《上下百亿年：太阳的故事》 王海解读
《上下百亿年：太阳的故事》| 王海解读
关于作者
卢昌海，科普作家，哥伦比亚大学物理学博士，著有《黎曼猜想漫谈》《从奇点到虫洞》《寻找太阳系的疆界》等书，曾获得第七届吴大猷科学普及著作原创类金签奖。
关于本书
《上下百亿年：太阳的故事》几乎涵盖了所有关于太阳的基础科普知识，以及科学家对太阳持之以恒的研究和探索。
核心内容
一、从地心说到日心说：不管是多么完美的理论模型，都必须要向观测事实妥协。二、对日食的认知迭代：我这里数字对不上，你那里必定有别的东西。三、光谱的发现：不存在“天贵地贱”的说法，整个宇宙都是由同样物质构成的。
你好，欢迎每天听本书。这期音频为你解读的书是《上下百亿年：太阳的故事》，大约有14万字，我会用大概27分钟的时间，为你讲述人类对太阳的研究故事，以及这些故事背后的科学思维。
说到天文学，大部分人首先想到的是夜晚的满天繁星，但事实上，咱们能看到的最显眼的天文现象是在白天，就是咱们熟悉的太阳。太阳太平常了，几乎每天都能看到，以至于咱们在谈论天文的时候常常忽略它。这期音频要说的这本《上下百亿年：太阳的故事》，就是聚焦太阳，讲述了关于太阳的科学故事。
《上下百亿年：太阳的故事》是一本天文学的科普书，也是一本关于太阳的科学史著作。这本书一共有十四章，每个章节都比较独立，分别讲述了十四个关于太阳的研究故事。这期音频我会重点为你解读这本书的第三、第四和第六章。为什么挑选这三章来解读？因为这三章的内容不仅仅讲述了科学知识，还讲述了科学思维，是全书的重点。对于咱们普通人来说，了解科学的思考方式比了解具体的科学知识更重要。另外，本书还有几章是推算太阳的大小、质量和温度等等数据的内容，这部分涉及到很多计算，如果你对数字感兴趣，可以自己找书来读。
了解了这本书的概况，咱们再来看看作者。这本书的作者叫卢昌海，是一位很优秀的科普作家，获得了哥伦比亚大学物理学博士学位。他发表过很多科普文章，写过十几本科普书，获得过科普领域非常重要的奖项，到现在还是笔耕不辍，在持续地输出作品。卢昌海的科普书主要集中在天文学和数学领域，他写过两本书名有“太阳”的书，第一本叫《寻找太阳系的疆界》，主要介绍的是人类探索太阳系疆界的历史；第二本就是这期音频要说的《上下百亿年：太阳的故事》，几乎涵盖了所有关于太阳的基础科普知识，以及科学家对太阳持之以恒的研究和探索。
了解了这本书和作者的基本概况，下面我会分三部分来给你解读这本书的内容，每个部分咱们说一个太阳的故事，以及这个故事包含的科学思维。第一部分，咱们说的是从地心说到日心说的发展过程。这部分要说的科学思维是，不管是多么完美的理论模型，都必须要向观测事实妥协。第二部分来看看人们对日食的认知过程，这部分咱们要得到的科学思维是实证精神。第三部分说的是光谱，这部分你要了解的科学思维是，不存在“天贵地贱”的说法，整个宇宙都是由同样的物质构成的。
咱们开始第一部分，从地心说到日心说。一般情况下，一说起地心说和日心说，我们通常会想到托勒密、哥白尼这几个名字，事实上，从地心说发展到日心说是一个漫长复杂的认知过程，涉及到很多科学家。从这个认识过程中，咱们会得到一个科学思维：不管是多么完美的理论模型，都必须要向观测事实妥协。
先来讲故事。人类很早就发现天上的星星不是静止不动的，在古代，人们认为所有星星都在一个以地球为中心的天球上，围绕着地球进行运动。但只要观察的时间拉长，人们就会发现事情没那么简单，尤其是行星逆行的现象，天球模型无法解释。也许有人会说，那行星就是一会儿倒转，一会儿正转不行吗？这可不行，从古希腊到17世纪之前，人们对天体运动的描述一直遵循着两个标准，第一是天球必须是球形，第二是天体的运动必须是均匀的。如果一个解释系统不符合这两个标准，那就不能算是解释，最起码，不是一个完美的解释。天球必须完美，但行星却乱转个不停，很让人伤脑筋。古希腊的哲学家柏拉图就留下过一个问题，说：怎么才能用均匀有序的运动，描述看起来不规则的行星运动呢？对于这个问题的认识，人类经过了漫长的演化，咱们慢慢来说。
