《宇宙的边疆》有关资料

【作者简介】

卡尔·萨根(CarlSagan，1934—1996)，美国人，曾任美国康奈尔大学行星研究中心主任，被称为“大众天文学家”和“公众科学家”。他以对科学的热忱和个人巨大的影响力，引导几代年轻人走上探索科学之路。他对人类将无人航天器发送到太空起过重要的作用，在行星科学、生命的起源、外星智能的探索方面也有诸多成就。他主持过电视科学节目，出版了大量科普文章和书籍，其《伊甸园的飞龙》曾获得普利策奖，电视系列节目《宇宙》在全世界取得热烈反响。主要作品还有《宇宙联接》《宇宙》《布鲁卡的脑》《被遗忘前辈的阴影》《暗淡蓝点》《数以十亿计的星球》等。

【宇宙日历(卡尔·萨根)】

你在过去幽暗的时光深渊里，还看得见其余的影子吗?

威廉·莎士比亚

《暴风雨》

地球形成的年代是很悠久的，而人类出现的时间还不算长。每个人生活中的重大事件以年、月、日计算，我们的一生以数十年记载，我们的家谱以世纪划分，而整个有记载的历史则用千年来计量。在人类出现以前已有了相当长的一段历史，这段历史时期延续了几个纪代，而我们对这段历史的了解可以说是寥寥无几。产生这种情况，一方面是由于没有文字记载，另一方面则因了解这个无限遥远的历史时期有着一定的实际困难。

远古时期某些事件的年代，现在我们已经能够测定了。利用地质分层和使用放射性元素可以确定考古学、古生物学和地质学上发生的重要事件的年代。天体物理学的理论为确定行星表面、星体和银河系的年代提供了数据。同时也能估测出非常事件(即大爆炸)到现在的大略时间。大爆炸可能是宇宙的开端。现代宇宙的所有物质和能量都陷入了这场大爆炸。我们也可以说，这是一场大中断，就在这场间断中，有关宇宙早期历史资料全被毁灭了，但大爆炸确实是我们有记载的最早的一次大事件。

据我所知，表达宇宙年表最有效的方法，是设想把宇宙的150亿年时间(或者至少是自大爆炸后的具体时间)压缩成一年的时间。这样地球历史上的每十亿年，就相当于这种宇宙年的24天左右，宇宙年的每秒钟表示地球绕太阳运行475公转。我这里介绍三种宇宙年表：12月份前的日期表，12月份的月历和新年除夕夜晚的明细考察表。按这个换算法，现代和历代史书上的大事件都必须一秒钟一秒钟地列举记载。这样就能把我们学过的时间间隔较长的历史大事件表列出来。在人类生活史上，有许多重要事件可能发生在不同的时期，正如一种同样瑰丽的地毯，可能是在不同时期织成一样，如在4月6日或9月16日的上午10点零2分和10点零3分之间。但我们这里详细记载的只是宇宙年最后一天的日志，于是就不会发生时间重叠的情况了。这个年代和当前最通用的史料相符，但某些内容还不完全可靠。例如，假若最终证实了植物原是在奥陶纪而不是在志留纪移植陆地，或者证实环节蠕虫的出现早于表中所说的前寒武纪，这完全可能，不足为奇。

此外，很明显要在表3中，于宇宙年最后十秒钟时间内，把所有重大事件逐一列进去也是不可能的。我没有详尽地提到美国、法国、俄国和中国的革命，以及其他重大历史事件，关于这一点，我希望能够得到谅解。

可以意料，这样的年表、月历和日志的设计仍很简陋。在此宇宙年里，9月初地球还没从星际物质中冷凝形成，恐龙仅出现在圣诞节前夜，开花植物首次出现在12月28日，男人和女人的起源发生在除夕晚上十点半。所有人类有记载的历史都排在12月31日的最后十秒钟内。从中世纪的衰落到现在仅是一秒多时间。可正是由于我这样精心的安排，第一个宇宙年恰好结束。虽然人类在宇宙年里所占的时间短暂，但意义非凡。当然，在第二宇宙年的开端，地球上或其附近将要发生什么变化，这完全取决于人类的科学水平以及人的智慧聪颖的头脑了。

