正好由此了解这位对太阳系探索做出巨大贡献,也终生关注人类命运的行星天文学家,以及他的宇宙情怀。

卡尔·萨根,目光穿越时空

卡尔·萨根,美国天文学家(1934—1996),出生在一个俄罗斯裔的犹太移民家庭。他在行星物理学领域取得了许多重要成就,包括建立了金星大气的温室模型,从而发现金星不像古人想象的那么美好,而是由于温室效应导致的“烈火地狱”,温度极高足以融化铅。他在生命起源、地外生命探索、美国的太阳系探测计划等多方面做出了重要贡献。

对于普通读者来说,更重要的是他是一位充满热情的科普作家,他和PBS电视台拍摄的系列电视科普节目《宇宙》是历史上最受欢迎的节目之一,在60多个国家里观众超过6亿人。他的多部科普作品《宇宙》(与电视节目同步发行)、《暗淡蓝点》、《伊甸园的飞龙》、《魔鬼出没的世界》等都是畅销科普书。

萨根的科普作品不仅仅关注科学知识的普及,更重要的对科学精神的讨论,对于科学和人类文化关系的思考。在《伊甸园的飞龙》《布鲁卡的脑》中,萨根结合当时生物学对大脑工作机制的研究,探讨了人类意识的运作方式,及科学思维这种认识世界的方式对人类认识自身和宇宙所产生的重大影响。

萨根还有一部科幻小说《接触》(Contact)被搬上荧幕,描写了一位女科学家执着地寻找外星文明的故事。女主角穿越到外星文明的世界进行了一次时间旅行,实现了人类和更高级智慧文明的“第一次握手”。女主角的一句台词“宇宙是如此之大——比我们任何人所能想象的都要大,如果其中只有我们一个文明,那太浪费空间了”成为科幻迷喜爱的经典表述。

卡尔·萨根不仅仅是“仰望星空”,也对现实社会倾注了关怀。他在气候变暖广为人知多年以前,就警告人们过度排放温室气体可能导致像金星那样灾难性的后果。

在核武器发明之后,美苏两国曾经多次处于核战争一处的险境。萨根用他的行星物理知识,论证了核战争只能导致全球生命毁灭的“核冬天”,他不停地发表公共讲座,到美国政府和军方,甚至到了莫斯科的苏共中央委员会,讲述“核冬天”没有赢家,只会毁灭我们所珍视的一切。萨根的不懈奔走对世界有核国家的政策产生了积极影响,也赢得了社会各界的敬意。

20世纪70年代之后,随着科学分工日益细密,科学家之间的竞争日益激烈,科学家群体把更多的注意力逐渐转向了行业内部,而忽视对公众的分享。美国的媒体版面上也重新被星座占卜、替代医学等各种迷信所占据,人们惊呼“科学被迷信打败了”。

卡尔·萨根对此洞若观火,他生前写出的最后一本书《魔鬼出没的世界——科学,照亮黑暗的蜡烛》,集中研究了在美国流行的形形色色的伪科学,指出为什么在科学家看来这些是伪科学,以及为什么人们会追捧这些伪科学。

他呼吁社会要重视科学的怀疑精神,更好地认识我们这个世界,不要被那些猎奇的迷信误导人们的求知欲望。今天看来,萨根的呼吁并没有过时,今天我们的科学更加发达,但各种以“心灵鸡汤”形式存在的迷信宣传比萨根所在时代也更变本加厉。重读萨根,既能让我们学习到科学知识,也让我们体会科学地认识我们所处的世界和我们自身是何等之不易。

美国《每日新闻》曾这样评论萨根:“他有三只眼睛。一只眼睛探索星空,一只眼睛探索历史,第三只眼睛,也就是他的思维,探索现实社会。”萨根的目光穿越了时空的限制,至今仍指引我们前进的道路。

暗淡蓝点,天文学家对地球和人类的爱



《暗淡蓝点》这本书是在20年前,卡尔·萨根60岁时出版的,两年后他就去世了。所以这本书也可以说是萨根为自己撰写的一部科学自传,既反映了他的在行星探索方面的科学工作成就,也记述他对于宇宙探索、环境保护、人类文化的思考,体现他的宇宙情怀。

