2009年12月30日下午，我給Starryguo打電話，才得知他已于當(dāng)天上午7點喜獲一女，這個松鼠寶寶還真會挑時間，趕著送給她那位天文愛好者老爸送一份2009年最具份量的禮物。
2009是生物學(xué)家和天文學(xué)家的狂歡之年。達(dá)爾文誕生200周年、《物種起源》發(fā)表150周年、還有伽利略開創(chuàng)望遠(yuǎn)鏡天文學(xué)400周年紀(jì)念從年初繼續(xù)到年尾。
不過，生物學(xué)和天文學(xué)的“瓜葛”，從400年前就開始了。達(dá)爾文賴以觀測生物微觀結(jié)構(gòu)的顯微鏡，最初就是伽利略發(fā)明的；400年后的今天，天文學(xué)家又告訴我們，其實生命，包括我們自己，也都是星星的孩子。
（圖說：恒星的演化提供了生命的物質(zhì)基礎(chǔ)）
1. 19世紀(jì)關(guān)于太陽發(fā)光的討論
在遙遠(yuǎn)的古代，太陽就被封為威力巨大的神靈，直到今天，幼兒園的小朋友都會念“萬物生長靠太陽”。不過，科學(xué)地認(rèn)識太陽的本質(zhì)，卻是晚近才發(fā)生的事情。
1833年，由音樂家轉(zhuǎn)行的天文學(xué)家赫歇爾（Herschel，他發(fā)現(xiàn)了天王星）在他的著作《天文學(xué)》（Treatise on Astronomy）中熱情洋溢地表達(dá)了這個觀點：
“陽光是地球表面幾乎所有運動的最終根源。陽光帶來的熱量產(chǎn)生了風(fēng)，由于陽光的“生氣”，無機物轉(zhuǎn)變成了植物，并進一步支持動物和人類的活動；在煤層中，陽光的動能效率沉積下來又能夠為人類所用。”
歌頌歸歌頌，對于陽光從哪里來，與赫歇爾同時代的科學(xué)家們始終不能肯定。追問太陽如何發(fā)光，其實也就是問太陽的年齡是多少，這兩個問題其實是同一個。這個問題的難度，在于人們很難解釋太陽發(fā)出的巨大能量。在一個平常的夏日，把邊長為1厘米的冰塊放在陽光下，大約40分鐘就可以完全融化（這里是粗略的估算），讓我們假想一下，假如有一個厚度為1厘米，半徑為1.5億公里（地球到太陽的距離）的冰殼，包裹在太陽周圍，這個龐然大物也將在40分鐘內(nèi)瓦解冰消。什么樣的物理機制能夠散發(fā)如如此之多的熱量？
19世紀(jì)的物理學(xué)家們最熟悉的，也是宏觀上最常見的力就是偉大的牛頓爵士提出的引力作用。1855年德國柯尼斯堡大學(xué)的生理學(xué)教授亥姆霍茲（Helmholtz）在一次頗有影響的演講中，提出太陽輻射的巨大能源來自巨大質(zhì)量的引力收縮，引力能轉(zhuǎn)化為熱能，然后導(dǎo)致太陽發(fā)光。
物理學(xué)家們很清楚，要想發(fā)光，就必須為太陽提供能源，這是19世紀(jì)熱力學(xué)家們的共識，根據(jù)開爾文勛爵提出的熱力學(xué)第二定律，熱量會自發(fā)地從熱的物體流向冷的物體，很顯然，如果沒有外來的能源供應(yīng)，太陽、地球都會逐漸冷卻，生命就無法繼續(xù)在地球上生存。開爾文勛爵是熱力學(xué)的主要奠基人之一，他的觀點在科學(xué)界擁有舉足輕重的地位。
與物理學(xué)家們關(guān)心太陽發(fā)光機制有所不同的是，生物學(xué)家和地理學(xué)家們關(guān)心的是太陽光的效應(yīng)，他們所擅長的，是從各種生物、地理現(xiàn)象出發(fā)，推算這些現(xiàn)象所持續(xù)的時間，也就是地球以及太陽的年齡。
1859年，達(dá)爾文在他發(fā)表的《物種起源》第一版中對地球的年齡做了一個粗略的估算，他估算了一下由于腐蝕作用，要多長時間才能形成英格蘭的威爾德峽谷（Weald），他算出的威爾德峽谷的“剝蝕時間”大約是3億年，顯然在這3億年里，足以在地球上產(chǎn)生名目繁多的物種。正如赫歇爾說的，陽光是生命和地理現(xiàn)象進化的動力，達(dá)爾文估算為地球的年齡，也為太陽的年齡提供了一個下限。
不過達(dá)爾文的自然選擇理論遭到了開爾文勛爵的堅決反對。雖然天文觀測表明沒有那么多的彗星來支持開爾文的理論，不過開爾文把他的理論修正為引力能量來自于太陽形成時所吸收的彗星。1862年，開爾文自信滿滿地宣稱：
