天空與地球

有史以來(lái)，人類一直在觀察天空，試圖理解他們?cè)谝箍罩锌吹降狞c(diǎn)點(diǎn)繁星。 自從哥白尼發(fā)表日心說(shuō)，開(kāi)普勒發(fā)表有關(guān)行星軌道的工作以及康德在18世紀(jì)對(duì)星云的研究以來(lái)，到了19世紀(jì)，理論已經(jīng)走過(guò)了一段漫長(zhǎng)的道路。

自從伽利略在1610年首先把望遠(yuǎn)鏡用于天文學(xué)以來(lái)，關(guān)于宇宙的研究邁出了巨大的一步。現(xiàn)在天文學(xué)家已經(jīng)探明木星的四大衛(wèi)星、土星光環(huán)和月亮的表面。到18世紀(jì)，由于望遠(yuǎn)鏡的改進(jìn)，威廉·赫歇爾發(fā)現(xiàn)了第七顆行星——天王星，這是自古代以來(lái)首次看到的新行星。不過(guò)天王星的軌道有些奇怪，這一遙遠(yuǎn)的漫游者似乎暗示至少還有一個(gè)行星存在于太陽(yáng)系。但是它在哪里呢？

女天文學(xué)家麥克爾

麥克爾（Maria Mitchell， 1818—1889）出生于美國(guó)馬薩諸塞州的楠塔基特島。她沒(méi)有機(jī)會(huì)受正規(guī)教育，但幸運(yùn)的是，有父親教她，后來(lái)她成為楠塔基特圖書館管理員。他業(yè)余最感興趣的事是守望天空，進(jìn)行天文觀測(cè)。

1847年10月1日，麥克爾發(fā)現(xiàn)了一顆彗星，立刻受到了科學(xué)界的注意。1849年，她在美國(guó)航海歷書局獲得職位。在那里她從事天文學(xué)計(jì)算，因能干和計(jì)算精確而贏得好評(píng)。1865年她被聘為新成立的瓦薩女子學(xué)院的天文學(xué)教授。

對(duì)于婦女成為職業(yè)科學(xué)家的理想來(lái)說(shuō)，麥克爾的早期貢獻(xiàn)具有里程碑意義。她成功地沖破了當(dāng)時(shí)的偏見(jiàn)，從事自己所愛(ài)的職業(yè)，而這個(gè)職業(yè)卻被認(rèn)為與女性不相容或者不適合。盡管社會(huì)期待的是婦女待在家里、管理家務(wù)、撫育子女，但是麥克爾卻把自己的一生奉獻(xiàn)給了天文學(xué)。她成了第一位被選為美國(guó)藝術(shù)與科學(xué)院的女院士。直到1889年去世，她一直在瓦薩教導(dǎo)其他婦女，讓她們認(rèn)識(shí)科學(xué)是屬于每個(gè)人的。

麥克爾是美國(guó)第一位職業(yè)女天文學(xué)家。

還有其他的問(wèn)題困惑著天文學(xué)家。18世紀(jì)梅斯?fàn)栐敱M列出的星云究竟是什么？它們也許離得太遠(yuǎn)，以至于在望遠(yuǎn)鏡里看上去只是一個(gè)斑點(diǎn)？或者它們會(huì)不會(huì)就是有人所假設(shè)的氣體云？怎樣才能弄清楚？太陽(yáng)是由什么組成的？恒星呢？

更好的檢測(cè)方法是獲得進(jìn)展的關(guān)鍵。人們需要更高的精確度，更有效的計(jì)算方法和更好的儀器。為了回應(yīng)這一挑戰(zhàn)，許多富有激情、奉獻(xiàn)精神和聰慧機(jī)敏的頭腦被吸引到這個(gè)領(lǐng)域。但是在19世紀(jì)里，有兩項(xiàng)非凡進(jìn)展大大推動(dòng)了天文學(xué)家的工作：一項(xiàng)令人驚奇的技術(shù)是（通過(guò)光譜儀）可以測(cè)定恒星由什么組成，另一項(xiàng)技術(shù)是（用1826年發(fā)明的照相術(shù)）可以記錄望遠(yuǎn)鏡所指向的天體。

看得更好

19世紀(jì)天文學(xué)的進(jìn)展很大程度上可追溯到一家光學(xué)店，那里有一位執(zhí)著的“磨鏡師，”他的名字叫夫瑯和費(fèi)。在當(dāng)時(shí)的化學(xué)、物理學(xué)或天文學(xué)界，這一名字無(wú)人不知。正如前文所述，這位曾經(jīng)身無(wú)分文的孤兒不僅發(fā)現(xiàn)了以他名字命名的光譜線，而且還因他那精心磨制的透鏡和做工精細(xì)、包裝在摩洛哥紅皮革里的望遠(yuǎn)鏡而聞名遐邇。

