它们来自恒星

王旭东

科学一直是如此的神秘和有趣，其包含了对真相的探求与认知的逻辑。

古希腊的科学家认为，人之所以能够看见周围的物体，是因为人的眼睛可以发出触须般的光，照射到哪里，就能看到哪里。当然，这是古人一种不科学的猜想，但却也和现代的主动雷达搜索、超声成像颇为相似。现在我们知道，光是宇宙慷慨的施予，不需要人类的眼睛费力地发射，眼睛只负责接收来自光源的光子。

地球上最大的光源是太阳，亘古以来，它不知疲倦地将光和热洒向茫茫宇宙。地球只接受了它十六亿分之一的能量，便有了四季更替，万物荣枯，便有了风雨雷电，江海翻腾。

无穷的能量，来自太阳内部中心的核聚变反应，两个较轻的原子被太阳庞大质量紧紧压在一起，在高温共同作用下，合并成了一个更重的原子，但这个原子的质量要小于之前两个原子质量之和，丢失的质量，根据著名的爱因斯坦质能方程，变成能量，以光子的形式释放了出去。

但这些可怜的光子，在核爆频仍的太阳内部，要和其他的粒子不断地碰撞，历尽百转千回，才能挤到太阳的表面，此时距诞生它的热核反应，已经过去了五千年。

太阳喷吐着上千公里高的火焰，把光子抛向宇宙深处。它们中的一部分，经过约八分钟的飞行抵达地球，它们穿过稠密的大气，洒向山川河流，洒向街道建筑，并最终进入我们的视网膜，触发了视觉细胞的电反应，形成了大脑中的影像，让我们感受到光明和温暖。今天我们看到的每一缕阳光，都诞生自五千年前的尧舜时代。

我们所认知的“光”

当太阳完全落入地平线后，陽光在大气中的散射消失，星光便清晰可见，此时仰望苍穹，星光璀璨。这其中除了几颗太阳系的行星是在反射太阳光之外，其余都是发光的恒星。它们发光的机理和太阳相同，只是距离非常遥远，最远的甚至达到几十亿光年，这就意味着，你看到的星光，远超人类的历史，甚至可能比太阳还要古老，也有可能，在你看到星光的那刻，发出它们的恒星早已死亡，星光是它留在宇宙中最后的回响。

古老的星光，虽然不能带给地球光和热，但是对于航海、考古以及科技进步都起到了重要的作用。比如古代人们在大海上航行，不敢离开海岸线太远，四周水天一色就意味着迷航甚至死亡。后来，人们发现北极星的位置是不变的（北极星在北极正上方，不随着地球自转在星空中改变位置），那么根据北极星的高度，就可以推断自己所在的纬度：如北极星在头顶，那么观察者身处高纬度的北极附近，如果在地平线上方不远，那么观察者身处低纬度的赤道附近。只要航行时纬度不变，航线就一定是和赤道同轴的球面圆周线。

因为地球一直在自传，所以纬度易得，经度难求。终于，高超的钟表匠约翰·哈里森制造了准确度很高的怀表，人们根据出发地和到达地的时间，辅以星光位置的计算，便可以知道所处的经度。经纬度一旦可以得到，远洋航行便不再危险，大航海时代真正来临。

规律的斗转星移，忠实地见证着历史变迁，为考古学家们确定纪年提供了莫大的帮助。中国人相信天人合一，奇异的天象往往预示着重大的机会，因此在记录重大事件的同时，也会记录下特殊的星像，这就为确定事件发生的准确日期，甚至观测者的地理位置提供了可能。

星光还为爱因斯坦证明了广义相对论。17世纪，牛顿提出了万有引力，20世纪，爱因斯坦并未满足于对引力的知其然，而是在孜孜以求地探索其所以然。他认为，引力的实质是物体质量对时空的扭曲效应，若把时空比作平坦的海绵床垫，把太阳比作一个铁球，那么太阳周围的时空就如同被铁球压出凹陷的床垫，经过的物体受到凹陷的影响，有向凹陷中心运动的趋势，形成了引力的外在表现，这就是大名鼎鼎的广义相对论的直观论述。

