《冥王星沉浮记》| 高爽解读

《冥王星沉浮记》| 高爽解读
2021年09月01日15:30:24 0 1096

关于作者

尼尔·德格拉斯·泰森是美国天文学家,哥伦比亚大学天文学博士,海登天文馆馆长,闻名美国的科学传播者。泰森出版了多部天文科普书,在天文学科普领域享有盛名。泰森作为天文馆馆长,亲历了冥王星地位沉浮的全过程。

关于本书

本书是以冥王星为主题的天文学科普读物。作者从冥王星的发现和命名谈起,讲述了冥王星跌宕起伏的地位变迁。它曾经是辉煌一时的第九大行星,而后又被降级为矮行星。其间穿插天文学的最新发现过程,以及公众对冥王星的特殊情感。冥王星地位变化的过程,让你了解天文学的工作方法和人类对太阳系探索的进步。

核心内容

第一,冥王星是如何被发现的?发现冥王星后对它的研究引发了怎样的问题?

第二,冥王星降级事件的经过是怎样的?

第三,冥王星被降级之后,科学家们如何对它进一步探索?

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前言

你好,欢迎每天听本书,我是高爽,德国海德堡大学天文学博士,曾经在国家天文台和北京过师范大学从事天文学研究和教学工作。我在得到App开设了《天文学通识》课程,为你系统性地讲述天文学的思维方式。我今天为你解读的,是一本关冥王星的科普书,叫《冥王星沉浮记》。我今天为你解读的,是一本关冥王星的科普书,叫《冥王星沉浮记》。这本书同时也作为《天文学通识》课程的参考书目,为你扩展太阳系这一单元的认知。

我上学那会儿,在天文学系,如果想说谁跟不上潮流,不懂时尚,就会开玩笑说:你是从冥王星来的吧?可以说,冥王星,已经成为了天文学中的一种典型的文化,或者说是一个符号。因为冥王星本身有个很鲜明的特点:它长时间以来都被认为是太阳系最外围的行星,荒凉孤僻。

但在2006年,冥王星被天文学界降级为矮行星,被踢出了太阳系九大行星的行列。这意味着,全世界的天文学教科书都必须改写,所有的天文馆、科技馆、自然博物馆关于太阳系和行星的介绍都必须更换。我们之前口中念叨着的九大行星的说法再也不存在了,取而代之的是八大行星。

我想提醒你的是,冥王星被降级的这件事,在天文学界,乃至整个科学界,都有着里程碑式的意义。这是现代社会第一次通过公开的学术会议,投票开除了一个公认的科学概念。但是,虽然冥王星的行星身份被取消了,但它的文化意义却前所未有地强大起来。毫不夸张地说,这是当代最具代表性的科学进步刷新人类认知的例子。

我们今天要讲的这本《冥王星沉浮记》,就完整地记录了这段关于冥王星的故事。从质疑冥王星的地位开始,到全社会的广泛议论,再到天文学家们针锋相对的演讲和辩论你将听到的不仅仅是第一段精彩的故事,更会了解到天文学领域独特的思维方式。你还会发现,天文学并不只是纯粹的无用之学,天文学的话题早就深刻嵌入了人类社会。

本书作者尼尔·德格拉斯·泰森,是美国天文学家,哥伦比亚大学天文学博士,美国自然历史博物馆旗下的海登天文馆馆长。泰森出版了多部天文学科普著作,咱们得到电子书就有他的《给忙碌者的天体物理学》《死亡黑洞》《140亿年宇宙演化全史》《天空无界》等四部作品。顺便说一句,泰森本人作为天文学家和天文馆馆长,他就是冥王星事件的亲历者。

 

接下来我将分成三部分,为你解读这本书。第一部分,我们说说,冥王星的发现和随之而来的深入研究。这些研究又引发了怎样的危机?第二部分说的是,冥王星降级事件的经过是怎样的。第三部分说的是,冥王星被降级之后,科学家们对它的进一步探索。

 

第一部分

我们先来说第一部分,冥王星的发现和随后的一系列研究。

冥王星的故事还要从上个世纪初说起。当时,人们已经知道了太阳系里存在的八颗大行星,它们按照各自到太阳的距离排列,从近到远分别是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。