“彗星理論無疑是正確的，它對于太陽熱能的解釋是毋庸置疑的，其理由如下：（1）除了化學(xué)反應(yīng)的理論之外，沒有任何一種自然的解釋值得考慮；（2）化學(xué)反應(yīng)的效率比較低，即使最強的化學(xué)反應(yīng)的能量也不足以解釋太陽熱能，太陽質(zhì)量所能產(chǎn)生化學(xué)能只能讓太陽發(fā)光3000年；（3）彗星理論支持太陽壽命為兩千萬年以上，這不存在什么困難。”
開爾文根據(jù)太陽的質(zhì)量和直徑，計算了這樣一個物體所能夠輻射出來的引力能，估計的太陽壽命約為三千萬年，從而對達(dá)爾文對于地球壽命超過3億年產(chǎn)生了懷疑，進而認(rèn)為達(dá)爾文所謂的“自然選擇”也是不太可能實現(xiàn)的。
19世紀(jì)許多科學(xué)家對地球和太陽的年齡進行了估算，理論物理學(xué)家們根據(jù)當(dāng)時所知道的能量類型的估算，太陽壽命至多為千萬年的量級，而地理學(xué)家和生物學(xué)家們則認(rèn)為，為了產(chǎn)生地理學(xué)的變化和生物進化所需要的能量，太陽至少已經(jīng)閃耀了幾億年。由于開爾文在科學(xué)界的巨大權(quán)威及其在理論物理學(xué)方面的造詣，達(dá)爾文對自己的估算結(jié)果產(chǎn)生了深深的懷疑，在他最后一版的《物種起源》中，他刪去了所有對時間尺度的提法。在1869年寫給自然選擇理論的另一位發(fā)現(xiàn)者華萊士的信中，達(dá)爾文抱怨說，開爾文關(guān)于世界年齡的觀點是他最煩惱的事情之一。
今天我們知道，實際上開爾文勛爵的觀點是錯誤的，達(dá)爾文的想法更接近真實情況。根據(jù)對隕石的放射性測量，太陽的年齡約為46億年。不過這也說明，在19世紀(jì)的時候，科學(xué)界已經(jīng)達(dá)成了一種共識，任何領(lǐng)域的研究結(jié)果都必須要受制于基礎(chǔ)物理學(xué)定律。開爾文所沒有想到的是，當(dāng)時人們對于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的理解還僅限于原子-分子的層次，而支持太陽發(fā)光的能源恰恰來自更深層的結(jié)構(gòu)，因此對于太陽發(fā)光理解，還必須有賴于基礎(chǔ)物理學(xué)的進一步發(fā)展。
2. 放射性的短暫迷局
理論物理學(xué)家和地理學(xué)家、生物教學(xué)之間的爭論在1896年出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機，在前一年，德國科學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，在這一年，法國科學(xué)家貝克勒爾在試圖研究X射線的過程中發(fā)現(xiàn)了天然放射性——某些物質(zhì)（比如鈾鹽）能夠使照相底板感光，這種“放射性”來自原子核內(nèi)的轉(zhuǎn)變，1903年，皮埃爾·居里和他的年輕助手拉波爾德注意到，同樣具有放射性的鐳鹽可以持續(xù)的產(chǎn)生熱量，通過實驗結(jié)果知道，每克純鐳每小時可以產(chǎn)生100卡的熱量。這些發(fā)現(xiàn)讓物理學(xué)家們逐漸明白了一個事實：一種此前沒有注意到的能源被發(fā)現(xiàn)了。威廉·威爾遜和達(dá)爾文的第二個兒子喬治·達(dá)爾文（他是一位天文學(xué)家家兼生物學(xué)家）立刻提出來放射性可以作為太陽發(fā)光的能源。
正在蒙特利爾的麥克吉爾大學(xué)擔(dān)任物理學(xué)家教授的盧瑟福也發(fā)現(xiàn)放射性元素伴隨著α衰變也會放出大量的熱量，在1904年，他宣稱：
“能夠釋放大量熱能的放射性元素的發(fā)現(xiàn)，延長了地球上可能存在生命的時間期限，使得地理學(xué)家和生物學(xué)家們所提出的進化過程所需要的時間可以得到滿足。”
放射性元素的發(fā)現(xiàn)把理論物理學(xué)家不再糾纏引力能的計算，開始考慮來自原子核內(nèi)部的能量。不過天文觀測發(fā)現(xiàn)，在太陽的主要成分是最簡單的氫、氦元素，中并不存在數(shù)量巨大的放射性物質(zhì)。而且對于大量恒星的觀測表明，恒星釋放的能量與其溫度直接相關(guān)，而放射性元素釋放能量的多少和溫度并沒有任何關(guān)系。但理論學(xué)家們來不及為這個問題擔(dān)憂，因為20世紀(jì)初迅猛發(fā)展的物理學(xué)讓他們迅速找到了太陽發(fā)光的正確答案。
