看不见的光：从红外线到X光，电磁波发现趣史

作者简介

鲍勃·伯曼，美国著名天文学作家， 曾为《发现》杂志广受欢迎的专栏《守夜人》撰稿17年。目前他是天文学方面的专栏作家，美国东北公共电台周播节目《奇妙的宇宙》的主持人，以及《老农年鉴》的天文编辑。他的代表作有《疾驰的世界》和《太阳的心跳》（The Sun）。目前他生活在纽约。

内容简介

第3章 天王星与红外线 在我们所处的时代，新的发现层出不穷。从磁星（具有强磁场的特殊中子星）到嗜极生物（例如在近乎致命的温度下生存的生物），这一时代的科学发现可真令人惊讶。我们也习惯了为科学日新月异的发展而赞叹。 因此，我们很难想象1781年3月，一个发现竟然震惊了全世界。一位默默无闻的天文爱好者推翻了当时最伟大的思想，一举成名。这个在当时家喻户晓的人物到底是谁呢？你可能从未听说过他。的确，人类历史上的伟人通常是那些敢于挑战未知的人，他们的发现意义深远或者超前于他们所处的时代。萨摩斯的阿利斯塔克（Aristarchus），首次提出地球绕着太阳转；艾萨克·牛顿解释了运动定律；阿尔伯特·爱因斯坦揭示了时空会扭曲和收缩，说明宇宙没有固定的大小。 在这些卓越的人物中，我们必须要说一说威廉·赫歇尔（William Herschel）。1738年11月15日，他出生于德国汉诺威。或许他没有前面提到的那几位先驱才华出众，但是凭借坚忍不拔的努力，他像猎犬一样不懈地追随科学的气息，终于有了两项惊天的科学发现，而且都是歪打正着。 早期的生活对赫歇尔后来的事业没有起到半点作用。他不是贵族出身，父亲在军队里吹双簧管，他只是家中十个孩子之一。赫歇尔子承父业，在汉诺威护卫队里吹奏双簧管，年轻的他在音乐方面崭露头角，看样子很可能会把作曲作为毕生的事业。 18 岁那年，他第一次来到英国，这里令他印象非常深刻。他下定决心移民，并在第二年就搬到了英国。在当今社会，追求音乐的人搬到一个陌生的环境寻找出路就像嬉皮士在做白日梦，但在当时这可是非常流行的做法。在18 世纪中晚期，音乐方面的机会就数英国最多，莫扎特、海顿、亨德尔以及成千上万不知名的音乐家都被这个国度深深吸引，因此这里的竞争十分激烈。在那个不知复印机为何物的时代，赫歇尔靠抄写乐谱勉强维持生活。他的职业生涯慢慢地走上了正轨，能靠教学和作曲养家糊口了。1766 年，他在著名的温泉城巴斯的一座豪华小教堂里得到了一份弹风琴的工作。赫歇尔不仅在演奏双簧管和风琴方面技艺高超，而且还擅长演奏小提琴和大键琴。他创作了24 部交响乐和多部协奏曲，作品数量可观，即便是现在，它们仍被当作治愈失眠的良方。 然而，他对科学知识的兴趣远远超过了对音乐的喜爱。有一天，他阅读了罗伯特·史密斯（Robert Smith）的《完整的光学系统》（A Compleat System ofOpticks），掌握了制作望远镜的技术，从此他的人生发生了巨大的改变。强烈的好奇心驱使年轻的赫歇尔并不仅仅观察和描绘月球、行星，模仿当时的天文学家。最初吸引他的是遍布夜空的模糊星云。人们通常以为那是发光的流体，它们背后的神秘世界就连月球上的山脉和陨石坑都无法比拟。那隐隐约约的一大片东西究竟是什么？它们的光太过微弱，必须使用比当时最大的望远镜还要大的设备才能看得清楚，这是因为望远镜呈现图像的亮度和清晰度与其主透镜的直径成正比。和现在一样，当时人们面临的最大的问题是，大型望远镜的价格都贵得离谱，而且大多质量不高。 如果想用足够大的镜片近距离观察星云，赫歇尔就只能亲自动手制作。那个时代还没有专门的镜片玻璃，赫歇尔便在地下室熔融金属，将铜、锡和锑混合在一起做成圆盘状的坯料，再磨制成镜片。虽然第一个镜片在冷却时碎裂，沦为了价格不菲的镇纸，但最终他还是成功地制造出了巨大的镜片，它的直径差不多有60 厘米，聚光性也比当时最常见的15 ～ 20 厘米的镜片强很多。不仅如此，这些镜片的抛物曲面外形非常精确、考究，质量极高，不论是用它们观察遥远的恒星、行星还是星系发出的光，都能获得理想的聚焦效果。