說盡一夜星空

陳文屏

中央大學天文所及物理系所

本文濃縮版預計刊登於2001年7月號大地地理雜誌

 夕陽落下,夜幕低垂,繁星爭輝,這般景觀自古以來不知勾發了多少詩人墨客的思愁與好奇的心靈。是什麼神秘力量讓日夜規律交替、牽動日月星辰東昇西落?漆黑的夜空有多深邃?我們從哪裡來?將往何處去?天、地,以及天地之間的這一切有起點、終點嗎?千百年來同樣的問題一再出現,這些原本只屬於哲學與宗教範疇的問題,如今我們以科學的方法逐漸揭開宇宙天體的奧秘•••••

 本文的目的不在於敘述夜空之美。想要欣賞夜空不需要文字,只要走出戶外抬起頭就可以了。本文也不做哲學思想上的辯證,這些您甚至不需要站起來,只要閉起眼睛就可以做了。本文的目的在提供您讚嘆星空的外在美之餘,也能體會大自然理性的內在美。為使本文能讀能查,有些地方附了一些數字,定性與定量並重。也許您會發現看似複雜的宇宙,其內在美常超乎尋常的簡單。

 臥看牛郎織女星

在晴朗的夜晚面對天空一段時間,便能體會天地動態的一面,例如我們使用肉眼就能看到星體東昇西落,以及流星、彗星、日食、月食等等現象。天上的星星發光強弱各自不同,與地球距離也不相同,但是在漆黑的太空裡,我們無法判斷這些星球的遠近。這個情形有如在黑夜裡的微弱光點,我們無法判斷某個光點到底是近處的螢火蟲,還是明亮而遙遠的探照燈。距離不同的星星看起來似乎都分佈在遠方一個球面上,這個假想的球面稱為天球,這也就是古代渾天說的概念。

不同遠近的星星它們彼此沒有關連,但是因為投影在天球上,以致從我們這個角度看出去,似乎相隔很近而呈現某種特殊圖案,不同文明伴隨著想像及神話,將這些圖案賦予不同的動物或器物形象,這便是「星座」的概念。在春季夜裡,台灣上空能看到獅子座,乃由幾顆亮星構成獅子的圖像。要是我們從太空遙遠的另個角落觀看,這幾顆星球可能便不再構成獅子的樣子。現代天文學將全天空共分成八十八個以星座命名的區域,正如我們平常用的地名,以方便在天球上辨識位置。

位於不同距離的恆星投影成獵戶的形狀

        各個星座包含的天區大小不同,其中的星星明亮程度也不同,有些明顯易認,有些冷僻少見。為了方便辨識星體,古人創七言詩「步天歌」認星口訣,我們也可以把一些特別明亮的星球構成諸如「夏季大三角」的標記,比星座更容易上手。在漆黑的環境觀賞夜空,因為沒有光害可以看到比較暗的星球,這時候滿天星斗,是美麗星空的「震撼教育」,但是對想學認星的人來說,反而不知如何認起。都市中的晴夜,或是稍有月照的晚上,由於只能看到最亮的星,有時候反而讓人更容易由星圖著手辨位認星。

今夏夜裡最引人注意的就是火星。在七月入夜後可以在東南方偏南天空看到這顆橙紅色星球。火星是顆小型行星,多半時候距離地球很遠,所能反射的太陽光微弱,因此在地面上即使用望遠鏡也無法窺其究竟。地球繞太陽一圈需時一年,而火星差不多需要兩年,因此每兩年多,當火星與地球接近時,尤其太陽從地球背後直接照射時,便是觀測火星的好時刻,加上今年夏天火星與太陽的距離也最近,因此是最好的觀測機會。上一次有這麼好的「大接近」機會是在1988年。

在火星的右邊可以看到稍暗的另外一顆紅色星球,這是天蝎座中最亮的恆星,古人因為其顏色而稱為「大火」,也因為屬於古代「心宿」而稱為「心大星」或「心宿二」。早在殷商時代,先民就觀察到當入夜後大火星從東方地平升起時,便該準備春耕播種,而隨著物換星移,當大火星於入夜後將要西沈時,便是天氣轉涼,該是準備冬衣的時候,因此詩經載有「七月流火、九月授衣」,其中的「火」指的就是大火星。大火古代也稱為「商星」,而獵戶座則是冬季夜裡的明顯星座,屬於我國古代「參宿」,夏季與冬季星座不會同時在夜空中出現,因此才有杜甫「人生不相見,動如參與商」的詩句,以喻人不相見。

 火星古代亦稱「熒惑」,目前火星在心大星附近來回運行,這個現象稱為「熒惑守心」。為什麼火星會來回運動呢?想像一下我們繞著操場內圈跑步,如果外圈的跑者速度慢,因此當我們超越他時,接近時他看起似乎向著我們跑,而一旦我們趕過他,他看起來卻又似乎離我們而去。火星與太陽的距離比地球遠,所以當地球在軌道上運行超過火星時,火星看起來也發生「逆行」的現象。

地球繞太陽比火星快,因此當地球趕過火星時,火星看起來會有「逆行」現象

 在沒有月亮的夜晚,找個光害小的地方,可以看到銀河跨越天際,這是由無數的星球與雲氣組成的帶狀結構。夏天晚上往正頭頂看,可以看到明亮的牛郎星與織女星隔著銀河相望,藉著比對星圖,還可以找到十字形的天鵝座,然後循著迤邐的銀河一路指認「仙王」、「仙后」直到「英仙」。牛郎、織女以及天鵝座的尾巴「天津四」,這三顆亮星便構成「夏季大三角」。每年七夕乞巧時節,璀璨的銀河幻化成跨橋的青石,是傳說中一年一度牛郎與織女會合的日子,乃先民夏天夜裡觀賞星河的浪漫故事。

 古人不見今時月、今月曾經照古人

遠古時代對日月星辰的出沒,風雨雷電的產生,甚至天地萬物的形成,既不知其原因,也無法加以控制,於是委諸於「天」。「天」具有超能力,主宰萬物,而統治者奉天承運,自稱「天子」,甚至社會階級亦與天體律動關連。

 

我國古代將宇宙天體的次序結構與封建等級的社會制度相對應。圖示為漢武梁祠石刻,象徵天帝的星座位於北極星附近,位置不動,周圍為皇族、將相,臣民則拱皇帝而行,北斗七星成為天帝的座車。

中國人稱「四方上下」為「宇」,「往古來今」為「宙」;也就是說,宇宙包括了一切物體以及所有事情。晉書天文志中記述:「古言天者有三家,一曰蓋天,二曰宣夜,三曰渾天。」其中蓋天說主張「天圓如張蓋,地方如棋局」的天圓地方說認為天是個半球形,這個「天圓地方」與「八柱撐天」同為古人對天地結構的初步印象。渾天說則主張天乃完整的球殼,地球位於其中,天球每日帶著日月星辰繞行一周,可以轉到地下去,也就是現代天球的觀念。蓋天說與渾天說皆認為天為實體,日月星辰皆依附其上,有所依靠而隨著一起運行。但兩者中以渾天說較為天文學家接受,因為他們能夠使用儀器具體觀察天體的位置與運動。