那个时候,离人们发现最远处的海王星还不到100年,天文学家依然沉浸在发现新的大行星的热情中。你想啊,我们的地球也是一颗大行星,发现新的大行星就意味着,我们很有可能发现了一个新世界。这么说吧,在历史上无论是什么时候,大行星的发现总是当时最重大的新闻,发现者也会收获巨大的荣誉。比如发现天王星的赫歇尔,被英国国王授予了贵族身份,从此,这位从业余天文爱好者一举成为了皇家天文学家。再比如发现海王星的勒维耶,从巴黎天文台的普通工作人员,摇身一变,成了巴黎天文台台长,是当时全世界最著名的天文学家。

另一方面,从科学本身的角度说,行星的发现,对于科学理论的验证,也有着重要的意义。比如说,天王星被发现之后,天文学家发现有个地方不对劲,那就是,它的实际轨道和观测跟踪的结果好像不太一样。于是,问题来了,如果观测没有出错,那就是牛顿的理论错了。要知道,当时的牛顿定律,可是科学界的权威,公认的真理啊。如果牛顿没有错,那一定还存什么别的因素,只是还没有被发现。为了不违背牛顿的万有引力理论,天文学家认为,可能还存在一颗新的行星,在干扰天王星的运动。经过计算,勒维耶,就是刚刚我们提到的巴黎天文台台长,成功地预测出了一颗新行星的位置,之后柏林天文台的科学家,真的在那个位置发现了一颗新行星,没错,它就是海王星!

这还不是最有意思的。科学家们惊喜地发现,和上次一样,海王星的轨道也出现了异常情况。这意味着什么?意味着很有可能,一定还存在另一颗行星在干扰海王星的运动。

就是在这样的气氛中,天文学家一直在寻找海王星以外的第九颗大行星。从某种程度上来说,谁能找到它,谁就帮助天文学界扩大了太阳系的疆域,更重要的是,这就从本质上解决了海王星轨道异常的科学问题。对于天文学家来说,这可是无尽的荣耀。

这个时候,有位美国富商,叫做帕西瓦尔·罗威尔。他本来的工作,和天文学毫无关系。但是,他读了一本书法国天文学家弗拉马利翁的著作《火星》。从此之后,他便对天文学产生了强烈的兴趣。他决心用自己的全部财富投身于天文学研究。顺便说一句,罗威尔捐资创办的罗威尔天文台,是美国最古老的天文台之一,至今都是重要的文化遗产和旅游名胜。罗威尔天文台当时有两项主要科学任务,分别是研究火星上的运河,以及寻找新的大行星。所谓的火星运河后来被证明子虚乌有,但寻找大行星的任务在罗威尔去世之后成功实现了。

1916年罗威尔先生去世之后,天文台雇用了一个叫汤博的毕业生,作为观测助理,继续从事探索大行星的工作。观测期间,汤博拍摄了大量的照片。有次他在对比双子座的两张照片时,发现了冥王星的身影。他是怎么做到的呢?在天文学观测里,你会看到恒星也会在天空中东升西落,但是短时间看,其实所有的恒星彼此之间没有相对运动,所以看起来恒星会像背景一样整体运动,如果有什么东西和恒星背景的运动方式不同,那就一定不是恒星,而是太阳系之内的其他天体。根据这个道理,汤博发现,双子座的恒星和恒星之间,有一个小光点,在两张照片中,位置居然是不同的。

独自一人在每个夜晚观测夜空,进行重复地拍摄和记录,这本就是枯燥的工作。在照片上密密麻麻的光点之中发现蛛丝马迹就更困难了。但是,正是通过这些枯燥繁琐的任务,冥王星才能被我们发现了。那一年是1930年,那一年汤博24岁。

这是美国人发现的第一颗大行星,从此汤博成了美国的英雄,甚至他还被赋予了特殊的文化意义:在美国人心目中,汤博证明了世界的科学中心已经从欧洲转移到了美国。新行星开始在全世界范围征集名字。最终,英国牛津的一位11岁的小女孩,建议用普鲁托给新行星命名,这是罗马神话中掌管地狱的死神,中文翻译为冥王星。那个小女孩是这么说的:冥王星距离太阳60亿公里,那里除了一片黑暗,还有什么呢?小女孩的外祖父是牛津大学图书馆的管理员,认识很多天文学家,通过他,小女孩的建议获得了广泛的接受。