①森林古猿：古生物学上把欧洲和非洲发现的古猿化石定名为槲猿，过去译为“森林古猿”。本书中全用过去译名。

②拉玛猿(Ramapithecus)：在印度发现的一种古猿化石。现在较普遍的看法，认为拉玛猿是人类的早期祖先;森林古猿是继续向猿方向发展的类型。

③城市国家：公元前3000年代前半期，在苏美尔地区形成的一些奴隶制国家。

④希伯来人：即犹太人。

⑤阿卡德帝国：公元前3000年代初，游牧的塞姆人部落建立的阿卡德王国(约公元前2371～2191年)。

⑥迈锡尼文化：迈锡尼是古代南希腊的一个重要文化中心。迈锡尼人从北部进入希腊半岛，在这儿建立了自己的奴隶制国家和创立了迈锡尼文化。迈锡尼文化的一个重大创造就是发明了自己的文字。

⑦特洛伊战争：古希腊人与特洛伊人之间的十年战争。

⑧哈拉帕文化：近五十年来在印度河流域发现很多城市文化遗址，称为哈拉帕文化。

【宇宙诞生之争(蒂姆·雷德福)】

当今世界上两位研究宇宙的大师在时间的开始与延续问题上相持不下。数学家和物理学家们正在阅读两篇论文，这两篇论文在为什么宇宙可能永远没有终点的问题上各执一词。

一方是坐在轮椅上的宇宙学家斯蒂芬·霍金(他可能是仍然在世的最著名的科学家)及其剑桥大学的同事尼尔·图罗克，他们在将由《物理快报》发表的论文中提出的论点是最初万万万亿分之一秒时间里发生的一切可能决定了宇宙永恒不灭的本质。

另一方是俄罗斯物理学家安德烈·林德(他是膨胀理论的泰斗之一，试图解释在最初的一刹那时间里发生的事情)，他在已发表的论文中说，霍金和图罗克理解错了，因为类似于我们所处的这个砰然一声就诞生的宇宙时时刻刻都在出现，因此试图找到时间的开始或终止是毫无意义的。

这一争论的实质是个重大问题。所有证据都表明我们的宇宙有一个开始，而且这种开始包括空间和时间这两方面。我们的宇宙150亿年来一直在膨胀。那么，存在着早于我们的宇宙诞生时刻“之前”的宇宙吗?宇宙膨胀会终止吗?

天文学家们一再提出的假设认为，我们的宇宙密度还不足以使其自身的扩张停下来。再过数十亿年之后，所有星系都将会衰颓，但是尚有余烬的星系残骸还将永恒飘荡，彼此间的距离越来越远。霍金在其最新写就的论文中检验了爱因斯坦的某些思想，并利用纯理论得出同样的结论：我们宇宙的未来是由其诞生时的条件决定的。

天文学家马丁·里斯教授最近说：“他们声称以某种比其他关于这些问题的设想更自然的方式建立了低密度宇宙理论的模型。这是一个变异理论，利用了霍金早些时候提出的某些思想。”他还说，林德认为霍金和图罗克的理论模型没有给出正确的宇宙密度。“他们的理论已受到天文学泰斗林德的抨击”。

这两种论点都以名为宇宙膨胀的瞬间为论据。在宇宙膨胀的瞬间，宇宙砰地一声从无到有诞生了，并以比光速快得多的速度自我膨胀。这种膨胀是一种反引力。但是这种论点认为，由于引力是负能量，所以这种反引力肯定代表正能量。爱因斯坦的理论认为，物质只不过是冻结的能量，因此，所有恒星及星系在这种膨胀瞬间都因为其固有的能量而出现塌缩。

宇宙膨胀问题已经让天文学家们着迷了17年之久。它会形成一个在扩张和崩溃之间实现临界平衡的宇宙吗?或者会形成一个具有“负曲线”和无限未来的宇宙吗?马丁·里斯教授说：“这正是林德以及霍金和图罗克试图要弄明白的问题。他们都在想方设法得出不同的膨胀结果，使我们能够推导出最终统一的但是拥有负曲线的宇宙。霍金一图罗克论文中的新东西将证明，你也能够更自然地做到这一点。”