 

宣夜說則認為天乃無邊無際的空間,而非具體形質,同時主張日月眾星等天體乃自然浮生虛空之中。歷史上「杞人憂天」的故事,擔心天體會落下,或是地會下陷,最後經懂得天地之道者解釋,說明天體為氣所構成,即使落下也不足為害,而地乃實體不致陷落,終使杞人不再憂心,所根據的就是宣夜學說。

現在我們知道宇宙極其寬廣,其中存在了各種不同的天體:有的龐大、有的渺小;有的熾熱、有的酷冷;有的稀鬆、有的稠密;有的發光、有的灰暗;有的我們目前有了基本瞭解(起碼我們自以為如此)、有的我們完全不知道它們的性質;當然,一定還有些我們甚至還不知道它們存在•••••

 天上何所有、歷歷種白榆 ─── 古樂府

我們平常使用的長度單位,像是公分、公里等,並不方便用來度量星球間遙遠的距離,因此一般常用光年做單位。光年是度量距離的單位,是光在真空中行走一年的距離,大約是十兆(10,000,000,000,000)公里。牛郎星距離地球約16光年,而在夜空中看起來在帶狀銀河另一端的織女星距離地球約25光年,它們彼此完全沒有關連,而和太陽一樣都屬於銀河裡無數星體的成員。

星球的名字 最亮的星多半有自己的名字,通常來自歷史典故或神話傳說,例如牛郎星、織女星。我國古代以「宿」分天區,相當於近代星座的觀念,例如金牛座中最亮的星古代稱為「畢宿五」,其英文為Aldebaran。牛郎星屬於天鷹座,英文稱為Altair。不少星球的英文都以「al」開頭,乃是阿拉伯文中的冠詞,相當於英文的「the」。

    有些星以在星座中的位置得名,像冬季入夜後明顯高掛天空的中的「獵戶座」部分屬於中國的「參宿」,其中紅色的「參宿四」其英文Betelgeuse為「獵人肩膀」的意思。一種更普遍的星球命名法是把同個星座中的亮星,大致依明暗按希臘字母順序排列,最亮的稱做α,次亮的叫β等等,然後加上星座名稱便是這顆星的全名。例如織女星英文名為Vega,也就是天琴座α星;天狼星 (Sirius) 則是大犬座α星,而天蝎座α星 (Antares) 這顆紅色星球的中文名為「心宿二」;獅子座最亮的α星中文稱為「軒轅十四」等等。

    對於為數愈來愈多的暗星則必須另有系統性的命名法,例如依明暗順序或者是位置來編號。不同命名方式使得某顆星可能有數個名字,就好比我們的稱呼或外號一樣。

古人觀察天體,注意到它們每日東昇西落,隨時都在天球上運動。絕大部分的星球彼此的相對位置不會改變,因此稱為「恆星」,但是有少數幾顆卻似乎「行走」於眾恆星之間,稱為「行星」。現在我們知道,地球也是顆行星,與其他行星一樣,都繞著太陽運動。依照離太陽距離由近而遠,行星的順序分別是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星,以及冥王星,其中金、木、水、火、土人類已經觀察好幾千年了,而最外面的三顆則是望遠鏡發明後才發現的。

行星都繞著太陽運動,這是因為太陽非常龐大,把所有行星的物質加起來,還不到太陽的百分之一。有些行星周圍有更小型的天體繞行,這些稱為「衛星」,例如月球就是地球的衛星。在行星當中,木星的體積最大,超過地球的一千多倍,但是和太陽比起來,木星的體積卻只是太陽的千分之一。

        宇宙到底有多大呢?這樣說好了,不管你想像宇宙有多大,它實際上都還要更大一些!

        台灣從南到北大約是400公里,而地球的圓周大約是4萬公里。月球和我們的距離大約是38萬公里,太陽則距離我們約15千萬公里。換句話說,把100個台灣南北連接起來,就差不多可以繞地球一圈,而月球與我們之間的距離,還不到地球圓周的10倍。人類希望在未來幾年登陸的火星,它與地球的距離最近時約為8千萬公里,最遠時約為38千萬公里,分別是地月距離的200多倍以及1000倍。由此可看出與登陸月球比起來,登陸火星在技術上要困難得多。

        這些數字可能不易直接體會它們的相對大小,因此讓我們用個比喻,來說明宇宙天體的尺度。如果我們把地球比喻成桌面上的一顆鹽,也就是大小只有一公釐,那麼月球就有如一根指頭寬度外的一粒胡椒,而太陽就如門口的蕃茄。同樣的尺度下,木星便像是巷子口的瓜子,而行星中最渺小而遙遠的冥王星,便如隔壁街的一粒微沙。

        除了行星繞著太陽轉,而衛星繞著行星轉以外,在太空裡還有成千上萬的冰塊、石頭碎渣以及非常稀薄的氣體,受到太陽的引力作用,圍繞在太陽周圍,這一切就構成太陽系。太陽系裡的天體只有太陽會自行發光,其他的天體則接收不同程度的陽光,愈遠的接收的愈少。太陽因為距離我們非常近,所以異常耀眼。月球與行星都不會發光,我們乃是藉著陽光反射才看得到它們,因此距離太陽(光源)近的,像水星、金星、火星、木星、土星它們的亮度都在肉眼可見的範圍內。當然,影響某行星亮度的不單只是它與太陽的距離,另外還有該行星與我們的距離以及其本身的性質,例如金星的大氣非常濃厚,反光能力強,因此非常明亮。

        離太陽最近的恆星稱為毗鄰星,位於南半球天空的半人馬座方向。人類卅幾年前發射出去的太空船,在結束了行星探訪任務後,繼續在太空中以高速飛行,現在才剛剛飛到太陽系的邊緣。如果依照前面的比喻,太陽有如一顆蕃茄,整個太陽系大小相當於一條街那麼毗鄰星距離我們有多遠呢?答案是:毗鄰星相當於在菲律賓馬尼拉的另一顆蕃茄!毗鄰星距離我們大約四光年多,以時速一千公里的噴射機,要花將近五百萬年的時間才能飛越這樣的距離。星球與星球之間真是極其空曠;人類卅多年的筋斗,卻還沒翻出如來佛太陽系的掌心哩。

        近在眼前的燈泡看起來很耀眼,但要是它距離很遠,看起來就會暗得多。太空裡充滿了很多像我們太陽一樣的星球,但是因為它們離我們極其遙遠,因此遠不如太陽光亮,看起來也沒有太陽那麼大,而只像是微弱的光點。天空中最亮的恆星是天狼星,距離地球不到9光年。其他比天狼星距離地球更近的恆星,發光能力都比較弱,因此除了毗鄰星以外,肉眼都看不到。