3. 愛丁頓的核聚變假說
1905年，正在蘇黎世專利局工作的愛因斯坦從他的狹義相對論推導(dǎo)出了著名的質(zhì)能關(guān)系E=mc2（E代表能量，m代表質(zhì)量，c代表光速），這個簡潔有力的公式至今無數(shù)人為之著迷。它將質(zhì)量包括進了物理學(xué)最為“放之四海而皆準(zhǔn)”原理——能量守恒原理之中。但它和太陽發(fā)光有什么關(guān)系呢？
1919年，理論天文學(xué)家羅素（這是個美國人，不是法國哲學(xué)家羅素）總結(jié)了天文學(xué)中關(guān)于恒星能源的研究線索，他指出，最重要的線索應(yīng)該是恒星內(nèi)部異常的高溫。1920年英國的物理學(xué)家兼化學(xué)家阿斯頓（F.W.Aston）發(fā)現(xiàn)了解決這個問題最重要的實驗線索，他在尋找氖元素的同位素時，對許多原子的質(zhì)量做了最精密的測量，其中就包括氫和氦這兩種太陽里最常見的元素。他發(fā)現(xiàn)含有兩個中子兩個質(zhì)子的氦原子的質(zhì)量要比四個只含有一個質(zhì)子的氫原子質(zhì)量要輕一點兒。
而愛丁頓以他同樣令人驚異的預(yù)見，提出了這種“恒星能源”與將來人類社會的關(guān)系：
“既然恒星能夠自由控制這種亞原子的能源保持長期有效運轉(zhuǎn)，那么看來離人類能夠控制這種潛在的能量以滿足人類的福利又進了一步……”
這個“可控核聚變”之夢，在能源危機頻發(fā)的今天顯得更加可貴，目前正在法國建造的國際熱核聚變實驗堆（ITER）正是愛丁頓之夢的現(xiàn)實版，據(jù)樂觀估計，30～50年后，人類可以用上這種“恒星能源”。
4. 我們都是星星的孩子
愛丁頓爵士提出“核聚變”的時候，這還僅僅是一個假說，究竟如何實現(xiàn)這種聚變還沒有人知道。而且從經(jīng)典物理來說，氫原子核（也就只質(zhì)子）本身帶有正電荷，同樣的電荷靠近時，根據(jù)平方反比關(guān)系的庫侖定律，兩者之間的排斥力會趨向于無限大，“聚變”根本就不可能實現(xiàn)。不過這個“不可能”隨著描述微觀世界的量子力學(xué)的進展逐漸變成了“可能”。
1928年，在德國哥廷根大學(xué)工作的蘇聯(lián)喬治·伽莫夫（Gamow）提出了“伽莫夫因子”，指出當(dāng)兩個帶同樣電荷的粒子在靠得足夠近的時候，存在一定的幾率可以克服庫侖勢壘結(jié)合在一起，把它們拉在一起的是強作用力（一種不同于引力和電磁力的新作用力），用這個伽莫夫因子可以很好的解釋放射性衰變的速率。十年之后，已經(jīng)逃離蘇聯(lián)到美國定居的伽莫夫和他的學(xué)生泰勒又把伽莫夫因子應(yīng)用到在恒星內(nèi)部高溫條件下可能存在核反應(yīng)上，計算的結(jié)果讓他們相信，恒星內(nèi)部確實存在極其高的溫度。
1938年，馮·魏扎克發(fā)現(xiàn)了一個核反應(yīng)循環(huán)鏈，以碳元素為催化劑，通過碳-氮-氧的連續(xù)反應(yīng)，可以把4個氫核合成為氦核（現(xiàn)在成為CNO循環(huán)），只可惜他沒有能夠計算出這個反應(yīng)的產(chǎn)能速率，也沒有得出這個反應(yīng)所需要的溫度。
貝特提出了“質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)”，這種反應(yīng)過程是太陽或者較小質(zhì)量的恒星能量的主要來源，而馮·魏扎克所發(fā)現(xiàn)的“CNO循環(huán)”，則在比太陽更大質(zhì)量的恒星中占據(jù)主導(dǎo)。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束之后的二十年中，一批杰出的物理學(xué)家和天體物理學(xué)家如福勒、霍伊爾等，紛紛投入到恒星核反應(yīng)的工作中，對貝特理論進行了完善。
太陽如何發(fā)光——恒星核反應(yīng)理論是現(xiàn)代天文學(xué)最重要的成就和基礎(chǔ)之一，有了它，科學(xué)家們就可以出發(fā)解釋更多的恒星、星系，以及整個宇宙的演化歷史。在恒星這個核反應(yīng)“熔爐”中，把最初的氫這兩種簡單的元素進行加工，鍛造出來元素周期表中各種元素，才有了我們所看到的這個繽紛的五彩世界——我們都星星的孩子。