首先提出解决方案的人，是柏拉图的学生欧多克斯，他认为天球肯定不止一个，每个行星都会受到多个同心天球的影响。这是一种什么场景呢？就是一个天球内部有很多层球嵌套在一起，它们的圆心都是地球，但每层球的转动速度不一样，有的快有的慢，但各自的运行却是均匀的。欧多克斯用了27个天球，终于对很多天体的运动进行了粗略的描述，包括行星逆行的现象。但好景不长，很快人们发现，行星的亮度并不是恒定的，也就是说，行星和地球的距离不是恒定的，时远时近，欧多克斯的同心天球模型并不能解释这种现象。怎么办？
这时候另一位古希腊先贤跳出来了，他就是以研究圆锥曲线著称的阿波罗尼斯。他认为，太阳、月亮及五大行星各自围绕着一个叫“本轮”的东西做匀速圆周运动，而本轮的中心，是围绕着一个以地球为中心的“均轮”做匀速运动。这个模型不仅可以解释行星逆行的变化，还可以解释行星和地球距离的变化。本轮、均轮的说法在今天来看很荒谬，但作者认为，它标志着实证精神的萌芽。这个模型里的本轮，是第一个不以地球为中心的东西，相比极端的地心说模型，本轮-均轮模型已经是一种挑战和偏离了。这种偏离，是在纯粹观念和观测现实之间的一种妥协，不管是多么完美的理论模型都必须要向观测事实妥协，这一点点进步看起来似乎不起眼，但却是实证精神的萌芽，是科学的萌芽。
为了拟合观测到的现实，本轮-均轮模型加入了越来越多的轮子，但人们很快发现，有些问题不是靠添加轮子就能解决的，比如行星逆行的幅度时大时小，就没办法靠添轮子来解释。怎么办？
这下要托勒密登场了，他是地心说的集大成者。托勒密决定再次让观念向事实做出妥协，而且是重大妥协，他放弃了“均轮的中心是地球”和“均轮匀速转动”这两个观念，引进了“偏心等距点”的概念。这个理论模型对行星逆行幅度时大时小的现象，做出了一定程度的解释。作者说，现在很多人都把托勒密和地心说联系在一起，认为托勒密就是老顽固、保守派的代言人，但事实上，托勒密是一位伟大的天文学家。他的伟大，不仅仅在于修正了地心说的理论模型，而是他具备的科学思维。在那个重理念、轻实践的时代里，他明确提出，理论必须符合观测，不管是多么完美的理论模型，都必须要向观测事实妥协。他的地心说模型的确也做到了这一点，精度极高，甚至1400年以后的日心说模型，也没办法轻易超越。
在托勒密之后的一千多年里，地心说模型成为了天体运动的主流模型。但地心说毕竟还不是完美的，它也存在很多问题。对于这些问题，很早就有人在探索了，其中最早的甚至在托勒密之前。
古希腊的另一位先贤，阿里斯塔克斯，曾经测量出太阳的体积比地球大300多倍。这里需要说一下，这和现代测量的数据差很多，现在人们知道太阳的体积是地球的130万倍。但不管测量的准不准，“太阳比地球大很多”的这个事实，当时人们已经知道了。那这个结果就很有意思了，你想，地心说的产生，很大程度上是因为人们的直觉，人们在地球上看到的天体都很小，小东西围绕大东西转，这几乎是天经地义的，但人们突然发现，太阳其实比地球大很多，这就很不符合直觉了，比地球大300倍的太阳有什么理由围绕地球转呢？所以阿里斯塔克斯最早就提出了日心说，但在当时并没有引起什么反响。
日心说在当时没引起反响，除了因为它还不能解释很多问题之外。还有一个观念上的原因。作者认为，当时“天贵地贱”是主流观念，人们普遍认为天上的星星是永恒完美的，地上的一切是腐朽卑微的，所以，天上地下不论在外观上还是质料上都截然不同，如果日心说成立，那卑微的地球岂不也要变成永恒完美的行星？这怎么可能？这种认识在今天看来不可理喻，但在当时确实是主流认知，很难撼动。对天贵地贱观念最大的冲击，是人们发现光谱之后，关于光谱的内容咱们在后边还要详细说到，现在暂且按下不表。
