第二十一章天文地理·生物科学
1.银河系的中心到底是什么？
在科学技术不发达的古代，无论是中国人还是西方人，都毫无例外地把人类居住的地球看成是宇宙的中心，这就是有名的“地心说”。直到16世纪，哥白尼才提出了“日心说”向“地心说”挑战。经过长时间艰苦的努力，哥白尼的“日心说”才逐渐占了上风，取得了这场争论的胜利。“日心说”的主要贡献是把地球降为一颗普通行星，而把太阳作为宇宙中心天体。到18世纪，赫歇尔又进一步指出，太阳是银河系中心。到20世纪，卡普利批驳了太阳是银河系的中心的说法，他把太阳流放到银河系的悬臂上，认为太阳离银河系中心有几万光年之遥。当太阳“离开银心”之后，谁坐镇银河系的中心就成了天文学家特别关注的大问题。因为，银心距离人类并不算太遥远，理应把它的“主人”搞清楚。但是，由于银心处充满了尘埃，对银心的观测并不容易，要想透过这层厚厚的面纱，看清银河系中心的真相，实在不容易。
哈勃太空望远镜
1990年发射的哈勃太空望远镜是目前太空中最高程望远镜。
随着科学技术的进步，观测银河系的手段也在不断改进，人们对银心的了解也在不断增加。这种方法主要是接收尘埃无法遮挡的红外线和射电源，然后再对其进行分析研究。就像医生测人体心电图一样，天文学家们从红外线和射电波送来的大量有用信息来观测银河系的内部结构。
最先接收到银心射电波的科学家是美国贝尔实验室的工程师詹斯基。
由于银心核球的红外线和射电波信号很强，詹斯基认为，它似乎不是一个简单的恒星密集核心，而很可能是质量极大的矮星群。1971年，英国天文学家提出了这样的假设：核球中心部有一个大质量的致密核，或许还是一个黑洞，其质量约为太阳质量的100万倍。这种假设有一个前提，那就是如果核球中心真有一个黑洞，那么银心应有一个强大的射电源。于是，天文学家们开始了对银心射电源的探测。
20世纪80年代，美国天文学家探测到以每秒200千米的速度围绕银心运动的气体流，这种气体流离中心越远速度越慢，他们估计这是银心黑洞射电源的影响造成的。另一些美国天文学家也宣布探测到银心的射电源，这说明银心可能是一黑洞。
但这种说法遭到了苏联的天文学家的质疑，他们认为证明银心是黑洞的证据不足，并进而提出了另外一种假设：银心可能是恒星的诞生地，因为其中心有大量的分子云，总质量为太阳质量的10万倍，温度为200～300开尔文。
由于天文学家对于银心是否为一黑洞的问题争论不休，为了解决这个问题，美国天文学家海尔司提出了一个假设，即一对质量与太阳相当的双星从黑洞旁掠过时，其中一颗被黑洞吸进后，另一颗则以极高速度被抛射出去。这个判据得到了天文学家们的认同。但经过计算，根据掠过黑洞表面的距离，这样的机会并不大。海尔斯的判据虽不能最终解决问题，但不失为一条探测的路子。然而，要最终搞清楚银心的构成大概仍有许多工作要做。
2.太阳还能燃烧多久？
太阳是我们赖以生存的能量源泉。如果没有太阳，地球上的人类、动物和植物都无法生长，我们美丽的地球将会一片死寂。太阳如同火焰，带给人类温暖和光明，从古至今被视为至高无上的象征。太阳会有衰老死亡的一天吗？它的未来将会如何？
在宇宙中，太阳是离地球最近的恒星。其核心温度高达1500万～2000万开尔文，每秒都有6亿多吨的氢聚变为氦，每四个氢原子核在这一过程中聚变为一个氦原子核，太阳也就因此向外辐射出一小部分的能量。地球植物的生长、矿藏的形成、大气循环、海水蒸发、云雨生成等等，均源于太阳的活动。10亿年来，地球的温度变化很小，不超过20c。这是太阳稳定活动的证据，这也为生命的孕育、演化打下良好基础。