发现了冥王星之后,还有一个很重要的问题,那就是:新发现的行星到底有多大?够不够得上大行星的级别?从1930年开始,随着对冥王星研究越来越深入,天文学家对它的质量估计,也变得越来越小。1978年,天文学家发现,冥王星居然有一颗卫星,根据行星和卫星之间的相互作用,可以比较精确地计算行星的质量,结果,算出来的冥王星质量还不到地球的1%。这么小的行星能对海王星轨道造成明确的干扰吗?正是这一系列的问题,给冥王星的命运起伏埋下了伏笔。

不过这也不全是坏消息,发现了冥王星的卫星,其实也鼓舞了天文学家。在20世纪80年代,天文学家们普遍认为只有大行星才具有卫星,小行星、彗星、陨石这样的小天体不可能拥有自己的卫星。更何况,虽然冥王星不算太大,但也还比最大的小行星谷神星大两倍。可是好景不长,1993年,伽利略号探测器在飞往木星的旅途中,拍摄到了小行星艾达的照片,照片里清晰显示,小行星艾达身边伴随着自己的卫星。后来的研究陆续发现了很多具有卫星的小行星,也就是说,小行星拥有卫星是很正常的情况。这样的发现再次给天文学家认知里冥王星的大行星地位带来冲击。

这里要稍微解释一下。如果冥王星是一颗大行星,也就是九大行星的最后一颗,那么美国人汤博1930年的发现,就可以和之前发现天王星和海王星具有同等荣耀。但是如果冥王星只是一颗小行星,情况就完全不同了,太阳系里保守估计也存在几十万颗小行星,汤博的发现只是几十万颗小碎片之一,重要性大打折扣。

坚持冥王星具有大行星地位的一派天文学家说,小行星只是集中在火星和木星轨道之前,在太阳系比较靠内的区域中活动,而冥王星位于太阳系的外围,在海王星轨道之外,它是独一无二的。但是,1992年8月,天文学家发现了另一颗海王星轨道之外的天体,直径超过100公里。虽然和直径2000多公里的冥王星比不算很大,但它足以证明,在海王星之外,还存在着更多的小天体。这样的发现,证实了之前天文学家柯伊伯的猜想,太阳系的边缘,存在着大量陨石组成的柯伊伯带。难道冥王星也是那个区域中的小行星吗?

1994年,冥王星的发现者汤博也表示,要继续捍卫冥王星的地位,他相信所有海王星之外的小天体都很小,不会比冥王星更大,所以冥王星与其他小天体有本质区别。汤博建议把这些小天体分类为柯伊伯带天体,当然冥王星不属于它们。

然而, 2005年发现的阋神星给予了冥王星致命一击。这颗小行星也属于柯伊伯带天体,但是它的质量超过了冥王星。由于阋神星的发现,冥王星不仅丧失了独立占有海王星之外的空间的地位,还进一步丧失了海王星之外最大天体的地位。在这个发现之后,如果你还坚持冥王星也算第九大行星,那么从逻辑上说,新发现的阋神星就必须称为第十大行星。很快,在阋神星之后,一连串的柯伊伯带天体被发现,它们都有着和冥王星差不多的质量。这也就是说,天文学家现在面临着两难的选择。要么,连同冥王星一起,这些柯伊伯带天体都不算大行星。要么,这一串新发现都加入大行星的行列。

由于阋神星的发现引起了这样的风波,所以国际天文学会给它命名为Eris,意思是希腊神话中的混乱女神。我还记得当时它的中文名称破费了一番周折。由北京天文馆牵头,在全国的天文爱好者中征集Eris的中文翻译名称,最终确定了天文爱好者陈海涛的提议,用兄弟阋墙的阋字,表达风波和混乱的含义。

风波还在继续,天文学家们分为两派。一派坚持冥王是第九大行星,代表人物包括好几位当时太阳系研究的权威专家。另一派认为冥王星的地位必须修改,代表人物包括阋神星和其他柯伊伯带天体的发现者。艺术家们也加入了科学的论战,音乐家为冥王星作曲,画家为冥王星创作作品,诗人写出赞美冥王星的诗篇。两派都有重量级的权威天文学家,也都有部分民众支持。

 

 

 

本书作者泰森在成为海登天文馆馆长之后,也面临一个棘手的任务,他要在布置天文馆的展览中反复掂量冥王星的分类问题。最终,他没有把冥王星列为大行星,海登天文馆甚至因此遭到来自美国社会各界的质疑。

 

第二部分

那国际天文学会是如何处理这些争端的呢?