继续说回日心说。虽然阿里斯塔克斯的日心说没能引起人们的注意，但随着时间推移，地心说也暴露出了很多问题。就比如随着航海业的兴起，对日历和定位的精度要求越来越高，地心说的精度有点跟不上人们的需求了。在这种背景下，哥白尼终于要登场了。哥白尼虽然不是最早提出日心说的人，但他却是第一个把日心说从观念假说变成定量模型的人。在哥白尼的日心说里，太阳变成了中心，地球变成了行星，一边自转，一边和其他行星一样围绕着太阳公转。这个学说发表之后，启发了意大利科学家伽利略。
伽利略给日心说找到了强有力的证据。他的行为让教会很生气，但教会的干预最终也不能阻止科学的进步。日心说从一种计算工具，逐渐被证实。面对这种无法逆转的局面，教会的态度也有了变化，开始承认日心说。日心说和地心说的争论刚结束不久，“太阳是宇宙的中心”这种认识，也很快遭到了质疑。比如意大利哲学家布鲁诺就认为，太阳只不过是宇宙里的无数星星之一，没什么特别的。本书作者认为，思想禁忌一旦被打破，新的想法就会源源不断。日心说的胜利，是一次思想的解放，它给未来的科学发展奠定了基础。
以上就是第一部分内容，咱们回顾了从地心说到日心说的转变历程。本轮-均轮模型的提出，标志着实证主义、科学精神的萌芽。从地心说到日心说的流变过程，咱们能得到的科学思维是：观念必须符合事实，不管是多么完美的理论模型，都必须要向观测事实妥协。
下面咱们再来看第二部分：科学家对日食的认知过程。这部分要得到的科学思维是：实证精神。用万维钢老师的话来说，就是我这里数字对不上，你那里必定有别的东西。
还是先来讲故事。虽然咱们现在知道太阳不过是宇宙里无数恒星里的一个，但对于人类来说却是独一无二的，它是光和热的源泉，在任何一个晴朗的白天，如果它出现一点点的残缺，或者消失几分钟，那都是非同小可的事情。现在人们如果看到日食，多半是惊喜大过恐惧，但在古代，日食出现可不是什么轻松的事情。当时人们想了很多解释日食的办法，比如咱们最熟悉的“天狗吃太阳”，为了阻止天狗的暴行，当时的人们就敲锣打鼓、鸣金放炮，希望能驱赶天狗，让太阳重现。
现在我们都知道，日食只不过是月球转到了地球和太阳的中间，挡住了阳光而已，但问题肯定没有这么简单。因为如果是这样，月球大概每个月会绕地球一圈，日食应该每个月发生一次，每个世纪发生一千两百多次才对呀，但事实上，20世纪一共只发生过228次日食，明显少于一千两百多次，这是为什么呢？
答案是，被地球漏掉了。为什么会漏掉？因为地球和月球的公转轨道并不在一个平面上，它有一个5.14度的夹角，所以，即便月球位于地球和太阳中间，也可能偏上或者偏下，这样它挡住阳光形成的影子就不会出现在地球上，就不会出现日食。所以说，出现日食要有两个条件，第一是月球出现在地球和太阳中间，第二是它们的公转轨道刚好在一个平面上。由于月球公转轨道和地球公转轨道平面的交点只有两个，所以，只有月球运动在地球和太阳之间，并且在这两个交点之一附近，才会出现日食。在天文学上，这两个点被称为升交点和降交点，这两点的连线叫做交点线。如果用天文学的术语，你可以这样形容日食的形成：月球运动到地球和太阳之间，并且交点线与太阳方向几乎重合。
好，如果是这样的话，日食似乎应该是每年只发生两次，一个世纪应该是200次，但前面我们也说了，20世纪一共发生了228次日食，多出来的那28次是哪儿来的呢？
在科学家的眼里，只要我这里数字对不上，你那里必定有别的东西。经过进一步的研究发现，多出来的这28次，是因为月球的公转轨道并不是固定不变的。月球受到太阳引力的影响，会导致交点线缓慢地转动，转动的方向和地球公转的方向是相反的，周期大概是18.61年，这种现象在天文学上叫交点的退行。由于有交点的退行，每次出现日食就不是通常意义上的半年182.5天，而是173.3天，两次这样的间隔相加就是346.6天，这样一个周期在天文学上叫食年。由于食年只有年的95%左右，这么推算下来，每个世纪的日食次数应该是210次左右，这比刚才推算出来的200次就又近了一步，但仍然比实际次数还是差18天。只要我这里数字对不上，你那里必定有别的东西，看来还是有被我们忽略的日食。