霍金提出的新论点，意味着哲学家现在不得不考虑时间有始无终的问题。这可能是更令人头痛的问题。

马丁·里斯教授说：“林德对他所称的永恒膨胀笃信不疑。一旦某个宇宙运转起来，它就会持续膨胀，并不断滋生新的大爆炸。林德提出的反对意见之一是，他认为霍金所说的起源大爆炸根本就不存在。如果发生一次大爆炸，那么就会引发无数次大爆炸。如果是这种情况的话，霍金所关心的初始条件就会消失在比我们所能料想到的更深的宇宙史迷雾中。”

──选自《大家知识随笔》，李绍明译，中国文学出版社2000年版

【《宇宙的边疆》后半部分】

跟许多其他的发现一样，人类发现了地球是一个小星球。那是在古代的近东地区，在被一些人称为公元前3世纪的时代，在当时最大的城市──埃及的亚历山大发现的。在这个城市里住着一个名叫埃拉托斯尼的人，当时一个最羡慕他的人称他“贝塔(β)”──希腊文的第二个字母。这是因为，他说埃拉托斯尼是世界上第一个无所不知的人。但是埃拉托斯尼显然几乎在所有的领域里都是“阿尔法(α)”(希腊文的第一个字母)。他是一个天文学家、历史学家、地理学家、哲学家、诗人、戏剧批评家和数学家。他的著作从《天文学》到《痛解论》，样样都有。他还是亚历山大市图书馆的馆长。有一天，他从该馆的一本手抄本里读到下面一段话：在南部边疆西因前哨靠近尼罗河第一大瀑布的地方，在6月21日正午，直立的长竿在地面上没有投下阴影。在夏至那天──一年当中白昼最长的一天，接近中午的时候，圣堂圆柱的阴影越来越短，最后在正午消失掉。这时太阳从头顶上直射下来，在一口深井的井水里可以看到太阳的倒影。

上述的观察是很容易为人们所忽略的。长竿、阴影、井里的倒影、太阳的位置──日常生活中这样简单的事情有什么重要的意义呢?但埃拉托斯尼是一个科学家，他当即想到做一个实验，实地观察一下亚历山大的直立长竿是否在6月21日正午会在地面上投下阴影。结果他们的实验证实：长竿在地面上投下了阴影。

埃拉托斯尼自我思忖：为什么在西因的长竿不投下阴影，而同一时刻在北边的亚历山大的长竿却投下明显的阴影呢?假设在一幅古埃及的地图上有两根等长的垂竿，一根直立在亚历山大，另一根直立在西因。假定在某一个特定的时刻两根长竿都没有在地面上投下阴影，这一点很容易理解──只要地球是扁平的。这时候，太阳在头顶上直射。如果两根长竿在地面上投下等长的阴影的话，在扁平的地球上也说得通：这个时候太阳光线以同样的角度斜射在这两根长竿上。但是在同一时刻，在西因没有阴影，而在亚历山大却有明显的阴影，这究竟是怎么一回事呢?

埃拉托斯尼唯一的工具是长竿、眼睛、脚和头脑，再加上对实验的兴趣。凭着这些东西，他推断出地球的圆周长度，误差只有百分之几，这在2200年前是一个非凡的成就。他是第一个精确地测量出一个行星的大小的人。

他认为唯一可能的答案是：地球的表面是弧形的，而且弧度越大，阴影长度的差别就越大。因为太阳离我们如此之远，所以阳光照射到地球的时候是平行的。长竿与太阳光线的夹角不同，它们在地面上投下阴影的长度也就不同。就投在地面上的阴影长度的差别而言，亚历山大和西因之间的距离必定是它们在地面上的偏差角──约7度。也就是说，假如将长竿插入地心，它们就会在那里相交成7度角。7度相当于整个地球圆周360度的1/50。埃拉托斯尼知道亚历山大和西因之间的距离约800公里，因为他雇人步测过。800公里乘50等于4万公里：这就是地球的圆周长度如果改用英里作量度单位，亚历山大和西因之间的距离约等于500英里，那么地球周长即为：500英里×50=25000英里。