当时,冥王星的地位悬而未决,九大行星的概念还停留在所有的天文学教科书上。2006年,天文学界迎来了第26届国际天文学联合会大会,这届大会在捷克首都布拉格召开。这是三年一届的世界天文学家的盛会,相当于天文学的奥运会。

当时天文学界的共识,是冥王星的问题必须得到妥善处理,所以2006年的这次天文学联合会大会,专门设置了一个重要环节,由全世界的天文学家共同讨论,然后对草案进行表决。参加那次会议的天文学家有2500人,最后一天的议论和投票环节有超过400位天文学家参与。那天的会场甚至禁止媒体进入,记者们在会场门外焦急地等待着投票的结果,毕竟会场大门打开的那一刻,天文学的历史将会改写,大量的教科书都会被修改。

据说当时的讨论场面非常有戏剧性。讨论冥王星的会议由英国著名天文学家乔瑟琳·贝尔主持,她让几位举手的代表发言之后,发现举手的人太多,而每个人的表达又太长,似乎会场上的每个人都想发表一篇演讲。贝尔觉得这样下去讨论的效率太低,她走上主席台临时宣布,想要发言的天文学家,必须走到话筒后面排队,而且规定每个人的发言时间不能超过电梯上升一层楼的时间。就这样,也是目前天文学研究历史上唯一一次,几百位天文学家站在会场的话筒后面,排队等待发言。话筒后面的人比座位上的人还要多。

会场内是这种情况,会场之外也同样紧张,媒体甚至准备了正反两种结果的稿件。

经过一个星期的讨论后,会议终于有了结论。国际天文学联合会第26届大会决议,想要被称为行星,必须满足三个条件:第一,围绕太阳运动。这一条冥王星没问题。第二,质量足够大,使自己呈现圆球形。这一条冥王星也没问题。第三,清空了自身运动的轨道。这都是决议的原话,我这里帮你翻译一下这个第三条,这话是说:清空不是说在这条轨道上只有它自己,而是说这条轨道上它必须是主要的天体,不能存在和它差不多大的其他星体。问题恰恰就出现在这第三条。

冥王星围绕太阳运动的轨道上,除了它自己之外,还有大量的天体共同存在,比如前面说的阋神星。而且,这些天体的总质量加起来远远超过了冥王星自身的质量。也就是说,冥王星没有能力让自己在这条轨道上称王称霸。因为冥王星不符合这个第三条,所以决议规定,创建一个新的分类,叫矮行星,矮就是矮小的矮,所有不符合第三个条件的天体都归入这个类型,其中就包括冥王星和前面说的阋神星。

你看,国际天文学联合会的这次会议,讨论的不仅仅是冥王星自身的问题,而是从基础认知的层面,重新讨论了行星这个概念的严格定义。在此之前,行星的概念,只在人们的头脑中模模糊糊的存在。我们判断一个天体是不是行星,只能基于主观感受,觉得谁看起来像行星那就是行星。现在,在三条严谨的规则面前,任何一个天体都可以进行规范的判断。在新的观测结果面前,人类修改了自己对一个传统概念的认知,让模糊的感觉变成了可以量化和精确判断的科学概念。作为一个天文学家,我必须说,这是一场负责任的讨论。它不仅是为了解决眼下的问题,而且考虑到了整个科学体系的逻辑自洽,也为未来的新发现提前留出了可以讨论的空间。

但是,冥王星被开除大行星身份这件事一经曝出,相当一部分天文爱好者就不干了,他们接受不了。举个例子,就在宣布决议之后,本书作者泰森,每天收到的邮件高达200封,大部分都在指责他看看你干的好事!你把冥王星弄丢了!

做出激烈反应的不仅有普通民众,甚至还有美国的地方政府。美国新墨西哥州第48届议会通过决议,鉴于冥王星的发现者汤博长期居住在新墨西哥州,而且,新墨西哥州拥有大量世界级的天文台和望远镜,是世界天文学研究的中心,所以,新墨西哥州立法规定,冥王星在新墨西哥州永远是一颗大行星。

更特别的是,除了政府和民众,不认可的人也包括一些天文学家。美国为了探索冥王星,在2006年召开布拉格会议之前,发射了新视野号探测器。新视野号探测器最主要的科学任务就是近距离地探测冥王星和它的卫星。就在新视野号前往冥王星的旅途中,冥王星被降级了,成为了一颗矮行星。这让新视野号的科学团队普遍拒绝接受国际天文学联合会的决议。