        星球在太空裡以非常快的速度運行,但是因為距離遠,我們感覺不到他們在運動,只有利用精密儀器才能察覺它們位置改變。距離我們近的天體,例如行星,則可以明顯察覺到它們的運動。從我們這個方向看去,北斗七星現在構成杓子的形狀,但由於各星球朝不同方向,以不同速度運動,十萬年前這幾顆星構成的圖形與現在稍有不同,而十萬年之後則完全變形,不再是斗杓的圖樣。

恆星在太空中的運動使得星座圖樣經過長時間會改變

        物體之間都有萬有引力,萬有引力的強度與物體的質量(也就是物質的含量)有關,也和距離有關;質量越大的物體它的萬有引力越強,距離越近的兩個物體萬有引力也越強。例如地球與太陽之間的萬有引力使得地球繞著太陽運行,否則地球會被吸往太陽。同樣的這股力量作用在太陽上,卻因為太陽質量比地球大很多,所以太陽幾乎紋風不動。太陽系中的行星由於距離太陽遠近不同,與太陽之間的萬有引力強弱不同,而以不同速度繞行太陽。離太陽越遠,繞行速度越慢,行走一圈所需的時間越久,例如木星繞太陽一圈需要約12年,以中國古代紀歲方式繞行一周天,故稱木星為「太歲星」。

        行星繞行太陽的運動稱為「公轉」。地球公轉一圈需時一年。雖然實際上是地球繞行太陽,但是我們看起來卻好像是太陽繞著地球運動。古人就一直以為地球是宇宙中心,是靜止不動的,所有日月星辰則繞著地球運轉。這怪不得古人,因為我們實在是無法感受到地球在動,這就好像在極度平緩的火車上,我們看到隔壁列車在移動,卻無法判別到底是我們在動,還是它在動,還是兩者都在動!

        地球繞行太陽的軌道面,或者說太陽看起來在天空行經的軌跡,稱為「黃道」。太陽看起來沿著黃道面運行,某個時段會走到某星座的天區,這12個星座便稱為「黃道12宮」。「占星術」認為天上星辰的位置及運動會左右人們命運,這些說法能夠提供生活情趣,但是不宜太認真看待,以致影響生活規劃。一個人在某月某日出生,代表的是地球公轉到特定的位置,但是各行星公轉週期不同,也就是即使是相同日子,在不同年份天體之間的相對位置並不相同。現在的星座分法也與幾千年來不同,因此沒有理由相信流傳了千百年的「神秘訊息」,現在還能照樣適用。或許天體真的有種力量,能夠巨細無疑地影響我們日常生活,但絕對不是目前科學家所知道的任何力量!要是星象家真的知道一些宇宙天體運行的奧秘,我相信天文學家一定會非常樂於請教。

        地球繞著太陽公轉,形成季節改變,定義了「年」的時間觀念。除了公轉之外,地球本身漂浮在太空中也自己旋轉,稱為「自轉」。地球自轉一圈需時一天,面對太陽時為白晝,背對太陽則為夜晚。在黑暗而晴朗的夜晚使用肉眼一般可以看到上千顆星,而若是前往地平線附近障礙少的地方,例如高山上或偏遠的海邊,能看到的就更多了。地球自轉使我們每晚看到星辰東昇西落;而地球公轉則使我們隔了數週或數月後,會在晚上看到不同的星象。

地球自轉使得不同時刻看到不同星空

不同季節看到的夜空不同

不同季節看到的北斗七星斗杓指向不同方向

不同緯度的觀測者  地球自轉一圈360度,只有在晚上,也就是當太陽在地平線之下,才能看清楚星星。而隨著地球公轉,每個晚上所能看到的星星也就不同。但是位於地面不同緯度的觀測者,也會看到不同的夜空。例如北極星對於位在北極區的觀測者會出現在正天頂,而對於赤道附近的觀測者則剛好在地平線上。台灣處於北緯約23度,所以北極星在天球上的位置在地平線上仰角23度處。當地球自轉時,在北極附近的觀測者總是看不到在南方的星球。相對而言,台灣位於低緯度地區,可以看到很大部分南方天區,而在赤道附近則可以看到最大、幾乎是全部的天區。

聽診地球內部

        一公斤的水與一公斤的鐵所含的質量一樣多,但是鐵所佔的體積小得多,也就是鐵比較密實。表達某物體密實程度的方法便是把它質量除以它的體積,這就是密度,例如水的密度為每立方公分(小指尖的大小)1公克,而鐵則為每立方公分將近8公克。地球的直徑約為12千多公里,平均密度為每立方公分5.5公克,如果把這個數字和地球表面一般岩石(每立方公分3公克)相比較,便能推論地球內部一定富含比岩石還要重的成分。我們並無法挖開地球探視其內部的情形,但是經由地震等方式,我們知道在地表岩石層之下,存在了由鐵、鎳等重元素所組成的核心,甚至有部分在高溫之下呈現液態。在核心的最中央部分溫度高達近攝氏5千度,幾乎和太陽表面相當,但是由於極高的壓力環境,鐵元素仍成固態。所以地球的內部結構頗有意思,表層及最中央都是固體,中間卻夾了一層液體!所以可以說我們腳下站的大塊土地都是浮在液體之上的,而這些緩慢漂移的板塊彼此碰撞,經年累月改變了地表的風貌,擠壓出高聳的山脈,碰撞時則造成地震。

        地震之所以能提供我們判斷地球的內部結構,其原理很像我們買西瓜時會在表面敲打,從聲音辨別西瓜含水的程度(雖然我覺得大多數人都聽不出所以然,但是買瓜時我們都還是習慣性老練地敲一敲!)醫生聽診有時也會敲打我們身體發出聲響,藉此察覺內部的異狀,也是基於同樣原理。當地球上某一地點發生地震後,震波向四方傳遞,有的沿表面散播,有的穿過地球內部傳到地面另外一個角落,由於不同區域的成分、狀態(液體或固體)與大小都會影響這些波的傳遞,我們藉由各地所接收到的訊號,便能推導出地球內部的結構。太陽是團氣體,也有微小的震動現象,科學家現在也利用一樣的「聽診」原理,試圖探查其內部結構。

 天外青天樓外樓 ───太陽系中其他的世界

        月球的直徑為地球的27%,質量為地球的1%,讀者可以利用密度與質量、體積的關係計算出月球平均密度為每立方公分3.3公克。因為這非常接近月球表面的岩石密度,我們可以判斷月球可能沒有太大的金屬核心。對於月球的起源說法眾說紛紜,有一種理論認為地球形成後不久受到某個天體擦撞,使得地球外層物質融化飛濺,但是大部分仍被地球引力抓住,終而部分又凝聚在一起形成月球。這個說法能夠解釋月球為何由低密度物質(與地表類似)組成,也由於受到外來衝擊,而使得地球與月球互繞的程度比其他系統來得快。