是哪里被忽略了呢？前面咱们说过，日食就是月球运动到地球和太阳之间，并且交点线与太阳方向几乎重合。注意这里用了一个词，“几乎重合”，为什么不是完全重合呢？这主要是因为地球是一个庞然大物，月球即使偏离交点，只要不是偏得太厉害，它的影子还是能投射在地球上的，还是能形成日食。这个被允许偏离的范围，对应的时间大概是37天，天文学上叫食季。在一个食季中，至少会发生一次日食，运气好的话，可能会出现两次，所以，每个世纪的日食数，要比食季本身的数量略多，多出来的18天就是从这儿来的。
经过这么复杂的推演，人们终于掌握了日食的规律。从对日食规律的探索上，我们可以看到实证精神的进一步展示，科学家们相信，我这里数字对不上，你那里必定有别的东西。
得到订阅专栏《万维钢・精英日课》有一篇文章讲到暗物质，万维钢老师说，暗物质完全是物理学家因为数字对不上，而认为必须存在的一种东西，但是我们至今对暗物质还没有任何直接的观测。其实，在物理学史上这是司空见惯的局面。比如说十九世纪的时候，有人测量太阳光到达地球的能量，就发现太阳每时每刻产生的能量是非常巨大的，那太阳的能量来自哪里呢？太阳上到底要烧什么东西，才能产生这么大的能量呢？当时的人还不知道核反应，甚至有人提出非常可笑的猜测，说太阳上烧的是煤。但这个精神是一样的：我这里数字对不上，你那里必定有别的东西。
以上就是第二部分，我们说的是日食。人们从最早用神话故事来解释日食，后面认识到日食的出现是因为月亮挡在了地球和太阳之间，最后又掌握了日食的规律。人类探索日食规律的过程被一种科学思维所驱动，这个科学思维就是：我这里数字对不上，你那里必定有别的东西。
下面咱们来说第三部分，光谱。这部分要得到的科学思维是：不存在天贵地贱的说法，整个宇宙都是由一样的物质构成的。
还是先来说故事。前面咱们说了从地心说到日心说、日食的规律，分析这些问题的时候大多用的都是几何手段，在第三部分，咱们用物理手段来研究研究太阳。从几何手段向物理手段的过渡，和天文学自身发展的脉络基本上是一致的。历史上，人们对天文学的研究，首先是从研究天体运动的几何规律来入手的，而天体物理，也就是用物理手段来研究天文，要晚很多才出现。
用物理手段怎么研究太阳呢？它离我们那么远，本身又太热，我们不可能像研究地球一样，去太阳上钻个孔，采集一些样本去研究太阳。不过，太阳也不是没给人类任何线索，阳光也是一个突破口。怎么通过阳光来研究太阳的呢？
说到这个问题，就要从牛顿开始说起了。牛顿通过三棱镜实验，发现了阳光是由不同颜色的单色光组成的，也就是所谓的色散现象。牛顿的这个发现，可以算是最原始的光谱分析，在光的探索上迈出了重要的一步。但就从了解太阳的角度上来说，牛顿看到的光谱有一个大问题，那就是它不仅可以在阳光中看到，在其他白色或接近白色的光源里也能看到，所以说，牛顿发现的光谱并不能给我们太阳的专属信息。
到19世纪初，英国化学家沃拉斯顿改进了牛顿的实验，结果发现，在彩色光谱里存在几条很细的暗线。这些暗线是什么？沃拉斯顿猜测这些暗线是不同颜色之间的分界线。这个猜测在当时是合理的，因为他发现的暗线也就那么几条，人们描述光谱的颜色也就那么几种，所以猜测两者之间存在某种匹配也是可以理解的。但万万没想到，这些暗线不过是冰山一角。
下一个要登场的是夫琅禾费，他出生在一个光学仪器世家。1814年，夫琅禾费发明了光谱仪，这种仪器的核心还是三棱镜，但是相比牛顿时代，分辨率已经有很大的提升了。和沃拉斯顿一样，夫琅禾费在阳光里也看到了暗线，但他的仪器更精密，夫琅禾费看到了几百条暗线。但这些暗线到底是什么？最开始夫琅禾费怀疑是自己的仪器有问题，他就对这种可能性进行了验证，他用仪器观察其他光源，发现其他光源并没有出现一样的暗线，这也就证明了暗线是阳光本身的特征。这些暗线虽然乍一看挺复杂，但其实每一条都是有固定位置的，夫琅禾费对它们都进行了编号，但他还是不知道这些暗线究竟代表了什么。