尽管20年过去了,但这部具有强烈个性的科普著作却一点儿也没有过时,因为萨根记录的是我们认识太阳系的历史,其中的科学知识和探索历程,历久弥新。

萨根带领我们从“地球”本身开始思考。在人类思想史和天文学历史上,曾经长期以为人类和地球具有极其特殊的地位,所以“地心说”的地位曾经非常稳固,从古希腊一直持续到17世纪初。只是在哥白尼提出日心说才确定了地球是太阳系里的一颗普通的行星,开普勒发现了行星运动三定律和伽利略发现了木星卫星、牛顿发现了万有引力,从而最终证实了哥白尼的行星猜想。

后来的科学发展证实,太阳只是银河系外围一颗普通恒星,银河系也十分普通,仅仅是几千亿个星系之一,人类也只是生物界进化出来的成员。萨根高度评价这些科学发现,认为这样的认识转换应该让我们认识到,人类应该谦逊。为了进一步显示地球在宇宙中的位置,在萨根的建议下,已经到达太阳系边缘的“旅行者1号”飞船在1990年2月14日回望地球,拍摄了一副地球的太空照片。

在这幅照片中,地球看起来只有两三个像素大小。由于镜头几乎正对着太阳,支架反射的一缕光线正好笼罩住这个光点。萨根称这幅地球影像为“暗淡蓝点”,它让我们看清了地球其实只是浩瀚宇宙中的一个毫不起眼的小不点。本书的书名即来源于此。


图说:旅行者1号拍摄的“暗淡蓝点”,地球只有两三个像素。

萨根在书中说:

再看看那个光点,它就在这里。那是我们的家园,我们的一切。你所爱的每一个人,你认识的每一个人,你听说过的每一个人,曾经有过的每一个人,都在它上面度过他们的一生。

我们的欢乐与痛苦聚集在一起,数以千计的自以为是的宗教、意识形态和经济学说,所有的猎人与强盗、英雄与懦夫、文明的缔造者与毁灭者、国王与农夫、年轻的情侣、母亲与父亲、满怀希望的孩子、发明家和探险家、德高望重的教师、腐败的政客、超级明星、最高领袖、人类历史上的每一个圣人与罪犯,都住在这里——一粒悬浮在阳光中的微尘。

在浩瀚的宇宙剧场里,地球只是一个极小的舞台。……地球是目前已知存在生命的惟一世界。至少在不远的将来,人类无法迁居到别的地方。访问是可以办到的,定居还不可能。不管你是否喜欢,就目前来说,地球还是我们生存的地方。

有人说过,天文学令人感到谦卑并能培养个性。除了这张从远处拍摄我们这个微小世界的照片,大概没有别的更好办法可以揭示人类妄自尊大是何等愚蠢。对我来说,这强调说明我们有责任更友好地相处,并且要保护和珍惜这个淡蓝色的光点——这是我们迄今所知的惟一家园。


2013年,围绕土星运行的卡西尼号探测器,利用在土星背后(土星遮挡住了太阳)的机会,再次拍摄的一副“暗淡蓝点”的照片,向伟大的行星物理学家卡尔·萨根致敬

太阳系探索,发现新世界

早在20世纪50年代,年轻的卡尔·萨根就成为了美国航空航天局的顾问,深入参与了美国的太空科学计划。后来萨根任了美国天文学会行星科学学会主席,曾荣获美国航空航天局的特别科学成就奖,两次获得公共服务奖和航空航天局颁发的阿波罗成就奖。作为行星物理学家,萨根在《暗淡蓝点》中记录下了充满了新发现、激动人心的太空探索的“地理大发现”时代。

20世纪60年代,美国航空航天局喷气推动实验室制定了雄心勃勃的探测太阳系的“水手计划”(Mariner program),对近邻行星展开近距离观测。水手号探测器是在徘徊者月球登陆探测器基础上改进而来的共发射了8艘探测器,对火星、金星、水星进行了成功的探测。60年代中期,根据从地球上获得的金星射电波谱和“水手2号”的探测,萨根建立的金星的大气模型,推断出金星表面比地球高出400摄氏度,可谓灼热无比,而且那里是一个令人窒息、阴云密布的世界。“水手计划”进一步的观测证实了萨根的理论推演结果。