太阳上的氢聚变反应至今为止已经历了几十亿年，从不间断。氢持续减少，氦不断产生，太阳的未来是怎样的呢？
恒星演化理论诠释了“主星序阶段”，即从恒星中心核内的氢开始燃烧直至全部生成氦。恒星在这个阶段上称为“主序星”。各恒星体根据各自质量在主星序中存在的时间是不同的。天文学家爱丁顿发现恒星体的质量与它为抗衡万有引力而产生的热量成正比；星体膨胀速度与产生热量成正比。产生的热量越多，星体膨胀速度越快，相应地留在主星序中的时间越短。太阳现在就处于主星序阶段，科学家计算，太阳最多有100亿年左右的时间停留在主星序阶段，至今为止它已有46亿年处于这一阶段了。大于太阳15倍质量的恒星只能在主星序阶段停留1000万年，相当于1/5太阳质量的恒星则可以存在长达1万亿年之久。
恒星漫长的青壮年期——主星序阶段一旦度过，进入老年期就会成为“红巨星”。在这个阶段，恒星将膨胀到大于本来10亿倍的体积，因此被称为“巨星”；之所以被加上“红”，是由于随着恒星迅速膨胀，其外表面越来越远离中心，温度也随之降低，发出的光也愈发偏红。红巨星尽管温度降低，光度却增大，变得极其明亮。人类肉眼能看到的亮星，就有许多是红巨星。最为我们熟悉的即是猎户星座的“参宿四”，其直径为太阳直径的800倍，达11亿千米。若“参宿四”在太阳的位置发光，红光会遍及整个太阳系。“主序星”到“红巨星”的衰变过程，变化不仅是外在的，内核也发生了巨大的转变——从“氢核”成为“氦核”。氦核逐渐增大，氢燃烧层也不断向外扩展。
一旦形成红巨星，它便会发展到恒星演化的下一阶段——“白矮星”。外部区域迅速膨胀，氦核受反作用力向内收缩，其中物质温度增高，内核温度最终将超过1亿度，引发氦聚变。氦核经过几百万年燃烧殆尽，而恒星的外壳混合物仍然以氢为主。这时恒星结构复杂了许多：氢混合物外壳下隐藏着一个氦层，还有一个碳球埋藏在内。这样，恒星体的核反应更加复杂，其内部温度上升，最终使其变为其他元素。红巨星外部与此同时也开始急剧地脉动振荡：恒星半径大小不定，稳定的主星序恒星变为多变的大火球。火球内部的核反应更加动荡，忽强忽弱。恒星内部核心的密度增大到每立方厘米10吨左右，此刻一颗白矮星便诞生在红巨星内部。
白矮星的特征是体积小、亮度低、质量大、密度高。例如天狼星伴星，体积类似地球，却差不多和太阳一样重！它的密度为每立方米1000万吨左右。由白矮星的半径和质量，算出其表面重力差不多是地球表面重力的1000万～10亿倍。
由于没有热核反应来为单星系统提供能量，白矮星一边发光，温度一边降低。100亿年的漫长岁月过去后，白矮星将停止辐射而死亡。躯体会变成硬过钻石的巨大晶体——“黑矮星”，在宇宙中孤单地飘浮。
一些科学家认为，几十亿年后，太阳会在快要灭亡时迅速膨胀，所有太阳系内的星体和星际物质都会被“吞噬”掉。到那时，太阳会剧烈地抖动，大量物质在脉动过程中被抛入星际空间，而太阳会失掉大部分的质量，其余部分则缩为白矮星。银河系中发现的大量变星表明，恒星死亡过程中脉动和质量的抛失极为普遍，一些变星每年能够抛出等同于地球质量的大量物质。