到了1859年，揭秘的日子终于来了。两位德国人在这个问题上有了突破，这两个人分别是化学家本生和物理学家基尔霍夫。当时本生正在研究化学元素加热后发射出来的光谱。元素不同，它发出的亮线位置也不同，本生打算用这个特征来作为认证化学元素的新手段，但难在他用来观察光谱的设备精度太低，这时候基尔霍夫给他推荐了光谱仪。鸟枪换炮之后，本生和基尔霍夫两个人很快证实了每种化学元素都有自己独特的光谱，就像每个人的指纹一样。
这和太阳光谱里的暗线有什么关系呢？基尔霍夫在研究中还有一项重要的发现，亮线源于光的发射，也叫发射光谱，暗线源于光的吸收，也叫吸收光谱。这个发现让基尔霍夫意识到，太阳光谱里那些成百上千的暗线，就是太阳上的吸收光谱。既然吸收光谱和发射光谱是相对应的，那我们只要把暗线和已知元素的发射光谱做对比，就能分析出太阳上的元素。也就是说，根据这个发现，人们可以像认识地球一样，认识太阳是由什么组成的，其实还不仅是太阳，所有发光的星星，人们都可以通过分析光谱的方法来知道它们的组成元素，这真是让人激动。
科学家们经过对太阳光谱的分析，发现太阳是一个巨大的氢气球，在太阳的总质量里占了71%，还发现了一种新元素，氦，占太阳总质量的27.1%。不过，氦虽然是在太阳上发现的，但它作为太阳元素的高贵身份很快就掉价了，因为没过多久，在地球上也发现了氦元素。利用基尔霍夫的发现，科学家们很快就在太阳的光谱里分析出了大量和地球上相同的元素。前边咱们说到了一个人们古已有之的观念，那就是天贵地贱，当时人们普遍认为天体是高贵的，但光谱的发现是对这种观念的再一次打击。
万维钢老师以前解读过一本书，叫《给忙碌者的天体物理学》。这本书里说到，经过对太阳光谱的分析，人们发现，原来太阳里的各种元素基本都是地球上也有的，这是人类第一次知道原来构成太阳的物质不是什么神秘东西，就是我们地球上也能找得到的普通元素。你再分析分析那些发光星星的光谱，结果也都是一些寻常元素。这是一个非常了不起的发现，当时人类从来没离开过地球，但人们知道了别处的物质跟我们这儿并没有什么不同，未来如果真有外星人造访地球，它们乘坐的飞碟应该也是用普通元素造成的。
以上就是第三部分内容，咱们从牛顿发现色散现象，说到了沃拉斯顿发现了阳光中的暗线，夫琅禾费发明了光谱仪，发现了更多的暗线，并给这些暗线进行了编号，最后本生和基尔霍夫发现了光谱，借助这个工具分析出太阳的组成元素。光谱的发现，不仅帮助人们认识到了太阳，也是整个天体物理学的开端。光谱分析，彻底颠覆了人们天贵地贱的观念，整个宇宙都是由普通元素构成的，并没有什么不同。
说到这，这本《上下百亿年：太阳的故事》就给你讲完了，咱们来回顾一下。咱们一共分三部分，讲述了三个太阳的故事，三个科学思维。
第一部分说的是从地心说到日心说，天体运动模型的迭代更新，不是因为科学家们闲着没事干，而是因为旧的理论模型和观测到的现实不相符。从托勒密开始，科学家们就认识到，不管是多么完美的理论模型，都必须要向观测事实妥协。这种思维上的革命，为日后的科学发展奠定了基础。
第二部分说的是日食，咱们说到了实证精神。在科学家眼里，我这里数字对不上，你那里必定有别的东西。人类早已经开始对日食进行解释，从最早的神话故事，到认识到日食的本质，最后掌握日食的发生规律，这个认识过程是实证精神的体现。
最后一部分说的是光谱。通过光谱来分析太阳，发现太阳不过也是寻常元素构成的，不存在天贵地贱的说法。光谱是一个了不起的发现，它让人们知道了，宇宙中的星辰大海跟我们这儿并没有什么不同。光谱的发现，不仅让我们对太阳的了解更深了一层，还开创了整个天体物理学。
撰稿：王海 脑图：摩西 转述：江宁