德國(guó)天文學(xué)家貝塞耳（Friedrich Bessel， 1784—1846）應(yīng)用夫瑯和費(fèi)的一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，第一次成功測(cè)量了一顆名叫天鵝座61星的距離。天文學(xué)家在3個(gè)世紀(jì)里，一直在試圖測(cè)定任一恒星的視差。視差是指從兩個(gè)不同地點(diǎn)看同一個(gè)天體在位置上的表觀移動(dòng)。測(cè)定了視差，天文學(xué)家就可以利用三角測(cè)量法確定恒星到地球的距離。但是恒星距離如此之遠(yuǎn)，即使從地球軌道相差　6個(gè)月的位置進(jìn)行測(cè)量（這是地球上的天文學(xué)家所能得到的最大基線），也從未得到滿意的結(jié)果。貝塞耳選擇　了天鵝座61星，是因?yàn)檫@顆恒星雖然較為暗淡，卻有比較快的固有運(yùn)動(dòng)（恒星相對(duì)于固定背景的表觀運(yùn)動(dòng)），在所有恒星中，它的這一運(yùn)動(dòng)速度最快。他訓(xùn)練可信賴的夫瑯和費(fèi)從事這項(xiàng)工作，用了一臺(tái)名叫太陽(yáng)儀的特殊儀器——由他自己親自設(shè)計(jì)，并由夫瑯和費(fèi)制作。通過(guò)耐心細(xì)致的長(zhǎng)期觀測(cè)，貝塞耳測(cè)量到了天鵝座　61星微小的位移，這樣就能把它的位置與附近更為暗淡的另外兩顆恒星相比較。令他驚奇的是，天鵝座　61星的視差表明，它距離地球大約相當(dāng)于現(xiàn)在所說(shuō)的6光年，而牛頓認(rèn)為這個(gè)距離大約相當(dāng)于現(xiàn)在所說(shuō)的2光年，所以這一發(fā)現(xiàn)大大改變了天文學(xué)家對(duì)宇宙尺度的觀念。

1838年，貝塞耳宣布這一成果，哥白尼的謎團(tuán)再次得到有力澄清，哪怕是恒星有極小的視差，也說(shuō)明了地球是在太空里運(yùn)動(dòng)。

巴納德

貝塞耳還用他的太陽(yáng)儀觀察了兩顆恒星：天狼星和南河三。這兩顆星都有微小的偏差，無(wú)法解釋成視差，也許更像是在顫抖。1841年，貝塞耳假設(shè)這兩顆星分別圍繞著一個(gè)看不見(jiàn)的伴星在旋轉(zhuǎn)。

故事的其余部分屬于第二位精密透鏡制作者馬薩諸塞州的克拉克（Alvan Clark，1832—1897）。他和夫瑯和費(fèi)一樣，做出了世界聞名的透鏡。1862年的一個(gè)夜晚，克拉克正在測(cè)試他和他父親正在加工的18英寸透鏡，這時(shí)他對(duì)準(zhǔn)天狼星，認(rèn)出了這顆星附近的一個(gè)微小的光斑，這正是21年前貝塞耳預(yù)言的伴星。

用克拉克的望遠(yuǎn)鏡還作出了兩項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)。1877年，火星正處于近地點(diǎn)時(shí)，康涅狄格州的霍爾（Asaph Hall， 1829—1907），在他夫人斯提克里（Angelina Stickney）堅(jiān)持“再試一個(gè)晚上”的請(qǐng)求下，發(fā)現(xiàn)了火星的兩顆衛(wèi)星。1892年，巴納德（Edward Emerson Barnard， 1857—1923），發(fā)現(xiàn)了木星的第五顆衛(wèi)星，這是三個(gè)世紀(jì)以來(lái)的第一次發(fā)現(xiàn)。

羅塞的第三伯爵帕森斯（William Parsons， 1800—1867），用他自己的巨型72英寸反射式望遠(yuǎn)鏡（名為利維坦，意為巨獸）也作出了重要發(fā)現(xiàn)，他從1842年開(kāi)始在愛(ài)爾蘭他的莊園里自行建造這臺(tái)巨型望遠(yuǎn)鏡，1845年完成并準(zhǔn)備開(kāi)始觀察。然而他的家鄉(xiāng)總是霧天，直到1848年羅塞伯爵才有可能研究巨蟹座星云。這是他起的名字。他識(shí)別了好幾個(gè)旋臂狀的天體，后來(lái)證明是非常遙遠(yuǎn)的星系。