赫歇尔自制设备的性能甚至超过了著名的格林尼治皇家天文台的望远镜。他还为自己制作了目镜。 赫歇尔的哥哥亚历山大（Alexander）和妹妹卡罗琳（Caroline）也参与了这项工作。在赫歇尔漫长的余生中，卡罗琳一直都是他忠实的助手，并最终凭借自己的实力成为受人尊敬的科学家。这一家不同寻常的兄妹和他们无与伦比的巨大望远镜的故事慢慢地传到了英国知识阶层。赫歇尔利用这些望远镜展开了一生中最消耗精力的事业——观察整个天空。这项工作结束后，他又制造了一台更大的望远镜，并完成了对天体更周密、更详尽的观测。接着，1781 年3 月13 日，在第三次也是最全面的一次天体观测过程中，他的观察结果不但改变了自己的一生，还轰动了全世界。 赫歇尔发现了一颗绿色的“星星”，它不是一个小亮点，而是差不多有圆盘那么大。起初，他推测那是一颗彗星。但事实证明它不是，因为它从来没有形成过彗尾，也没有彗星常见的极扁的椭圆形轨道。通过每晚观察这个天体的缓慢运动，他很快意识到，这是一颗绕着太阳运动、周期为84 年的新行星。他曾试图以英国国王乔治三世的名字将它命名为“乔治之星”，目的是引起国王的注意并讨他的欢心。然而，其他科学家坚持要求按照传统方法，用罗马神话中神的名字来命名它。因此，这颗首个被人类通过真正意义上的科学探索发现的行星就叫作天王星。 整个世界都震惊了。我们最为熟悉的那五颗行星自史前就已为人们所知，《圣经》、《吠陀》（用古梵文撰写的印度教圣书），以及古埃及的莎草纸都有记载，所以根本没人想到，除了它们之外，宇宙中还存在其他行星。无论是先知、宗教圣书、伟大的思想家，还是尊贵的委员会和哲学流派，都没有料到宇宙中可能存在因为光芒太过微弱而不易被观察到的其他星球。另外，望远镜在当时已有170 余年的历史了，不计其数的天文学家将天空仔细地翻了个遍。宇宙中（除了地球）只有太阳、月亮，以及五颗行星——人们没有丝毫理由去怀疑这件事，直到赫歇尔推翻了这个“事实”。这一发现令人震惊的程度就好比现代科学家突然宣布，控制我们思想的是大脚指甲而不是大脑，或者告诉我们月亮是空心的，上面还住着一群猴子。 实际上，裸眼隐约可以看到天王星。我在没有任何光学辅助设备的情况下看到过它。不论用哪种望远镜观察，那片绿色的世界都是如此耀眼、辉煌。为什么人们没能早点发现它呢？这个问题在知识分子当中引起了极大的恐慌，成为百年间人们讨论的热点。一夜之间，赫歇尔从一个业余的望远镜制造者和不出众的古典作曲家，变成了世界上最著名的科学家。英国皇家学会授予他科普利奖章（Copley Medal），在那个时代，这相当于他获得了诺贝尔奖。刚刚失去美洲殖民地的乔治三世国王迫切需要一些威望，他对赫歇尔试图将新行星命名为乔治的事乐不可支，并因此赏给他每年200 英镑的津贴。 这样一来，赫歇尔就可以把全部精力放在天文研究上了。在接下来的40 年里，他兢兢业业，不辞辛苦，制造了更大的望远镜，并试图解决棘手的星云问题：揭开星际之“云”的本来面目。用最先进的设备进行观察后，他很快发现，大部分发光的斑点其实是多颗分离的行星，这使他错误地断定星云的本质就是团聚的星辰。但是，不管他用多大的望远镜、多大的放大倍数去观察，总有一些星云依旧无法看清楚。赫歇尔便认为它们一定非常庞大，距离我们非常遥远。因此他得出结论，整个宇宙就是由这样巨大的星团——恒星的都市——组成的，它们后来被称为星系。 ★ 跨越200年的科学史故事，呈现电磁波发现背后不为人知的一面。详细讲解何时、是谁、如何发现了红外线、紫外线、微波、无线电、宇宙射线等多种电磁波，它们的发现如何改变了人类社会的方方面面。 ★ 涵盖和身边生活紧密相关的科学知识，你会明白它们到底有什么益处和害处。电磁波有加热、消毒、通信等很多用途，但手机辐射会不会致癌？夏天防晒防的是什么光？X射线和CT有什么区别？微波炉会不会爆炸？书中详细介绍了不同的电磁波都有什么性质，可以如何应用，会有什么风险。 ★ 语言幽默，阅读轻松。作者语言幽默，讲解清晰易懂，可读性强。全书26章，每章提取出来都是一篇有趣、有营养的科学小品。