        月球繞行地球時有個有趣的現象,就是永遠以同一面對著地球。一般相信可能是因為月球與地球離得近,受到長期萬有引力牽制,而無法隨心所欲地自轉。這種牽制是互相的,我們其實每天都看得到月球引力牽制地球的效應,也就是潮汐現象。地球各部分與月球距離稍有不同,因此受到的萬有引力大小也不同,這使得海水整體會在指向月球的方向拉成橢圓狀,當地球自轉時,地面上的觀測者就看到海水漲落,一天各發生兩次。太陽的質量雖然比月球大得多,但是因為距離遠,引發地球潮汐的影響只有月球的一半。

        如果把地球與月球「相看兩不厭」說得比較有學問一點,那就是月球的自轉與公轉週期一樣。想像一下當月球繞著我們公轉半圈後,我們還是看到同樣一面,但是遠方假想的觀測者會看到月球的另外一面,也就是月球已經自轉了半圈。等到月球公轉一整圈後,同時也就自轉了一圈。所以月球之所以公轉與自轉時間長短一樣,其現象與月球以同一面對著地球是一樣的,而根本的原因是源於地球的萬有引力的牽制。

        我們看到的月球表面有些部分黑暗,有些則比較光亮。古人以為黑暗的部分類似地球上的海洋,故以「海」名之,現在我們知道月球上沒有水,但是此稱呼沿用至今。透過望遠鏡我們能清楚看到月面佈滿坑洞,同時發現和較亮的部分比起來,「海」的區域屬於低窪地帶且坑洞的數量似乎比較少。這些坑洞絕大多數是隕石坑,少數是已經沒有活動的火山口。由於月球沒有大氣層,太空裡的石塊墜落到表面後,便撞擊出坑洞,加上月球不似地球擁有活躍的板塊或大氣活動,月球上的坑洞因此能長期保留原始風貌。早年月球的火山活動所噴發出的岩漿,往低處流動,覆蓋了原來的表面,也蓋住了原來的隕石坑,同時由於反光能力比較不好,因此整個區域看起來比較黑暗。月球是目前唯一人類足跡踏上的天體,幾次登陸月球取得岩石樣本,證實低窪地帶屬於火山岩,且和較亮的高地比起來,年齡比較輕。由太空船傳回的月球影像顯示,我們從地面看不到的月球背面比較沒有高地與低地的差別,而且有更多隕石坑,這是因為這一面永遠「向外」,飽受太空隕石的撞擊。

        行星的公轉軌道大都在黃道面附近,因此要是從遠方太空觀看,整個太陽系分佈在一個平面上。水星與金星的軌道離太陽較近,因此總在太陽左右出現,大白天的時候太陽光芒四射,我們看不到它旁邊的水星與金星,而只有在黃昏太陽已經落下(西方)地平後,或是清晨太陽尚未升上(東方)地平時,才能看到耀眼的水星與金星。也因此這兩顆星也被稱為「晨星」或「昏星」。尤其是金星常在入夜後閃耀在西方天空,有時極其明亮,加上因為大氣閃動,讓人誤以為是飛機。我國古稱水星為「辰星」,而稱金星為「太白」星。更依太白晨出東方而稱「啟明」或昏見西方而稱「長庚」。

        在今年七月份,除了耀眼的火星以外,其他四顆肉眼看得到的行星,也就是水星、金星、木星與土星,會在凌晨時出現在東方地平線上。金星看起來特別明亮,在七月初與土星以及和土星差不多亮度的金牛座中的畢宿五略成三角形。到了七月中旬,金星將位於土星下方,而到下旬時,金星則逐漸接近木星。雖然木星要比土星或是火星明亮,但是金星還是明亮得多。

         水星是離太陽最近的行星,直徑約為地球38%,而質量不到地球6%。水星表面類似月球,佈滿隕石坑。白天(面對太陽的一面)溫度高達攝氏450度,連鉛都會融化,因為幾乎沒有大氣,夜晚溫度快速下降至約零下170日夜溫差達600度;相對而言地球有海洋與大氣的調節,日夜溫差只有約10到目前為止,相對於其他行星,除了離太陽最遠的冥王星以外,人類對水星的探測最少,因此將是未來探索行星的重點任務之一。

        行星或衛星是否擁有大氣層,端視其質量及表面溫度。質量小者萬有引力弱,比較不容易抓住大氣,而若是天體離太陽近,那麼表面溫度高,即使有任何氣體也會以高速運動,以致脫離萬有引力掌握而逃脫。水星與月球質量都非常小,水星表面溫度尤其非常高,所以兩者都沒有大氣層。

        金星是離太陽第二遠、也是離地球最近的行星,其直徑為地球95%,質量為地球82%,皆與地球相仿。外觀上最大的特色就是濃厚的大氣,表面的大氣壓力是地球表面的九十倍,主要成分是二氧化碳。太陽系中絕大多數天體的公轉與自轉的方向一致,例如從地球北極往下看,地球的自轉與公轉都是反時針方向,月球也是如此。金星卻是個例外,它的公轉方向與其他行星相同,都是反時針,但是自轉卻沿著順時針方向,據推測可能是早期受到天體撞擊的結果。1990年「麥哲倫號」太空船抵達金星上空,以雷達波探測金星表面,繪製了精密的地形圖,發現表面滿佈火山及岩漿。

        金星濃厚的大氣使得其表面暗無天日,但是金星和太陽的距離使其平均溫度超過水的沸點,因此水以氣態存在。由於缺乏液態水,大氣中的二氧化碳無法溶於水(汽水就是日常生活中二氧化碳溶於液態水的例子),而大量的累積在大氣中。這些氣體讓陽光(可見光、紫外線)穿過,卻能有效吸收紅外線與微波。我們平常用的微波爐就是應用食物分子吸收微波的原理,使得食物受熱。金星大氣受到陽光加熱,本身溫度升高而放出紅外線及微波,這些輻射被濃厚的大氣吸收而無法穿透出去,最後的結果就是能量進去得多,出來的少,造成溫度不斷升高,這就是所謂的「溫室效應」。而一旦大氣溫度升高,水更無法液化,金星受此一發不可收拾的溫室效應影響,表面溫度達到攝氏四百多度,平均溫度比離太陽更近的水星還要高。濃厚的雲層使得金星反光率達到76%,因此特別耀眼。夏季天空中明亮的牛郎星與織女星,比夜空中最亮的恆星天狼星只暗了幾倍,而金星最亮的時候其亮度將近織女星的100倍!之所以說「最亮的時候」,是因為金星的亮度取決於它離太陽的距離,它離地球的距離,以及它和我們及太陽的角度,也就是它會有如「月相」一樣的現象。