與此同時(shí)，夫瑯和費(fèi)和克拉克在改進(jìn)透鏡上的成功，激勵(lì)了好幾臺(tái)反射式巨型望遠(yuǎn)鏡在19世紀(jì)末建造成功，其中包括1888年在加利福尼亞州的里克天文臺(tái)建造的一臺(tái)36英寸孔徑的望遠(yuǎn)鏡；一臺(tái)在芝加哥附近的孔徑為40英寸的耶基斯天文臺(tái)，由克拉克監(jiān)制，1897年開(kāi)放，現(xiàn)在仍在使用。

遺失的行星

當(dāng)古人環(huán)視夜空時(shí)，他們看到了稱之為“漫游者”的天體，這就是行星，它們以奇特的方式穿越天空，分別被取名為水星、金星、火星、木星與土星。當(dāng)然，今天我們知道地球也是行星，但是當(dāng)時(shí)沒(méi)有人認(rèn)為它是行星。威廉·赫歇爾在1781年發(fā)現(xiàn)天王星令所有人大跌眼鏡。（實(shí)際上，他并不是第一個(gè)看見(jiàn)天王星的，這顆星不需要望遠(yuǎn)鏡就可以看見(jiàn)。但他確是第一個(gè)證實(shí)了天王星是行星。）威廉·赫歇爾運(yùn)用系統(tǒng)搜索、出色的望遠(yuǎn)鏡和優(yōu)秀的眼力，并且得到他妹妹凱洛琳·赫歇爾的幫助。

但是也許還有更多的行星。許多天文學(xué)家被水星軌道的偏離現(xiàn)象所困擾，威耶（Urbain-Jean-Joseph Le Verrier， 1811—1877）確信，這一現(xiàn)象可用水星和太陽(yáng)之間存在另一個(gè)行星來(lái)說(shuō)明。經(jīng)過(guò)計(jì)算，預(yù)言它的軌道和尺寸（直徑1 000米），還給它起了一個(gè)名字，叫做祝融星（Vulcan）。但是，盡管很多天文學(xué)家試圖去尋找，卻始終沒(méi)有發(fā)現(xiàn)。（愛(ài)因斯坦后來(lái)解釋了為什么水星的軌道不符合牛頓物理學(xué)，與另外一顆行星的存在無(wú)關(guān)。）

海王星的發(fā)現(xiàn)者威耶

天王星的軌道也有同樣的問(wèn)題。威耶的運(yùn)氣則要好得多。他再次進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算并列出方程組。然后，他和柏林的伽勒（Johann Galle， 1812—1910）聯(lián)系，告訴他什么位置可以找到。1846年9月23日，幾乎就在威耶指出的地方，伽勒幸運(yùn)地發(fā)現(xiàn)了新行星——海王星，它是和天王星大小差不多的另一顆巨星。這一發(fā)現(xiàn)是天文學(xué)作為一門科學(xué)的勝利。

正如曾經(jīng)發(fā)生過(guò)的，往往會(huì)有不止一位科學(xué)家熱衷于同一現(xiàn)象，而要獲得發(fā)現(xiàn)者殊榮，則取決于運(yùn)氣。就海王星這一例子，劍橋的亞當(dāng)斯（John Couch Adams， 1819—1892）在伽勒發(fā)現(xiàn)之前幾個(gè)月也曾作出同樣的計(jì)算，但是他沒(méi)有獲得望遠(yuǎn)鏡的支持。

夫瑯和費(fèi)譜線

當(dāng)39歲的夫瑯和費(fèi)在1826年6月7日去世時(shí)，他留下的遺產(chǎn)不僅有那些精致的透鏡，而且還有許多神秘的譜線。后來(lái)在1859年，基爾霍夫和本生宣布發(fā)明光譜儀，于是有了一系列元素的發(fā)現(xiàn)。

一天傍晚，基爾霍夫和本生正在海德堡的實(shí)驗(yàn)室工作，這時(shí)他們看見(jiàn)十英里遠(yuǎn)處曼海姆城附近大火燃燒。他們把光譜儀瞄準(zhǔn)大火，發(fā)現(xiàn)從火焰的譜線排列可以檢測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)有鋇和鍶的存在，即使相隔這樣遠(yuǎn)的距離。本生開(kāi)始想到，有沒(méi)有可能讓光譜儀瞄準(zhǔn)太陽(yáng)光，檢測(cè)太陽(yáng)有什么元素呢？他咕噥道：“但是人們會(huì)以為我們瘋了，竟然夢(mèng)想做這樣的事情。”