 

从天文学家,到地方政府,到普通民众,对降级的抗议此起彼伏。十多年过去了,这场纷争一直没有结束。国际天文学联合会的决议虽然从概念上做出了澄清,但在社会心理层面,冥王星背后的文化意义和社会资源,让许多人不能接受。

 

第三部分

虽然冥王星被降级了,但是科学家们对它的研究却始终没有停止。接下来,我们就来说说,天文学界对于冥王星有着怎样的继续探索。

冥王星不再是一颗大行星,但它依然是柯伊伯带中的代表性天体,也是比较大的一颗。所以,新视野号的科学目标就不再是探索太阳系最后一颗大行星,而成了探索柯伊伯带。柯伊伯带的众多小天体,是我们最不了解的太阳系天体。它们远离太阳和地球,接受不到太多的阳光和热量,充满了冰块和冰封的岩石,缓慢地围绕太阳运动。它们之间有没有相互的作用甚至相互撞击?它们是如何形成的?有没有可能在这里曾经有一颗大行星,后来破碎成了众多的小碎片?究竟一共有多少颗柯伊伯带天体?

列出这些问题之后,你会发现,我们对这个区域的天体,几乎完全不了解。我们仅仅是从它们当中揪出了几个代表而已。

幸运的是,冥王星降级事件,并没有干扰新视野号探测器的既定路线和科学工作。它经过9年多的飞行,在2015年夏天接近冥王星。因为新视野号运动速度太快,所以它在靠近冥王星的时候,不可能减速刹车停下来,在冥王星上着陆。它只能和冥王星擦肩而过,利用短暂的时间回头看一看冥王星。

经过9年多漫长的星际旅行,这个人造的探测器最终只能和冥王星短暂邂逅,对有天文学情怀的人来说,这是件浪漫的事情。在这短短的30分钟里,新视野号对冥王星展开了各种方式的探测,拍摄了最清晰的冥王星照片,发现了冥王星上的地质结构,精确测量了它的体积和质量,还发现了冥王星更多的新卫星。

有意思的是,新视野号在冥王星上,还发现了一个爱心形状的冰川区域,美国的研究人员把它命名为汤博区域,纪念这位冥王星的发现者。天文学家还发现冥王星上有更多的冰川和高山,甚至有类似火山和地震的地质活动。也就是说,冥王星完全不像过去猜测的那样是一个冰封的黑暗世界。而是充满了活跃的地质活动,它的陆地还在不停的变化。

你看,如果不是我们曾经把冥王星当成九大行星的最后一颗,可能就不会花费这么大的力气建造新视野号探测器,也就不会对海王星以外的广阔区域取得这么多的新成果。所以本书作者完全理解广大天文爱好者的情感,冥王星的降级,其实是为了整个天文学学科的进步,但是它在我们心目中的地位,一直都不曾降级。

也许有一天,天文学会发现更多的新知识。这些新知识会再次修改我们对传统概念的定义。也许冥王星的独特性质会再次改变它的身份,也许还会有冥王星之外的,更有趣的天文现象被揭示出来。无论如何,冥王星命运的沉浮,标志着人类探索宇宙的进步。

 

 

 

人类探索宇宙的进程,可能会遇到认知上的瓶颈,可能也会因为人们的主观意愿和历史文化的惯性而带来困扰,但是,这场探索宇宙的进程总是在不断向前,不断让我们看到更丰富、更完整的宇宙,不断突破我们的认知局限。

 

总结

以上就是这本《冥王星沉浮记》的精华内容了。

冥王星带着许多人的遗憾被天文学界降级,从此九大行星变成了八大行星。表面上看,深受人们关注的一颗行星被降级,行星的数量减少了一颗,好像确实是件遗憾的事情。但是,如果我们换个视角来看待这件事,就会发现,冥王星用自己的降级,换来了科学界的一次认知升级。让原来对行星模糊的感觉,变成了可以量化和精确判断的科学概念。

 

现在,天文学界已经达成共识,冥王星和身为大行星的天王星、海王星完全不同。冥王星和它附近的阋神星是同一类天体。这一类天体数量众多,分散在太阳系的边缘地带,那里黑暗而冰冷。冥王星降级事件,不但没有终结对太阳系边缘地带的研究,反而是深入探索太阳系边界的开始。

撰稿、讲述:高爽
脑图:刘艳脑图工坊

 

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