“水手计划”探测卫星

在制定太阳系远处的气体巨行星(木星、土星、天王星、海王星)以及冥王星的观测计划时,美国航空航天局遇到了困难:即使用当时威力最大的大力神3号-半人马座火箭,也要花相当长的时间:到天王星需要16年,到海王星需要30年!漫长的时间足以让任何组织放弃这样的计划。

幸运的是,1965年当分析专家盖瑞•弗兰德罗(Gary Flandro)进行木星任务研究时发现,这几颗大行星将进入一个罕见排列结构。借助引力弹弓技术,探测器飞行经过太阳系所有的大行星只需要9年!所谓引力弹弓,就是探测器进入行星引力场时,借助行星公转而加速(也可以减速),更快地飞向下一颗行星。这种排列176年才会出现一次,最近的发射日期就在12年后,机会实在太难得了。

由此,美国航空航天局制定了两个飞出太阳系观测计划。一项是由埃姆斯研究中心(Ames Research Center)用先驱者10号、11号作为先导,验证引力弹弓计划的可行性,以及太空环境对航天器的威胁程度。先驱者10号、11号于1972年、1973年发射。另一项是旅行者1号和旅行者2号,分别按照木星—土星—冥王星、木星—天王星—海王星的路线上前往外太阳系,它们于1977年升空。

在发射这些航天器之前,卡尔·萨根等天文学家只能通过地面望远镜观察遥远的行星和卫星,在目镜中它们只是模糊的圆面和光点,要猜测它们的性质和面目非常困难。虽然信息严重不足,但萨根在行星物理学方面还是做出了杰出的成就,比如土卫六上可能存在有机物的分析。但更多新奇的景象,还是要等待航天器“亲眼目睹”才能告知地球上的天文学家。

萨根称旅行者1号和2号是“为人类敞开太阳系,并为子孙后代开辟新途径的两艘飞船”,作为最早踏上外太阳系之旅的航天器,它们为人类认识外行星做出了重要的贡献。它们发现了土星、木星周围数量众多的卫星,揭示了行星和卫星成分、形态、光环、磁场等许多难以想象的性质。我们在科学课本、科普图书上所见到的许多壮丽的画面,就是这些无人探测器历尽艰险传递回来的。

就在2013年9月,美国航空航天局宣布,充分利用引力弹弓技术而成为奔向太阳系赛跑第一名的旅行者1号,已经进入到了太阳风影响范围之外的恒星际空间。此时旅行者1号已经飞行了36年,距离地球190亿千米,信号到达地球也得17小时之久。旅行者1号、2号,都是以3块放射性同位素热电机作为动力来源,发电机已经大大超出了起先的设计寿命,一般认为在大约2020年之前仍可提供足够电力令航天器能够继续与地球联系。

太阳系外行星探索,我们是唯一的吗?

有意思的是,1990年,卡尔·萨根和他的同事们利用“伽利略号”探测器飞向木星之前两次掠过地球附近进行引力弹弓加速的机会,把地球作为“未知行星”,进行了一番观测。当时伽利略掠过地球时高度只有950千米,天文学家们指挥“伽利略号”对地球进行了拍摄,收集图像和光谱,从外星人视角利用这些资料来分析地球这颗行星的基本情况。这对于具有什么条件的行星才可能适合生命的产生和繁衍这个问题打开了新的思路。

在卡尔·萨根写作《暗淡蓝点》的时候,对太阳系外行星的探测才刚刚开始,天文学家观测到一些邻近恒星周围有绕它们旋转的气体和尘埃薄盘。

萨根记录下了人类发现的第一批太阳系外行星,那是在一颗脉冲星B1257+12周围偶然地发现的至少三颗行星,分别为地球质量的15%、3.4倍和2.8倍,而且离脉冲星很近。脉冲星,即中子星密度极大,旋转迅速,周围有着强烈的磁场和辐射,这也意味着它周围根本不具备生命形成的条件。这个偶然性也暗示,在宇宙中恒星数目虽然众多,但可供智慧生命居住的选择恐怕并不多。