1861年，基爾霍夫把這一想法付諸實(shí)驗(yàn)，從太陽(yáng)發(fā)出的光中，他成功地辨認(rèn)了九種元素：鈉、鈣、鎂、鐵、鉻、鎳、鋇、銅和鋅。真是令人驚訝，天空中曾經(jīng)被古人崇敬為神的巨大光源，竟然含有和地球完全一樣的元素?；鶢柣舴虼蜷_(kāi)了兩門新科學(xué)的大門——光譜學(xué)和天體物理學(xué)，同時(shí)在地球上的物理學(xué)與化學(xué)和統(tǒng)治恒星的物理學(xué)與化學(xué)之間建立了另一種聯(lián)系。這是又一個(gè)極好的例證，說(shuō)明曾經(jīng)被認(rèn)為是完全分離的各個(gè)領(lǐng)域原來(lái)是互相聯(lián)系的。

哈金斯

1864年，一位名叫哈金斯（William Huggins， 1824—1910）爵士的業(yè)余天文學(xué)家，首次把光譜儀對(duì)準(zhǔn)深空天體。他是一位富人，擁有私人天文臺(tái)，配有望遠(yuǎn)鏡，它們就位于倫敦的山上。他把光譜儀安裝在望遠(yuǎn)鏡上，研究?jī)深w亮得可以用肉眼觀察的恒星所發(fā)出的譜線，這兩顆星是畢宿五（金牛座中的一等星）和參宿四（獵戶星座中的一等星）。他能夠辨認(rèn)出鐵、鈉、鈣、鎂和鉍等元素的指痕印證。然后他又試著觀察一個(gè)星云，帶著懸念和敬畏的心情。他在雜志上寫道：“難道我不是在深入觀察創(chuàng)世這一神秘之處？”也許此刻他將為不同星云理論的對(duì)錯(cuò)給出最終判決。

科學(xué)作家瑪麗·薩默維爾

在19世紀(jì)，對(duì)于婦女來(lái)說(shuō)，要打開(kāi)科學(xué)的大門可不容易?，旣悺に_默維爾［ Mary Somerville， 1780—1872，娘家姓費(fèi)爾法克斯（Fairx）］不僅為自己打開(kāi)了這扇門，而且還成為與地質(zhì)學(xué)家萊伊爾和天文學(xué)家約翰·赫歇爾（John Herschel ，1792—1871 ）這樣的科學(xué)大家齊名的深受歡迎的科學(xué)作家。她是一位蘇格蘭將軍的女兒，十歲前一直沒(méi)有上過(guò)學(xué)，甚至到11歲還不會(huì)讀書，但是她并沒(méi)有荒度這些早期歲月。她搜集化石和石頭，并且設(shè)法弄到一臺(tái)天體儀，開(kāi)始研究天文學(xué)。

一旦學(xué)會(huì)閱讀，她就自學(xué)拉丁文和希臘文，科學(xué)的大門因此開(kāi)得更大。她還擠出時(shí)間學(xué)習(xí)鋼琴，音樂(lè)對(duì)她來(lái)說(shuō)不只是傳統(tǒng)的客廳藝術(shù)，她甚至還學(xué)會(huì)了調(diào)音， 自己修理?yè)p壞的琴弦。

然而，她早期真正喜愛(ài)的是數(shù)學(xué)。她靠自學(xué)掌握了代數(shù)和幾何，并很快熟悉了歐幾里得的著作。不用說(shuō)，所有這些智力和藝術(shù)活動(dòng)使她周圍的人感到不安，于是， 她被說(shuō)服嫁給她父親一個(gè)相當(dāng)古板和傳統(tǒng)的朋友格里格（Samuel Greig） 。早熟的瑪麗現(xiàn)在成了別人家的“問(wèn)題”，她的家庭又可以平靜無(wú)事了。至于格里格如何應(yīng)付，不得而知，不過(guò)在瑪麗33歲時(shí)，格里格去世了，瑪麗成了非常有錢的寡婦。她沒(méi)有把錢浪費(fèi)在舞會(huì)和奇裝異服上，而是用在更有益的地方。她立刻購(gòu)買了足夠的書，建立了一座出色的數(shù)學(xué)圖書館。

第二次婚姻是她自己選擇的，這使她得到了更好的運(yùn)氣。威廉·薩默維爾（William Somerville）是一位軍醫(yī)和學(xué)者，他尊重妻子的智力，鼓勵(lì)她進(jìn)行數(shù)學(xué)和科學(xué)活動(dòng)。

1816年，威廉遷居到倫敦，瑪麗立即發(fā)現(xiàn)自己正處于英國(guó)科學(xué)界的中心，她知道她將要做什么——她應(yīng)該從事科學(xué)寫作。1834年，她出版了《物理科學(xué)的聯(lián)系》　 （ The Connection of the Physical Sciences）。1848年，她的《物理地理學(xué)》　 （ Physical Geography）出版后很快就贏得許多科學(xué)界的贊賞，盡管也受到一些牧師的攻擊。實(shí)際上，這本書寫得如此之好，以至于有一個(gè)名叫有用知識(shí)傳播學(xué)會(huì)的組織，邀請(qǐng)她為他們寫一本天文學(xué)的書。這本書也贏得了贊賞，接著她又寫了一本關(guān)于牛頓《自然數(shù)學(xué)之哲學(xué)原理》的書。在19世紀(jì)20年代，婦女不可能成為教授，但是瑪麗很快就成為科學(xué)家和教授歡迎的作家。隨著科學(xué)的日趨專業(yè)化，好奇的科學(xué)家想要知道其他領(lǐng)域的進(jìn)展也變得越來(lái)越困難。