理论提出后，人们将信将疑，如何才能证明呢？他想到了星光和太阳，星光被太阳扭曲是对广义相对论的有力证明！为了更直观地解释，我们可以用一个虚拟的侦探故事来说明：

“砰！”枪声响起，一发子弹穿过客厅的玻璃，在上面留下了一个枪眼，在客厅的墙上也留下了一个弹孔。很快，警察赶到现场，将墙和玻璃上弹孔的连线向外延长，指向了对面大楼斜后方的树林，警察盯着那里眉头紧锁。虽然弹道的连线指向了那个位置，但是在那里却抓不着犯人。这时，神探“福尔摩斯﹒爱因斯坦”来了，他拿出纸和笔，把弹道数据代入相对论公式开始演算，然后摸着小胡子告诉警察，枪手躲在对面大楼的正后方。

正后方？警察表示不信，“子弹可以拐弯？”

“对面楼房质量很大，枪手的本意不是打老张家，但大楼扭曲了时空，子弹经过时，改变了弹道，现场客厅的玻璃就遭了殃”。神探解释着原理。按照神探的推理，警察果然根据公式找到了枪手，故事结束。

故事“会拐弯的子弹”示意图与1919年日食观测原理图。

当然，故事是虚拟的，但科学道理是真实的。回到实验里来，对面的大楼就是太阳，枪手是太阳背后的一颗恒星，恒星在太阳背后发出的光原本不会射向地球，但经过被太阳扭曲的时空时，不再沿直线传播，最终绕到了地球上。现在只要证明在地球上能看到那颗太阳背后的恒星，就能证明广义相对论的正确性。问题是阳光强烈，微弱的星光淹没其中，根本无法分辨，只能等发生日食的时候，才有条件观察。1919年，地球发生了日食，两个观测小组分别奔赴巴西和非洲，不但拍摄到了太阳背后的那颗恒星，而且折射角度数据与广义相对论一致，与牛顿万有引力的计算结果不符，爱因斯坦登上了科学的神坛。

“光子家族”的故事

然而广义的光，包含更宽的谱线，从红外线一直到γ射线。可见光只占其中的一小部分，剩下的统称为不可见光。是光，却不可见，这个看似矛盾的物理词汇包含了哲学的思辨。我们见到的未必存在，比如海市蜃楼。我们不可见的未必不存在，比如美丽的花朵，若用紫外线照射，可以显示出更漂亮的花纹，而蜜蜂的眼睛可以看见紫外线，所以它们能够辨别不同的花朵。

红外线的波长最长、频率最低，所携带的能量也最低，γ射线反之，能量最高。举一个简单的例子来说明波长和能量的关系：将长绳一端固定，手持另一端上下晃动，绳子会波浪形地运动。如果你懒洋洋地慢慢晃，波峰和波谷之间的距离就长，也就是波长较长，频率较低;如果你快速地上下晃动，波峰和波谷之间的距离就短，也就是波长较短，频率较高。这两种方式，你付出的能量显然是后者要大得多，因为你很快就会累到手软。那么能量去了哪里？变成了绳子的波动。所以波长越短、频率越高的波，携带能量越大。这一点，我们从火焰的颜色也能看出来，在没有金属离子干扰的情况下，火焰温度越高（能量大），颜色越趋向蓝紫色（频率高，波长短）。

光子家族的破坏王是频率最高的γ光子。它能量大，穿透力强。当光子家族照射物体时，有的引起振动发热（如红外线），有的是让电子从低层轨道飞到高层轨道继续运行，唯独γ和x光子，可以将分子或原子中的电子撞击出去，所以又称之为电离辐射。自然界存在着少量来自宇宙和天然放射性元素的γ光子，称为本底辐射，因为动植物都有一定的自我修复能力，所以是无害的。但如果γ光子剂量超标，修复的速度赶不上破坏的速度，动植物就会生病甚至死亡。