        地球與太陽的距離使得水得以液態存在,提供了得天獨厚的環境滋養萬物。隨著文明發展,車輛及工業等排放廢氣有可能加劇溫室效應,而使全球溫度升高。我們實在應該以金星為鑑,避免嚴重的溫室效應發生在地球上。

        水星與金星因為軌道在地球之內,所以只能在黃昏或清晨看到,火星、木星以及土星則因為軌道在地球之外,因此可以在任何時刻出現在天空。

        火星是距離太陽第四遠的行星,直徑為地球的53%,質量為地球的11%,因為顏色偏紅,很多民族都以戰爭或是流血與火星聯想。其紅色來自地面的氧化鐵(也就是鐵鏽),以及沙塵暴激起,充斥在大氣中的紅色塵土。火星的大氣壓只有地球的1%,其成分與金星一樣,絕大多數為二氧化碳。地球的自轉軸與黃道面傾斜23.5度,造成一年當中的季節變化。火星繞太陽公轉一圈需將近兩個地球年,但是火星的自轉軸和公轉軌道傾斜24度,因此與地球相仿也有季節變化。火星的南北兩極有乾冰覆蓋,稱為「極冠」,隨著火星的季節而變化大小。

        火星可能是激發人類想像力最多的天體。在科幻世界裡,火星人幾乎就是外星人的代名詞,除了因為歷史上曾經誤以為其表面有人工運河等構造,也因為火星在很多方面也的確(曾經)具備生命發展的條件。1970年代末期登陸的無人太空船並沒有發現任何運河,沒有看到或偵測到任何生命跡象,連微生物都沒有。檢視火星地形發現它表面曾經有大量流水的痕跡。現在的火星表面無法讓液態水存在,因為大氣壓太低,水會瞬間沸騰而蒸發。或許以前極冠或火星地表之下有水存在,偶而大型隕石撞擊或是火山活動使其融化,形成現在我們看到乾涸的河床。美國目前把火星定為下一個人類登陸的天體目標,這幾年以每26個月地球與火星距離最近的週期,陸續送出太空船探索火星,一方面進行地質、大氣等科學研究,在生命探尋方面,科學家已經不指望找到科幻小說裡的「小綠人」(小說中他們可以行光合作用自給自足哩!),但希望前往靠近極冠處取樣,但是否能找到微生物存在,或是曾經存在的證據。另一方面當然也為人類登陸做準備。

        木星是太陽系中最大的行星,質量為地球320倍,直徑為地球11倍。木星的密度為每立方公分1.3公克,與太陽一樣都是由氣體組成,但是木星質量不夠大,無法進行核反應,而只能靠收縮釋放少許熱量。木星的成分主要是氫、氦,以及少量的氨、甲烷、及水氣。木星外觀偏橘紅的顏色一般相信來自大氣中的硫化物。木星體積超過地球1000倍,但是自轉一圈卻不到10小時,這麼快速的自轉使得大氣中彩色雲帶平行於赤道方向。大氣中明顯的「大紅斑」,大小相當於兩、三個地球,乃劇烈大氣活動造成的風暴。由於伽利略當年便已經用望遠鏡觀察到大紅斑,表示此風暴已經存在至少三百多年,相對而言地球大氣暴風一般只持續幾天到幾星期。

        龐大的木星擁有將近20顆衛星。利用雙筒望遠鏡我們可以看到其中最大的四顆。伽利略當年利用望遠鏡觀測木星,首先發現了這四顆衛星,因此「木衛一」(Io,埃歐)、「木衛二」(Europa,歐羅巴)、「木衛三」(Ganymede,甘尼米德)與「木衛四」(Callisto,卡利斯多)也稱為「伽利略衛星」。這些衛星繞行木星的週期從約兩天到17天,因此在不同晚上會看到這些衛星的位置變化,伽利略當時記載這些衛星「在木星周圍常相左右,有如臣民之於君王般」,這讓伽利略確定它們乃繞行木星。這個發現對於人類的宇宙觀有重大影響,因為顯然天體不是都非得繞地球運行不可!這對於當時已經流行千百年,聖經中某些記載,以及從亞里斯多德與柏拉圖以來認為地球乃宇宙中心的想法造成巨大衝擊。除了研究木星大紅斑以及衛星以外,伽利略利用望遠鏡研究天體還有其他重大發現,從此開啟了以望遠鏡觀察天體的紀元。

        土星是太陽系中第二大的行星,與太陽的距離約是地球距日的10倍。土星的質量為地球的90幾倍,而直徑為地球的9倍多,這表示土星的平均密度只有水的0.7倍,是所有行星中最低的。土星大氣中的彩色雲帶不如木星明顯,而外觀最大的特色就是美麗炫目的光環,在小望遠鏡裡就可以看到。我記得年輕時第一次透過望遠鏡觀看土星,簡直無法相信世界上真有如此炫麗的天體可以居然就這麼飄在黑暗中!土星的光環乃由無數大小數公釐到數十公尺的碎石與小冰體組成,因為反射陽光而異常凸顯。其實木星也有光環,但是由比較不反光的成分組成,所以直到太空船飛臨木星後才發現。

         天王星海王星也屬於大型氣體行星。天王星的亮度恰在裸眼可觀測的天體亮度極限內,但是我本身只從望遠鏡中看到過這個微弱光點。天王星的質量將近是地球15倍,直徑則為地球4倍。海王星的質量為地球17倍,直徑則只有3.9倍。換句話說,天王星比海王星大一些,輕一些。兩者的大氣成分是氫、氦及一些甲烷。由於甲烷吸收陽光的紅黃波段,也造成這兩顆行星偏藍綠的顏色。太空船飛經天王星與海王星發現它們也都有環。

        天王星缺乏外觀特色,但是它的自轉軸倒躺在公轉軌道面上,特異於其他行星。當1989年「航海家二號」飛越海王星時,發現其南半球有個「大暗斑」,成因類似木星的大紅斑,亦是由大氣氣旋所造成,但因為大氣成分相異而致顏色不同。但是哈柏太空望遠鏡於1994年觀測海王星,卻發現大暗斑消失了,而1995年再次觀測時卻在其北半球發現另外一個風暴。

        冥王星是太陽系第九顆,也是最小的行星,質量只有地球的千分之二,直徑只有地球的20%。由於距離遠,反射的陽光微弱,我們對冥王星所知有限。但是和太陽系其他行星比起來,冥王星顯然有許多特異之處。首先冥王星繞行太陽的軌道為狹長的橢圓,不像其他行星多半接近正圓形,這使得冥王星部分軌道(最近一次是1979到1999年間)比海王星還接近太陽。其次冥王星的軌道面與黃道面有明顯的傾斜,也是異於其他行星之處。還有,在其他8個行星當中,依照距離太陽遠近可以明顯分成兩類。木星、土星、天王星、海王星等四個靠外面的行星,它們的體積、質量都很大,也因此周圍環繞的衛星個數都比較多,幾乎都超過10個。比起來,靠近太陽的四個行星當中,水星與金星都沒有衛星,地球有一個。火星的兩顆形狀不規則的小衛星大小都只有20公里左右,一般相信可能是從小行星帶(介於火星與木星之間)捕獲的小行星。靠外面的四個大型行星主要由氣體組成,因此密度都比較低,而靠內的四個行星則主要由固體岩石組成。