不少科學(xué)家都被瑪麗作品中的認(rèn)真細(xì)致以及她對(duì)事實(shí)的深刻理解和明晰解釋所吸引 約翰·赫歇爾受其1831年的手稿《天體力學(xué)》　 （Mechanics of the Heavens）的激勵(lì)，成了她的好朋友和熱心支持者，不僅向他的朋友推薦這本書，還推薦她的其他書籍。此后，不僅科學(xué)家在讀瑪麗的書，而且有一定文化層次的公眾也在讀她的書，他們需要對(duì)身邊不斷增長(zhǎng)的科學(xué)進(jìn)展有清晰、可靠、輕松的報(bào)道?，旣惓闪俗顬槌晒Φ目茖W(xué)作家，她的家成為當(dāng)時(shí)倫敦一些最活躍人士聚會(huì)的地方，她在倫敦科學(xué)會(huì)社的中心找到了自己的位置。雖然瑪麗沒(méi)有進(jìn)過(guò)大學(xué)，但是現(xiàn)在她的客人中卻有不少來(lái)自大學(xué)，他們一起共享歡樂(lè)和收獲。

當(dāng)1835年倫敦皇家學(xué)會(huì)選瑪麗和凱洛琳·赫歇爾為會(huì)員時(shí)，她們成了由于自己的科學(xué)貢獻(xiàn)而最早得到這種榮譽(yù)的婦女。

“我透過(guò)光譜儀，沒(méi)有期望中的光譜，只有一根明亮的譜線！……星云之謎就這樣解決了。答案就來(lái)自于光線本身，這就是，它不是大量恒星的集合體，而是發(fā)光的氣體。如果恒星遵從與太陽(yáng)同樣的規(guī)律，并且屬于更亮的等級(jí)，就會(huì)給出不同的光譜，但這一星云的光顯然來(lái)自于一種發(fā)光氣體?！?/p>

遺憾的是，哈金斯一開(kāi)頭就走錯(cuò)了路，由于這顆星云是氣體狀的，他就假設(shè)所有的星云，包括橢圓形狀和旋臂形狀的星云，都是氣體組成的。但是，無(wú)論如何，第一次把光譜儀用在天文學(xué)上確實(shí)是一項(xiàng)驚人的成功。夫瑯和費(fèi)線和光譜儀對(duì)天文學(xué)研究的意義就好比化石對(duì)地質(zhì)學(xué)研究的意義，它們?yōu)闅怏w星云和恒星的溫度、組成以及運(yùn)動(dòng)提供了無(wú)比珍貴的信息。正如基爾霍夫證明的那樣，熱的、發(fā)光的、不透明的物體會(huì)發(fā)射連續(xù)光譜——彩虹所顯現(xiàn)的各種顏色，沒(méi)有譜線出現(xiàn)。然而，觀察一團(tuán)冷卻的氣體，在光譜中就會(huì)出現(xiàn)吸收暗線。這些暗線揭示了氣體的化學(xué)成分。但是，如果從一個(gè)角度觀察氣體，看到的會(huì)是另一種不同模式。這些工具成了天文學(xué)家研究氣體星云的羅塞塔石碑。

給恒星照相

約翰·赫歇爾是威廉·赫歇爾的兒子，他第一個(gè)認(rèn)識(shí)到攝影術(shù)用于天文學(xué)的可能性。［其實(shí)，攝影術(shù)（photography）就是約翰·赫歇爾造的詞。］盡管攝影術(shù)發(fā)明于1826年，但直到19世紀(jì)40年代才開(kāi)始在天文學(xué)中應(yīng)用。一旦引入了這一新工具，攝影術(shù)很快就在天文學(xué)中流行起來(lái)，雖然如今又有計(jì)算機(jī)的加盟，但攝影術(shù)仍然是天文學(xué)的關(guān)鍵工具。當(dāng)然，它的好處就是天文學(xué)家再也無(wú)須實(shí)時(shí)工作，他們可以從照片作出判斷，也可以在獲得照片后，在任意時(shí)間里與照相圖片打交道。