1999年日本一座铀转换厂的工人为了早点下班回家，违反操作程序，导致现场产生了高剂量的γ射线和中子辐射。距离辐射最近的员工，身体细胞的DNA全部被高能粒子损坏，政府部门知道他必死无疑，仍然投入了最新医疗技术全力抢救，可能也是想在他身上进行重度放射损伤的治疗试验，但他仍然在83天后无比悲惨地死去。人体从受精卵开始，一直处于不断的新陈代谢过程中，旧细胞不断死亡脱落，新细胞不断制造更新，DNA是细胞复制的“图纸”，现在“图纸”全部损坏，便不可能产生正常的新细胞补充，其惨状可想而知。另外一名距离稍远的员工在220天的治疗中同样受尽辐射的折磨，抢救无效去世。根据对他们尸体细胞的显微镜检测发现，只有一种细胞未受到放射性的影响，那就是心肌细胞。这也给人们留下了科学突破的一个方向。

γ光子的杀伤力惊人，它也是核武器的杀人利器之一，核弹爆炸时产生大量γ光子和中子，γ光子比中子作用距离更远，杀伤半径大。怎么阻挡γ光子呢？防护物厚度一定的情况下，越致密的物质越好，所以考虑到性价比，一般采用原子量很大的铅元素进行阻隔。理论上金元素也是可以的，只是没人用得起。

x射线由德国的伦琴教授（1845～1923年）发现，所以也称之为伦琴射线，其能量较γ射线稍低一些，同样由高能光子组成，但仍然可以造成电离辐射，不可长期或大剂量接受照射。

电磁波谱简示图，在整个波谱中，“可见光”仅仅是其中非常小的一段。

γ射线和x射线是光子家族的两名凶猛的成员，但是它们也在为人类做着贡献。比如，在医学上，γ射线用于放射治疗，精准地杀死体内的肿瘤细胞;x射线用于医学成像，可以帮助医生看清人体内部的病灶细节。如果γ射线是放疗科的主力，那么x射线就是放射科的骨干。在工业上同样也有无损探伤的需求，那么这两位成员都可以根据实际需求而派上用场。

比x射线能量再小一些的，是紫外线。但它同样也具有一定的危险性。曾经有报道说，小朋友误入紫外灯杀菌的房间并停留了一段时间，造成眼底细胞不可逆的损伤。阳光中紫外线会引起黑色素沉着，更是爱美姑娘们的大敌，但适度接受紫外线照射可以促进人体生成维生素D，维持骨骼的健康。

比紫外线能量再小的，就是我们前面介绍的可见光，可见光对身体都是无害的，不过根据前文的介绍，相信大家也能推测出，蓝紫色的光能量要强一些，所以长期看电视、电脑或者手机，要注意蓝光防护，长时间的蓝光会对眼底的黄斑造成危害。

光家族里，能量最小的是红外线，但是它却具有一项特殊的本领，那就是热效应。γ和x光子如果是破坏王，那么红外光子就是温和的按摩师。宏观上静止的物质，内部的分子无时无刻不在振动和旋转，只有当温度下降到绝对零度（-273.15摄氏度）的时候才会完全停止。红外线可以使分子的振动加剧，从而互相摩擦产生热量。红外线波长越长，便越可以深入物体内部，这和小石子挡不住大水波涟漪的扩散是一个道理。所以远红外的深度热效应更加明显。假如波长再长一些，就跑出了本文探讨的光的范畴，进入了微波波段，你肯定想到了微波炉，它的加热效应是由内而外的。

来自恒星的光芒，日复一日地照耀大地，潜移默化地影响着地球，让生命漸渐萌芽。尽管有时，太阳光狂飙突进，高能宇宙射线不期而至，但地球逐渐生成了一系列保护机制，如大气层、磁场和臭氧层，保护着万物繁衍生息。终于，180万年前，山西芮城县西侯度的山洞里，露出了人类控制的第一束光亮，揭开了人类之光的序幕。

（责编：南名俊岳）