根据亚历山大城阴影的长度，可以测出角A的度数。根据简单的几何公式(“两平行直线被第三条直线所截，内错角相等”)，角B等于角A。于是，在测出亚历山大城阴影的长度后，埃拉托尼推算出亚历山大城和西因城在地球表面的距离(偏差角──译注)是：∠A=∠B=7°这个答案是正确的。

那时的地中海以航海业驰名，亚历山大是当时我们这颗行星上最大的海港。当你知道地球是一个直径不太大的星球时，难道你不想出海去探索吗?难道你不想去探索那些未被发现的国土，甚至去做环球航行吗?比埃拉托斯尼早400年的时候，一支腓尼基舰队受雇于埃及法老尼科，曾经环绕非洲一周。他们从红海起航(很可能是乘没有甲板的敞口船)，顺着非洲东岸南下，再从大西洋北上，最后从地中海返航。这次史诗般的旅程花了三年的时间，相当于现代“旅行者”号宇宙飞船从地球飞往土星所需的时间。

在埃拉托斯尼的发现之后，勇敢而好冒险的水手多次进行过伟大的航海尝试。他们的船只很小，他们的航海仪器很不完善，他们仅根据测程仪和罗盘推算船位，并且尽可能沿着海岸航行。在陌生的大海里，他们虽然能够通过一夜又一夜地观察星座与地平线的相对位置来测定船只的纬度，但却不能够测定船只的经度。熟悉的星座对在陌生大海里的人一定是一个极大的安慰。星星是探索者的朋友，在当时就是地球远洋航船的朋友，而现在则是太空宇宙飞船的朋友。埃拉托斯尼算出地球的圆周长度之后，有些人可能尝试过环球航行，但是在麦哲伦以前，没有人获得成功。勇敢和冒险的故事在早期一定被说成是水手和航海家──世界上最讲究实际的人──拿他们的生命跟亚历山大的一个科学家的数字打赌!

在埃拉托斯尼时代，人们造出了地球仪，用以表示从空间看到的地球。这种地球仪在他们了如指掌的地中海地区基本上还是切合实际的，但是离开他们家乡越远，这种地球仪就变得越不符合实际。我们现在对宇宙的认识也难免遇到这种不愉快的情况。在第一世纪，亚历山大的地理学家斯特拉博写道：

那些试图环球航行的人，返回的时候并没有说他们曾经受到大陆的阻碍，因为大海始终是敞开的。他们之所以返回，是因为信心不足、缺乏粮食……埃拉托斯尼说过，如果广袤的大西洋不是一个障碍的话，我们可以很容易地通过海路从伊比利亚抵达印度……在温带完全有可能有一两个可居住的陆地……当然，如果(我们星球的另一部分)有人居住的话，住在那里的人跟我们是不同的，所以我们要把那里看成是另一个世界。

人类就是这样开始千方百计地探索其他世界的。

后来对地球的探索是全球性的，有到中国和波利尼西亚去的，也有从中国和波利尼西亚出发的。当然，克里斯托弗·哥伦布发现美洲及随后几个世纪的历程算是达到了高潮，因为到那个时候，从地理上探索地球的任务已告结束。哥伦布的第一次航行与埃拉托斯尼的计算最直接相关。哥伦布对自己的“印度群岛冒险计划”简直着了迷，他不打算顺着非洲海岸航行，然后向东驶抵日本、中国和印度，他决心闯入陌生的西部海洋──即像埃拉托斯尼所大胆预见的那样，“通过海路从伊比利亚抵达印度”。

哥伦布曾经是旧地图的行商，也是古代地理学家──其中包括埃拉托斯尼、斯特拉博和普图利米──的著作和关于他们的著作的热心读者。但是，为了推行“印度群岛冒险计划”，为了使船只和船员能够在长途航行中生存下来，地球必须比埃拉托斯尼所说的小，所以，哥伦布在计算的时候耍了个花招。正如萨拉罗卡大学的考察人员准确无误地指出的那样，从哥伦布能找到的所有书本上，他采用了最小的地球圆周长度和最大的亚洲东延范围，甚至还再加以夸大。假如哥伦布在旅途中没有遇到美洲的话，他的探险就会彻底失败。