在此之前,天文学家建立的行星系统模型都是以太阳系为唯一样本的。进入20世纪以来,随着多种探测器已经上天搜寻系外行星,至今已经找到约2000个行星。天文学家发现行星系统非常复杂,有的行星质量比木星还大,离它所在恒星距离却比水星还近,成为炽热的“热木星”。

在这些行星中,其中像地球这样大小、与恒星位置合适,可能适宜生命繁衍的,还不到百分之一。更不要说,现有的望远镜技术暂时还无法精确分析它们的大气成分,更不了其地貌情况,这要等待下一代望远镜才能实现。我们的地球家园不仅仅是“暗淡蓝点”,还可能是极其罕见的生命乐园。

外星人,你好

人类进入科学时代以来,尤其是航天时代以来,关于外星人、UFO的各种想象就层出不穷,许多人设想出各种各样的外星人形象和“第N类接触”。卡尔·萨根是存在外星智慧生命假说的热情拥护者,但作为科学家,他从来不肯轻信各种模糊的证据,而是坚持科学标准,揭露各种打着“外星人”旗号的伪科学。

他常使用了一条怀疑论的标准,这条标准常常与他的名字联系在一起,那就是:“非同寻常的主张,需要非同寻常的证据。”在反对伪科学方面,卡尔·萨根标准等于是科学精神的代名词。

萨根不但不反对,而且热情支持对地外文明的探索。他曾经设计过探测火星等行星和卫星是否存在生命迹象的科学实验,也支持过SETI(搜寻地外智慧生物项目)接受地外无线电信号以检查智慧生命信息。他的科幻经典《接触》就是以SETI项目为背景展开的。

值得一提的是,卡尔·萨根也不失时机地利用他参与的航天项目向“外星人”发出来自地球的问候。在先驱者10号、11号上,携带着萨根设计的“地球名片”。这张名片很多人都熟悉,上面描绘宇宙中最轻元素氢原子的量子基态、根据脉冲星定位的太阳系方位、地球在太阳系中的位置、地球男女性的形象,以及探测器本身和地球男女身高的一般比例。

旅行者1号、2号则携带了萨根牵头组织的委员会设计的“地球唱片”,在一张铜质磁盘唱片里包括用55种人类语言录制的问候语和各类音乐(包括中国古曲《流水》),旨在向“外星人”表达人类的问候。

时任美国总统卡特的问候是:“这是一份来自一个遥远的小小世界的礼物。上面记载着我们的声音、我们的科学、我们的影像、我们的音乐、我们的思想和感情。我们正努力活过我们的时代,进入你们的时代。”这2种4份地球名片,是地球人类送给外星文明的“外交名片”,已经进入宇宙深处,也许几万年之后,他们会收到吧。


旅行者号携带的金唱片

萨根的科学精神激励了一代又一代年轻人投入科学事业。在互联网上相当有名气的天文学家菲尔·普雷特(Phil Plait)说:“萨根非常明确地指出,我们不需要把宇宙当做一个超自然的创造物来对其进行探索,仅仅是对它进行自然探索,就已经足够了。”

他开设了一个名为“糟糕天文学”的网站,专门揭露天文领域的伪科学。萨根的妻子德鲁彦说,萨根把原教旨主义、迷信和民族主义视为人类进化史上残留下来的东西,它们是人类发展的前科学时代的遗迹。“他相信科学方法会提供希望,让这些毁灭性的倾向变得不再神秘,剥去它们的仪式和神话的外衣,让人们看清它们的真面目。”

萨根认为,我们人类就是宇宙的一部分,代表了宇宙理解自身的一种方式,因此“我们应该忠于整个人类物种和地球。我们为地球呼吁。让我们生存下去,不仅仅是对我们自己的义务,也是对这个古老而广阔,孕育了我们的宇宙的义务。”
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暗淡蓝点 暗淡蓝点 9.0分

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