他們可以用放大鏡或望遠(yuǎn)鏡聚焦在特殊的區(qū)域，比較不同時(shí)問(wèn)拍攝的照片。它們留下的記錄之精確，為任何手工操作所不及，無(wú)論一個(gè)人的視覺(jué)有多敏銳。隨著攝影術(shù)這一媒介變得越來(lái)越方便，它可以讓底片在很長(zhǎng)的時(shí)間里曝光，以捕捉那些甚至用望遠(yuǎn)鏡往往也很難看到的對(duì)象。1889年，巴納德第一次拍攝到了銀河系。在以后的歲月里，攝影術(shù)成了天文學(xué)家越來(lái)越重要的工具，現(xiàn)在它已為考察和研究留下了浩瀚的圖像數(shù)據(jù)庫(kù)。

約翰·赫歇爾是威廉·赫歇爾的兒子，他把他父親的星表擴(kuò)展到南半球，為此他做了大量的工作，他也是把攝影術(shù)用于天文學(xué)和測(cè)量太陽(yáng)能輸出的一位先驅(qū)者。

再次認(rèn)識(shí)太陽(yáng)

對(duì)我們來(lái)說(shuō)，最近也是最重要的恒星當(dāng)然是太陽(yáng)，19世紀(jì)又有兩項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，使我們?cè)黾恿藢?duì)太陽(yáng)物理學(xué)的認(rèn)識(shí)。1843年施瓦伯（Samuel Heinrich Schwabe， 1789—1875）宣布發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)黑子的周期性活動(dòng)。伽利略曾經(jīng)第一個(gè)檢測(cè)到太陽(yáng)上有黑子存在，現(xiàn)在施瓦伯認(rèn)識(shí)到它的周期性，這就為太陽(yáng)的內(nèi)部機(jī)制帶來(lái)了新的看法。這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著太陽(yáng)物理學(xué)和天體物理學(xué)早期工作的開(kāi)始。另一個(gè)出乎意料的成果是在太陽(yáng)的組成中發(fā)現(xiàn)了一種新的元素，這種元素在地球上從未被檢測(cè)到過(guò)。1868年詹森（Pierre-Jules-Cesar Janssen，1824—1907）在研究太陽(yáng)光譜線時(shí)第一次發(fā)現(xiàn)了氦的存在。

與此同時(shí)，開(kāi)爾文勛爵和亥姆霍茲根據(jù)他們對(duì)太陽(yáng)內(nèi)部發(fā)光機(jī)制的考慮，認(rèn)為地球的年齡最多是2 000萬(wàn)—2 200萬(wàn)年。但是，當(dāng)時(shí)的地質(zhì)學(xué)家和生物學(xué)家認(rèn)為的地球年齡卻是差異極大。開(kāi)爾文勛爵為了探詢地球的確切年齡，還研究了地磁學(xué)、水力學(xué)、地球的形狀和地球年齡的地球物理學(xué)測(cè)定方法。他很快發(fā)現(xiàn)自己正處于地球年齡爭(zhēng)議的中心，因?yàn)樗烙?jì)的太陽(yáng)年齡只有2 000萬(wàn)年，不足以為地球上的生物進(jìn)化提供足夠時(shí)間，而諸如赫頓和萊伊爾等地質(zhì)學(xué)家對(duì)地球歷史則有更長(zhǎng)的估算。達(dá)爾文在提出進(jìn)化論時(shí)采用的是萊伊爾的數(shù)值，他假設(shè)地球的地質(zhì)歷史跨度至少是3億年。最近的21世紀(jì)對(duì)太陽(yáng)發(fā)熱機(jī)制的認(rèn)識(shí)支持達(dá)爾文，而不是開(kāi)爾文。

測(cè)定地球年齡

地球科學(xué)家和天文學(xué)家受的是完全不同的訓(xùn)練。盡管礦工和工程師對(duì)我們立足的大地早有研究，但是地質(zhì)學(xué)和天文學(xué)不一樣，作為一門科學(xué)它還只是在18世紀(jì)以后才開(kāi)始發(fā)展，直到19世紀(jì)才達(dá)到全面成熟。

18世紀(jì)結(jié)束時(shí)，地質(zhì)學(xué)家們正在進(jìn)行一場(chǎng)大爭(zhēng)論，研究者各執(zhí)一詞，有的主張水成論，有的主張火成論。水成論的主將是杰出的德國(guó)地質(zhì)學(xué)家魏爾納，他主張地球上所有地層都是原始洪水沖積后的沉積物?；鸪烧摰闹鲗⑹翘K格蘭地質(zhì)學(xué)家赫頓，他認(rèn)為地球形成的主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制是內(nèi)熱，以火山爆發(fā)的形式周期性地沖出地殼。