现在地球已经经过彻底的探索，再也不可能发现什么新大陆或失落的土地。但是，过去我们用来探索并定居在地球最遥远的地区的技术，现在可以用来飞离我们这个行星，去进行宇宙探险，去发现其他星球的秘密。飞离地球使我们能够居高临下地对它进行观测，能够看到埃拉托斯尼测量出来的整个地球的球体及其大陆的轮廓，从而证实古代许多制图家有卓越的才华。埃拉托斯尼和亚历山大其他地理学家看到这些该会有多么高兴啊?

从某种意义上说，人类大约在公元前300年之后的600年时间里，在亚历山大这个城市开始了智力的冒险，这种冒险把我们引导到宇宙的海岸。但是，关于这个大理石般的光荣城市的形状以及人们的感觉，却没有任何记载可查，压制和惧怕已使人们几乎把古亚历山大遗忘得一干二净。它的居民形形色色，简直不可思议，既有马其顿和后来的罗马士兵、埃及的祭司、希腊的贵族、腓尼基的水手、犹太商人，也有来自印度和撒哈拉沙漠南部非洲的访问者。在亚历山大兴盛的大部分时期内，除了大量的奴隶以外，人们都和睦相处，互相尊重。

这座城市是亚历山大大帝创建并由他从前的一个侍卫建成的。亚历山大鼓励重视外来文化，提倡虚心求知。根据传说──这种传说是否真实无关宏旨──他是在红海中世界上第一个钟形潜水器里降生的。他鼓励他的将士们与波斯和印度的女子通婚，他尊重其他国家崇拜的神，他搜集异国的生物(包括替他的老师亚里士多德搜集的一头象)。为了把他的城市建成世界贸易、文化和知识的中心，他不惜工本。这座城市因为有以下这些名胜而光彩夺目：30米宽的林荫大道，优雅的建筑和雕像，亚历山大陵，还有那座大灯塔──古代世界七大奇迹之一。

然而，亚历山大最大的奇迹是它的图书馆及其附属的博物馆(实际上是一个纪念九位文艺女神的公共场所)。在这个传奇般的图书馆里，至今残存最多的是图书馆附属建筑“塞里皮恩”里的那个一度被人遗忘的阴湿的地下室。它的唯一残物可能就是几个腐朽的书架，但是，这个地方曾经是我们这个行星上最伟大城市的智囊和荣誉，它是世界历史上第一个真正的科学研究所。该图书馆里的学者对整个宇宙进行了研究。“宇宙”(cosmos)这个词来自希腊语，意思是“天地万物，井然有序”，从某种意义上说，它是“混沌”(chaos)的反义词。它暗示了天地万物之间的相互联系，表明了人类对错综微妙的宇宙机制的敬畏。这是一个学者云集的地方，他们在这里研究物理学、文学、医学、天文学、地理学、哲学、数学、生物学和工程学。科学和学识发展了，天才在那里茁壮成长。亚历山大图书馆是我们人类最先系统而认真地搜集世界知识的地方。