以距離來說冥王星遠離太陽,但是卻遠不能跟大型行星相提並論,事實上它比月球還要小。現在天文學家知道太陽系的邊緣不僅止於冥王星,因為在比冥王星還遠的區域裡,目前已經發現了將近四百個亮度極其微弱的小型天體,它們大小只有幾十公尺到幾百公尺,也就是像辦公大樓般大小,而冥王星只是這些小型天體中體型較大的罷了。

夏夜新情星較少、雨收殘水入天河──王建

辨識行星的方法  除了查閱星圖以外,簡單辨識行星的方法是看它會不會閃爍。恆星因為距離遠,光點在通過大氣層時因為擾動而有上下左右晃動的現象,也就是所謂的「一閃一閃亮晶晶」,但是行星距離近,其影像並非一個光點,而是小的盤面,因此晃動的程度比較不明顯。當然,要是當時大氣氣流旺盛,那麼所有的星都會晃動,而要是氣流非常穩定,那麼即使是恆星可能也晃動得不明顯。而在地平面附近的星,因為影像要穿過比較厚的大氣,也比較會有晃動的現象。所以這並不是絕對準確的方法,但要是你在頭頂上看到一顆亮星,看起來不會晃動,但是周圍其他亮星則會,那麼不會晃動的那顆,便有可能是行星,值得拿起望遠鏡,看看這是哪顆行星。而只要找到日、月、水、金、火、木、土其中的任兩顆,其連線也就是黃道面了。

        地球的外面包覆了大氣層。大氣層實際上非常薄,以一般地球儀來比喻地球的話,大氣層的厚度有如包在表面的一張衛生紙。大氣對我們來說非常重要,不但阻絕了來自外太空的有害高速粒子,也同時擋住絕大部份來自天外的電磁波。在各種能量的電磁波當中,只有非常少數能夠穿越大氣層,到達地面,我們也因此免於受到高能輻射的傷害。

        大氣阻絕電磁波對於地球上的生物達到保護的功能,但是由於科學家賴以研究天體的工具,絕大部分是接收並分析來自天體的各種電磁波輻射,因此對於觀測天體大氣則是一項障礙。地球大氣層不但阻絕多數波段的天體輻射,也造成星體影像模糊。除了大氣以外,人類文明也製造了一些影響觀測天體的因素,像是廢氣、煙霧、以及光害,因此觀測天體最好選擇光害少、視線沒有障礙的地方,像是高山上、黑暗的海邊等。天文學家常把天文望遠鏡建造在海拔高、晴天率高、光害小、大氣穩定之處,甚至置於太空中。將來有一天,甚至會將望遠鏡放在如月球表面或是太空深處等適合觀測天體的地方。

太陽與行星形成──滄海何曾斷地脈、朱涯從此破天荒(蘇軾)

        約五十億年前當銀河系當中某團雲氣收縮時,中央的部分溫度升高到足以引發核子反應而形成太陽。周圍的雲氣持續旋轉而收縮逐漸變成扁盤狀,在盤中的灰塵彼此凝聚、吸附,大小從不到萬分之一公分的星際灰塵漸次增大到公分、公尺,數十公尺。這些增大後的天體由於萬有引力比較強,在繞行太陽的同時會吸引軌道周圍的物質,使其繼續茁壯長大,最後在盤面上清出空隙,而造就出幾個「大傢伙」,也就是後來的行星。

        靠近太陽的行星由於溫度較高,氣體運動快,比較輕的元素尤其不容易被行星的萬有引力抓住。遠離太陽的行星因為繞行比較大的軌道,能吸積到大量物質,增大後萬有引力也變大,加上溫度低,以致即使是氫、氦也能夠被行星的引力抓住。由於氫、氦正是雲氣裡最多的元素,造就了外圍的巨型行星。

        製造太陽與行星後剩下的小型天體散佈在太陽系裡。比較接近太陽者成分為較耐高溫的金屬與氧化物,而靠外圍者則可能富含冰質。習慣上我們稱前者為小行星,後者為彗星,但是兩者的分野已逐漸模糊,歷史上就曾經發生一直以為是小行星的天體,卻突然出現如彗星般噴氣的現象。在火星與木星之間,存在了數以萬計的小行星,這些可能受到木星龐大萬有引力的擾動,以致未能結合成單一行星。

        在大約土星及天王星的區域,存在了一些成分以冰渣為主的微小天體。巨大的外行星逐漸成型後,它們萬有引力產生的干擾將這些冰冷的天體彈射到太陽系以外的區域,億萬年來被太陽引力微弱著牽著,遊走於太空。這些天體體積極小、溫度低、加上距離遠,因此我們看不到它們。只有在極稀少的機會,會有一些冰體受到銀河系其他星球路過時擾動的影響被甩進太陽系。絕大部份的冰體進入太陽系後,軌道稍被偏折後又離去不復返。少數一些會被太陽的萬有引力攫獲而以狹長軌道繞太陽運行,便成了一顆週期性彗星。

        由前面所述,太陽初形成時有些小行星聚集形成行星,其他的則分散在太陽系各處,或是被拋到外太空。這些小行星或彗星在太空遊走,包括我們地球都有與它們互撞的機會,月球與水星表面歷歷可數的隕石坑是這些撞擊事件明確的證據。地球表面的隕石坑絕大多數都已經歷經板塊運動或氣候、水流侵蝕,而不復可見。我們在晚上看到的「流星」現象,就是太空中為數眾多的小天體撞擊地球的結果,這些大小如細沙的塵粒在掉進大氣層時,摩擦產生高熱,而引發周遭氣體發光。體積大一點的天體,可能在通過大氣時不致消耗殆盡,而落在地面,成為「隕石」。彗星由冰體與塵埃混合而成,以微弱的萬有引力聚合在一起,當接近太陽時,受熱蒸發。太陽發出的光線以及噴發出來的物質推壓包覆在彗星四周的氣體與塵埃,因而形成壯麗的彗星尾巴。彗星在太空遊走的同時,把零碎的物質散佈在軌道上,仍然繞著太陽運行。當地球通過這些彗星軌道區域時,便會與大量零碎物質遭遇,掉進地球大氣而形成「流星雨」現象。