在這兩大學(xué)派中，火成論更為激進(jìn)。水成論把地球歷史看做就是一次唯一性事件的結(jié)果，一場(chǎng)巨大的洪水（類似于《圣經(jīng)》中的諾亞故事），使地球的地殼成為現(xiàn)在這個(gè)樣子。這跟《圣經(jīng)》中創(chuàng)世紀(jì)故事的字面含義非常吻合。學(xué)者們由此得出結(jié)論，認(rèn)為地球年齡不超過(guò)6 000年。赫頓以及火成論者則相反，他們堅(jiān)持認(rèn)為地球歷史經(jīng)歷了漫長(zhǎng)、緩慢和持續(xù)的變化過(guò)程。他們認(rèn)為，如今在地球表面觀察到的各種作用力，它們始終在起作用。形成、磨耗和重塑的過(guò)程反復(fù)上演。其他一些過(guò)程也在持續(xù)進(jìn)行，例如，熔巖穿過(guò)地殼噴發(fā)，玄武巖和花崗巖之類的結(jié)晶巖在持續(xù)形成，地表上巖石的沉積層在不斷堆積。這一觀點(diǎn)被認(rèn)為是激進(jìn)的和理性主義的（把推理看成是唯一的權(quán)威），因而從一開(kāi)始就飽受懷疑。

法國(guó)偉大的比較解剖學(xué)家居維葉就是反對(duì)者之一。居維葉提出地球歷史中的一系列災(zāi)變證據(jù)，在災(zāi)變期間所有物種都滅絕了，然后，新的巖層形成。他說(shuō)，最近的一次災(zāi)變就是圣經(jīng)中描述的大洪水。

地質(zhì)學(xué)家阿加西斯（Louis Agassiz， 1807—1873）也獨(dú)立主張災(zāi)變論，認(rèn)為地球經(jīng)歷過(guò)一段冰期——實(shí)際上，有20次冰期——其證據(jù)是：現(xiàn)在不存在冰河的地區(qū)卻出現(xiàn)了某些冰期才有的現(xiàn)象。盡管冰期理論一開(kāi)始遭到反對(duì)，但當(dāng)證據(jù)越來(lái)越多時(shí)，已逐漸被人們接受。

1790—1830年這一段時(shí)期往往被稱為地質(zhì)學(xué)的英雄時(shí)期，因?yàn)榇藭r(shí)的地質(zhì)學(xué)受到來(lái)自藝術(shù)和哲學(xué)中的浪漫主義運(yùn)動(dòng)的巨大影響。浪漫主義者擁抱大自然，鼓勵(lì)探險(xiǎn)活動(dòng)，他們熱衷于遠(yuǎn)離無(wú)趣乏味的文明社會(huì)，走向未開(kāi)化的原始荒野。于是，行走于崇山峻嶺等處成為時(shí)尚，響應(yīng)這一號(hào)召的科學(xué)家，投身于變幻無(wú)窮的大自然，零距離地面對(duì)地殼的形成過(guò)程，而在從前他們是絕不可能這樣做的。僅當(dāng)此時(shí)，地質(zhì)學(xué)，才不再只是單純地研究礦物學(xué)，辨認(rèn)孤立的巖石標(biāo)本，而是成為一門大有作為的科學(xué)，根據(jù)地球歷史上曾經(jīng)發(fā)生過(guò)的一系列劇變、侵蝕及其重造事件——它們是一段驚心動(dòng)魄的偉大歷史，反映了地球上各種力量的彼此較量——來(lái)解讀地層。

當(dāng)然，老頑固們還在抵制。這是一些固守傳統(tǒng)方法的地質(zhì)學(xué)家，他們關(guān)心的只是這門科學(xué)的聲望、證據(jù)的搜集和理論的完整。浪漫主義者經(jīng)常與這樣的傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)家發(fā)生沖突，他們把自己看成是捍衛(wèi)真理的騎士，準(zhǔn)備面對(duì)由此產(chǎn)生的后果，獻(xiàn)身于對(duì)大自然的探險(xiǎn)事業(yè)。

其實(shí)，這兩種傾向無(wú)須按照意識(shí)形態(tài)劃分，它們也沒(méi)有實(shí)質(zhì)性地影響雙方所用的方法。保守、宗教和反革命的心態(tài)正是法國(guó)革命之后的時(shí)代特征，它迫使地質(zhì)學(xué)嚴(yán)格依附于經(jīng)驗(yàn)主義，也就是說(shuō)，尋求具有嚴(yán)密證據(jù)的理論支持。其結(jié)果是，即使受隨心所欲的浪漫主義影響的地質(zhì)學(xué)家，在考察巖層和搜集樣品時(shí)采用的也是和他們的同事們完全一樣的方法。

19世紀(jì)地質(zhì)學(xué)家研究的巖層就像地質(zhì)學(xué)家萊伊爾在英國(guó)的諾佛爾克懸崖所觀察過(guò)的一樣，可用來(lái)確定地球的歷史。