除了埃拉托斯尼之外，还有天文学家希帕恰斯，他绘制了星座图并估算了恒星的亮度;欧几里得，他以卓越的才能将几何学进行系统的分类，并对正在费力地解一道数学难题的国王说：“通往几何学的道路中可没有为皇家铺设的康庄大道”;色雷斯的狄俄尼斯，他给词类作了定义，他对语言学的贡献，就像欧几里得对几何学的贡献一样;赫罗菲勒斯，生理学家，他确证智力活动的中心是在脑部而不是在心脏;亚历山大的赫伦，齿轮火车和蒸汽机的发明者，《自动装置》──第一本论述机器人的专著──的作者;佩尔加的阿波洛尼厄斯，数学家，他论证了圆锥曲线的各种形式之所以称为圆锥曲线是因为它们是以不同的角度从圆锥体上切割而成的，18个世纪之后，阿波洛尼厄斯论圆锥曲线的著作终于被约翰尼斯·开普勒首次用来理解行星的运动。──椭圆、抛物线和双曲线──(我们现在知道)这些曲线是行星、彗星和恒星的运行轨迹;阿基米德，列昂那多·达·芬奇之前最伟大的力学天才;还有天文学家和地理学家托勒密，他编著了我们今天称为假科学的星占学：他的地心说统治了1500年。这个事实说明智慧并不能保证不犯大错误。在那些伟大的男子之外，还有一位伟大的女性──海帕希尔，她是数学家和天文学家，是这所图书馆最后一个名人，她的殉难与该馆建成七个世纪后的毁灭有密切关系。关于这个故事，我们后面还会谈到。

在亚历山大大帝之后的那些统治埃及的希腊国王们很重视学问，在几个世纪的时间里，他们始终扶植科研工作，并在图书馆里为时代的精萃保持良好的工作环境。该馆有10个研究大楼──分别用于不同学科的研究，许多喷泉和柱廊，几个植物园，一个动物园，几个解剖室，一个天文台，还有一个大餐厅。闲暇的时候，人们在厅里讨论问题。

这个图书馆的心脏是它的藏书。图书管理员到处搜罗世界各国的文化和文字，他们派人到国外尽可能买进图书资料。停泊在亚历山大的商船受到警察的搜查──搜查的目标不是走私货，而是图书。他们借来古书卷，誊抄之后再还给主人。虽然该馆的精确藏书数难以估计，但是收藏50万卷是完全可能的，而且全部都是纸莎草纸的手抄本。这些书都到哪里去了呢?创造这些书卷的古典文明崩溃了，连图书馆也被蓄意摧毁了。只有一小部分作品幸存下来，剩下的就是一些可怜的零零星星的碎片。这些可望而不可即的残片是多么令人心焦啊!例如，我们知道这个图书馆的书架上有一本萨摩斯天文学家阿里斯塔恰斯的著作，他论证说地球是行星之一，也是绕太阳运转的，他还论证说恒星离我们极为遥远。这些结论都是完全正确的，但是我们却等到将近2000年后才重新发现这些真理。我们对阿里斯塔恰斯这本著作损失的认识要提高10万倍，才能理解古典文明的伟大成就及其毁灭的悲剧性。

我们今天的科学已经远远地超过了古代科学，但是我们对历史的认识还存在着不可弥补的缺陷。试想一想，多少历史上的谜只要用亚历山大图书馆的一张借书证就可以得到解答。我们知道有一套三卷的世界史现在丢失了，作者是一个名叫彼罗萨斯的巴比伦祭司。该书第一卷论述从“创世”到“大洪水”时期，他认为这个时期是43、2万年，也就是说比《旧约全书》的年代纪还要长100倍。我很想知道书里到底写了些什么。

古人懂得宇宙的历史已经很长了，他们试图了解它的遥远的过去。我们现在知道宇宙远比我们所想像的要古老得多，我们已经考察了宇宙空间，知道我们住在一个模糊星系的最遥远的角落里，住在一粒环绕着一颗平凡的恒星的尘埃上。如果我们是无限的空间里的一小点的话，我们在无限的时间里也占据了一瞬间。我们现在知道我们的宇宙──或者至少它的最近的化身──大约有150亿年或200亿年的历史了。这就是所谓的“大爆炸”以来的时间。在宇宙的开初是不存在星系、恒星或行星的。也没有生命或文明。当时的宇宙只不过是一个充满整个太空的均匀的辐射火球。从大爆炸时的混沌过渡到我们现在开始认识的宇宙，是我们有幸瞥见的物质和能量的最可怕的转化。在我们发现其他更聪明的智能生物之前，我们现在的人类就是最引人注目的转化结果──大爆炸的远代子孙。我们的使命是了解并进一步转化诞生我们的宇宙。

──选自《宇宙》，周秋麟、吴依俤等译，李元校，吉林人民出版社1998年版