一年當中可以看到大約十幾個流星雨,都是近期繞行太陽附近的彗星遺留的殘渣所產生。流星雨源於地球撞向漂浮在太空的彗星碎塊,這些碎塊其實大約是平行進入大氣層的,彼此相隔可達數百公里,但在我們看起來,由於碎塊軌跡的一端較接近地面,所有的流星好像來自天上同一個點(稱為「輻射點」),而成輻射狀射出。一個類似的現象是鐵路的兩條軌道彼此平行,但我們看起來卻似乎在遠方相交。流星雨便以輻射點所在的星座命名。例如8月中旬可以觀賞英仙座流星雨,但是今年發生時月光比較明亮,因此可能不如往年壯觀。

在行星周圍,由小行星凝聚成衛星,然而要是這些小型天體太靠近行星,類似受到行星萬有引力牽引,會使得小型天體無法聚集,於是便圍繞在行星四周,形成行星環。幾個巨型行星,木星、土星、天王星、海王星都有環,這些環就相當於沒有成形的衛星。火星的兩個抓自小行星帶的小衛星,也太靠近火星,在幾億年間將被火星拉扯碎裂,屆時火星說不定也會出現行星環!類似盤狀結構是天體旋轉的自然結果,所以我們看到銀河系本身成盤狀,太陽系成盤狀,行星環也是類似結構,天文學家發現很多天體周圍都有盤狀結構。我當年被原以為獨一無二的土星光環所迷,而走進研究天文的殿堂,現在才知道天體有環不稀奇。事實上殿堂裡到處充滿驚奇,好多稀奇的事物後來變得可以用簡單的原理說明,好多問題有了答案後,卻引發出更多的問題。

宇宙處處充滿生機。冬季裡高掛夜空的獵戶座,在獵人配劍的方向,該區域充滿了濃厚的雲氣與灰塵,是恆星與行星形成的地方。有名的「獵戶座大星雲」外形如張翅火鳥,由濃厚的氫分子聚集而成,距離我們約1600光年,整個雲氣的範圍約20光年。雲氣中有些星球的年齡還不到10萬年,這些高溫恆星所發出的紫外線使得鄰近的氫氣激發而發出紅色光芒,雲氣中的塵埃則反射星光而發出偏藍的光線。該雲氣一直到現在都還在製造恆星,這些剛從雲氣中誕生的星球有些還包裹了濃厚的氣體與塵埃,以致於我們從外面無法輕易看到它們發出的光,而必須在紅外線或微波等長波輻射才偵測得到。獵戶座中另一有名的「馬頭星雲」,位於獵人腰帶三顆星的最左邊星的下方,乃形似馬頭的黑暗星雲,正是塵埃聚集的濃厚雲氣擋住了後方發光的雲氣及星光。

        天文學家目前已經在超過數十顆恆星的周圍,發現有行星存在的證據。說不定在不久的將來我們會找到一些環境適合生命發展的行星;說不定它們也的確發展出了文明;說不定他們也一樣好奇是否宇宙中也存在了其他生物,問著同樣的問題….

宇宙最讓人無法理解之處,在於其居然可以理解 ── 愛因斯坦

        星星到底是什麼東西呢?物質是由一些非常微小的原子組成的,原子的結構包括原子核(由中子與質子組成)以及在原子核外面高速繞行的電子。不同個數的質子與中子所形成的原子核則形成不同元素,例如一個質子(帶正電)與一個電子(帶負電)繞在一起,就構成氫元素,兩個質子與兩個中子則構成氦原子核,帶兩個正電,要是氦原子核外面有兩個電子繞行,便構成氦原子。原子可以和原子彼此結合在一起,構成各式分子。現代科學家發現質子、中子與電子其實乃由更小的基本粒子所組成。

        你我身體內含量最多的元素是氫,太陽的情形亦然,事實上整個宇宙中含量最豐富的元素就是氫,這是因為氫元素構造最簡單。我們身體裡的氫皆與別的原子結合成分子,例如與氧結合成水,或碳元素結構成複雜的各式有機物。太陽當中的氫元素和我們身上的氫元素是一樣的,事實上,就我們目前所知,宇宙其他角落的物質也和我們有一樣的化學結構,也都遵循一樣的物理定律。有意思的是,地球表面含量最多的化學成分是矽(泥土的成分之一),而大氣中最豐富的元素則是氮。換句話說,我們與其他生物雖然生存在地球上,但是以成分來說,我們反而與太陽比較類似!

        太陽由一團氣體組成,其中氫元素約占了四分之三、氦占四分之一,其他的元素含量都很少。太陽中心的溫度據估計達攝氏一千五百萬度,足以讓氫原子核(也就是質子)結合在一起,形成氦原子核,而在過程中放出能量。這些核子反應所釋放的能量漸漸向外傳遞,提供太陽各部分氣體運動所需的能量。離開太陽核心越遠,溫度愈來愈低,最後終於不再足以進行核子反應,到了表面溫度降到攝氏5千多度,能量以光與熱的形式向四周輻射。在太陽內部,氣體一方面受到萬有引力,另方面獲得能量便快速運動而產生熱壓力,由於萬有引力與熱壓力這兩種力量的巧妙平衡,使得太陽處於穩定的狀態。太陽的直徑約140萬公里,據估計已經照耀了約50億年,而其內部大量的氫氣仍足以維持另外50億年的核反應消耗。

        太空裡的恆星也都和太陽一樣,藉著核反應把氫轉換成氦,產生能量而發光。質量越大的恆星,萬有引力越強,並需有越快的核子反應提供熱壓力,否則星球就不會處於平衡狀態,快速的核子反應也因此釋放出大量能量,而發出強烈光芒,而如此加速消耗核子燃料的結果,使得大質量恆星只有短暫的壽命。像是 牛郎星與織女星便屬於這類恆星,它們的年齡都只有幾千萬年,要比太陽短暫得多。質量大的恆星光芒四射,生命卻稍縱即逝,為「紅顏薄命」做了天文學上的註解。

        太陽是團高溫的氣體,由於本身的萬有引力向內拉縮而形成球狀。既然受限於高溫我們無法飛到太陽附近測量,那麼我們怎麼知道太陽的表面溫度有多熱呢?還有,氣體構成的球體怎麼會有「表面」呢?其實太陽並沒有明確的邊界,我們平常看到的太陽,乃太陽發射光線的區域,但是由於這個區域和太陽整個直徑比起來尺度小很多,所以我們看起來好像太陽有個明確的邊界。那麼,我們如何估計這個區域的溫度為攝氏5千多度呢?