到了1830年，更多的事實(shí)已經(jīng)呈現(xiàn)，從中足以引出理論，同時(shí)赫頓的均變論還引起一位富有的年輕蘇格蘭律師的關(guān)注，他對(duì)地質(zhì)學(xué)比對(duì)法律更為關(guān)注。他就是萊伊爾，盡管他是在牛津大學(xué)跟一位水成論者學(xué)習(xí)地質(zhì)學(xué)的，但他在歐洲到處旅行，有機(jī)會(huì)親自考察許多巖層。他在研究中得出結(jié)論，赫頓是正確的，形成地球歷史的各種作用力在時(shí)間的長(zhǎng)河中始終如一，即便在當(dāng)代依然行之有效，表現(xiàn)為侵蝕和沉積、加熱和冷卻等現(xiàn)象。他還廣泛閱讀——遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)赫頓——盡管他本人沒(méi)有作出什么發(fā)現(xiàn)，也沒(méi)有提出自己的理論，但他的巨大貢獻(xiàn)是把許多事實(shí)匯集到了一起。

科學(xué)側(cè)影：空心地球理論

盡管萊伊爾、赫頓和居維葉的觀點(diǎn)各不相同，但19世紀(jì)還有更為稀奇古怪的觀點(diǎn)，亦即地球是空心的，通過(guò)位于兩極的開(kāi)口可以進(jìn)入地球內(nèi)部。這雖然是不切實(shí)際的空想，但不乏由頭。英國(guó)天文學(xué)家哈雷在17世紀(jì)末提出，地球內(nèi)部是由同心球組成的——確切地說(shuō)是四層，他還猜測(cè)， 內(nèi)部空間充滿一種發(fā)光大氣。處于兩極的開(kāi)口允許光逃逸到我們所呼吸的大氣表面，他解釋說(shuō)，這就是為什么能夠在北極附近看到北極光的原　因　。

這一理論在19世紀(jì)初獲得新生起因是一位參加1812　年戰(zhàn)爭(zhēng)的老兵，他的名字叫西姆斯（John Symmes ）　。由于他推廣了哈雷的設(shè)想，于是，傳說(shuō)中的極洞就命名為西姆斯洞。西姆斯試圖激起人們對(duì)北極探險(xiǎn)的興趣，希望能夠找到通向內(nèi)部世界的洞口，卻不幸在1829年去世，終不得志。

1869年有一位名叫梯德（Cyrus Reed Teed）的煉金術(shù)士和草藥師，他說(shuō)有一個(gè)設(shè)想在指引他：我們實(shí)際上是生活在地球內(nèi)部，而不是像我們以為的那樣，生活在它的表面。他到處作報(bào)告、散發(fā)小冊(cè)子，甚至根據(jù)他的想象創(chuàng)建了一個(gè)教派。

空心地球的幻想后來(lái)成了許多虛構(gòu)小說(shuō)的主題，其中包括愛(ài)倫·坡（Edgar Allan Poe， 1809—1849）的《阿瑟·戈登·皮姆的故事》（The Narrative of Authur Gordon Pym of Nantuckel，1838年）和凡爾納（Julesverne，1828—1905）的《地心之旅》　 （ Journey to the Center of the Earth， 1864年）。

這一幻想持續(xù)到了21世紀(jì)，有人提出UFO就是利用兩極作為出入口，隨意進(jìn)出地球。據(jù)說(shuō)，地內(nèi)文明比我們的文明還要發(fā)達(dá)，不僅在精神上，而且在技術(shù)上。這一幻想全然不顧如下的事實(shí)：許多飛行員駕駛飛機(jī)飛越了兩極，人造衛(wèi)星從太空傳送照片，表明決無(wú)洞口！盡管這無(wú)疑是一種出色的科學(xué)幻想故事。

他堅(jiān)持說(shuō)，只有現(xiàn)在仍然在起作用的地質(zhì)因素，才可用于解釋過(guò)去的歷史，當(dāng)然需要假設(shè)經(jīng)歷了非常之長(zhǎng)的時(shí)間。他寫道：

“相比于各種先入之見(jiàn)，大大低估已有時(shí)間跨度這一做法更是危害地質(zhì)學(xué)的進(jìn)步，除非我們使自己習(xí)慣于思考這一可能性：曾有一個(gè)無(wú)限久遠(yuǎn)的年代……否則我們將不幸形成極為危險(xiǎn)的地質(zhì)學(xué)觀點(diǎn)?！?/p>

1830年，萊伊爾出版了《地質(zhì)學(xué)原理》第一卷。其中的一本次年被帶上英國(guó)皇家海軍“貝格爾號(hào)”艦，成為旅途中的閱讀佳品。這是科學(xué)史上最著名的一次航行。

萊伊爾建立了地質(zhì)學(xué)的均變理論。