        炙熱的發光體越熱,它所發出的光就越偏向藍白色,而發光體溫度越低,就偏向發紅色光芒。身邊要是有透明的白熾燈泡,若是將其開關緩緩關閉,會發現原來白炙的燈絲會逐漸變紅,溫度變低,光度也變弱。根據相同的道理,我們可以恆星發光的顏色來估計它們的表面溫度。例如織女星發出白色光芒,因此它的表面溫度一定比太陽(發黃光)高,而天蝎座主星「心宿二」,也就是「大火」,其名Antares為希臘文「與火星爭豔」之意,則發紅色光芒,溫度就應該比太陽低。果然,經過儀器測量織女星的溫度約為1萬度,而心宿二則只有約2000度。要注意這個顏色與溫度的原則只適用於發光體,不能應用在反光物體,所以無法據以判斷桌椅、毛衣,或是月亮、火星的溫度。

星馳平野闊、月湧大江流

        我們四周有很多人群集中的場合,像是學校的教室把學生班級區隔開,要是我們再放大尺度看,整個學校又比周圍社區擁擠,更大的尺度則發現人口集中在各個都市等等,整個地表上人口並非均勻分布,而是群集分布的。

        星星也一樣有群集的趨勢。兩顆互繞的恆星即成為「雙星」。數十顆恆星聚集在一起的星球集團,稱為「星團」,這些星球彼此真正有關連,而不像構成星座圖像的星星只是投影的結果。有的大型星團甚至包含超過數十萬顆恆星。數以千億計的恆星與雲氣聚集在一起,因為彼此的萬有引力而互相繞著運動,即構成一個星系。我們本身所在的這個星系特稱為銀河系。銀河系中的恆星絕大多數集中在一個扁平、像盤子的結構上,由於我們也位於銀河盤面上,因此從我們的位置往圓盤方向看出去,銀河系裡的恆星便分布成帶狀,像一道迤邐的銀白色星河,橫跨夜空。

從地球看銀河盤面,眾多恆星與雲氣分佈成帶狀結構

銀河系示意圖

        整個銀河系盤面,從一端到另一端大小約十萬光年,而太陽距離銀河系中心約三萬光年,並以八十萬公里的時速繞銀河系中心運行,大約兩億多年才繞行一圈。銀河系盤面上,除了恆星,還有星際雲氣,這些雲氣由前一代恆星死亡過程中所噴發出來,混雜了恆星一生進行核反應所製造的複雜元素,而這些雲氣也是形成下一代恆星的原始材料。

         在銀河系附近還有很多其他星系,大多也包含上千億顆的恆星,有的星系似乎看起來像個橢圓體,有的則呈螺旋狀,還有的形狀不規則。星系並非均勻分佈在空間中,而常集結成群,像是我們的銀河就與一群大約三十個星系共同構成「本星系團」,分佈在大約三百萬光年範圍內。愈向外空間愈大,包含的星系數目愈多,但是看起來也愈來愈暗,非常遙遠星系的微弱光線,甚至連目前最大型的望遠鏡都還看不到。目前天文學家利用望遠鏡已偵測到超過上億個星系,但這些也只不過是宇宙一個小角落罷了。

各式星系

只緣身在此山中  我們的銀河系屬於螺旋星系,也有螺旋結構,但是我們就在銀河系裡,無法知道自己外表到底長什麼樣子。螺旋星系的外型像個扁平的盤子,當中除了恆星還有很多雲氣與灰塵,這些就是製造恆星與行星的原料。如果螺旋星系恰好以盤面正對著我們,我們便能看到它的螺旋結構,而若是側面對著我們,我們便看到集中在星系盤面中央的雲氣與灰塵。

1920年代末期哈柏這位天文學家觀測遙遠星系,發現它們都遠離我們而去,而且距離我們越遠的星系,遠離而去的速度越快。這真是件讓人納悶的現象。除非我們居於宇宙中特殊的位置,否則要是宇宙中其他角落也和我們一樣,都會看到所有的遙遠星系都在遠離,而且離得越遠,遠離的速度越快,那麼宇宙就必然在膨脹!

發現宇宙膨脹的這項事實大概算是人類最重大的科學發現之一了,這表示宇宙是有「起點」的,稱為「大霹靂」。到目前為止我們還不很確定大霹靂發生在距今多久之前,但是一般相信差不多是一百三十億年前左右。大霹靂產生了能量與物質,之後物質逐漸成形、聚集,彼此交互作用,有了因果關係,而有了時間。有關宇宙創始時的情形、如何在過去的百億年當中形成星系與種種天體,以及宇宙未來將如何演化等種種這些問題,都是天文學家目前正在研究的課題。

        距離我們一百億光年的星系,它所發出的光線經過長途跋涉,於一百億年之後的現在到達我們眼中;我們看到六千五百萬光年之外的某個星系,當這些光線離開該星系時,正是地球上恐龍滅絕的時期。同樣道理,一百光年之外星球所發出的光線,則是一百年前發出來的。宇宙若創始於一百三十億年前,我們所能看到的宇宙大小,就是光線在這段時間內所能行走的距離,也就是一百三十億光年。在此之外的事物,我們無法觀測得到,因為即使它們存在,它們發出的光線也還沒能抵達我們這裡。當我們面對夜空,在同一時間觀看到不同時空的天體,上下四方與古往今來的一切,全部在此交會。我們平日汲汲營營,例如現時正忙著兩天之後到期的某件事情,接著會冒出另外一件事,要在今天下午以前解決,然後在走廊上被叫住,必須處理或許只要花十分鐘,卻必須立刻解決的事情!終日被生活迴圈壓得喘不過氣來,似乎總在用機智處理事情,而根本沒有時間深思熟慮;只有小聰明,沒有大智慧。

        這樣的時候,能夠走出戶外,抬頭讓星光洗臉,是件舒暢快意的事情。面對天地之大,人事的紛擾、世俗的牽絆全被冰冷的空氣與暗邃的天空凝結。即便是「如果宇宙是答案,那麼問題是什麼?」這樣詭譎的思索,都可以暫時拋在腦後。在宇宙一百三十多億年的時間洪流中,四十六億年前的一團星際雲氣造就了太陽,它的光與熱滋潤了同時期形成的行星,簡單與複雜的元素在太空各式環境中,循著有跡可尋的物理與化學過程交互作用。得天獨厚的地球讓這些作用持續朝高度複雜的狀態演化,而在最初幾億年之內,就發展出簡單的生物,然後經過長期的演化,在約三百萬年前出現類似人類的生物。如果把地球的四十六億年歷史製作成一年的電影,於元旦開演時地球剛剛形成,整個一、二月份地球仍遭受大量小行星轟擊而處於熔融狀態。終於海洋形成,最原始的生命大約在三、四月之際出現。之後生命展開漫長的演化,一直要到十一月廿八日左右才有陸地生命。如果電影繼續放映,像是恐龍這樣的生物直到十二月12日才出現,然後在聖誕夜滅絕,接著哺乳類動物以及鳥類大量出現。

        人類呢?在這部電影中,直到除夕當天才出現類似人類的生物,而到了除夕傍晚他們才學到製作石器。秦始皇統一天下時,我們的影片放映到最後十四秒鐘,而 國父推翻滿清相當於元旦凌晨前0•六秒,就更別說上一次立法院是什麼時候打架了!人類做為時空過客,實在應該珍惜這部影片的劇情與道具,努力成為影片續集的主角,讓世代子孫永續經營,向宇宙拜年!