一些科学家认为，虽然目前还不太清楚恒星的演化过程，但50亿年后，可以基本肯定太阳会成为红巨星。随之地球上的一切生命都会灭亡，地面温度将高于现在2～3倍，北温带夏季最高温度会达到100度；而地球上的海洋也会蒸发成为一片沙漠。太阳大概会在红巨星阶段停留10亿年，光度会提高到今天的几十倍；体积也将会极大地膨胀，若从地面观察，会看见整个天空都是太阳。
当然“世界末日”距现在还很遥远，但因为提前几十亿年了解这样的“大结局”，人们不禁会疑惑：“生命的进化必将是一场悲剧，那其意义究竟为何呢？”
3.真的有太阳系地外生命吗？
地球是幸运地拥有生命的唯一天体吗？人类是孤独的吗？在广袤无垠的宇宙中，是否还有同样具有生命的天体？
自从人们知道了地球不是宇宙的中心，就开始猜测有地外文明的存在，也创造出了关于外星生命的神话传说。
随着现代天文学、生物学、无线电技术和航天技术的日益发展，更多的人开始接受这样的观点：宇宙中的天体数目如此庞大，其中不可能没有适合生命生存的另一个天体，不可能没有与我们地球人相似的、有智慧的、能创造自己文明的生物存在；甚至很有可能有些地外生物创造出的文明比我们地球上的人类文明更为先进，更为优秀。对地球外文明的研究早已不是人们所传说的神话故事，而成为一门严肃的科学。
人类对地外生命的研究由来已久，离地球较近的月球首先进入了人类的视野。早年有人猜想月球很可能是一个空心体，里面居住着外星人。其主要理论依据是因为当年阿波罗登月飞船在月球上登陆的时候，指令舱中的记录仪记录到的持续震荡波长达15分钟，这一结果使科学家感到极为惊异。有学者认为，如果月球是实心体，那么在碰击后产生的震荡波不会回荡这么长时间，至多维持5分钟。由此，便出现了月球可能是空心体的设想。但在仔细研究月岩标本后，科学家发现其中金属含量较高，而且其中的亲氧金属如铁等并没有被氧化。据此有人居然得出了一个大胆的结论，说月球很可能是一个空心体，而且是外星人人工制造的。也有了诸如月球的内部可能是一个奇特的生态系统，也许居住着一些比人类更文明的“月球人”，那里可能是外星生命为了监视地球而设置的一个巨大的航天站等各种奇思妙想。但是这种种设想都被无情的事实推翻了，一切不过是人类依据科学观测所做出的主观猜想，也可以认为是半真半假的神话故事。
而在19世纪30年代，曾出现过一个“月亮骗局”的故事，影响极大，轰动一时。事情的经过是这样的：1835年8月美国新创办了《纽约太阳报》，该报为吸引读者和打开销路、扩大销量，便诚邀英国作家洛克为自己撰稿。当时英国天文学家约翰·赫歇耳正前往非洲南部的开普敦去观测研究南天星空。洛克便选中了这件事，用自己的生花妙笔杜撰出了一个神奇而又引人入胜的月亮的理性生物的故事。他在故事中说，赫歇耳的望远镜在不久以前已能分辨出月球表面有约18英寸，即约45厘米大小的物体。用这样高分辨率的望远镜，他看见了月亮上有鲜花，还有紫松等树木，也有一个碧波千里的湖泊，还有一些类似野牛、齿鲸等的大型动物。他还惊讶地看到了一种长有翅膀并且外貌有些像人的动物。文章这样写道：“他们的姿势看上去充满了热情而且很有力度，因此我们推论这种生物是有理性的。”结果许多人对这一重大新闻深信不疑，人们奔走相告，该报一度成为当时最畅销的报纸。
天文学家们很快把这个骗局拆穿了。科学证明，如果要把月面上45厘米大小的物体分辨出来，光学望远镜的口径至少需要570米那么大，这么大的望远镜到今天人们仍没有能力造出来。同时，当时虽然还没有一位天文学家登上月球亲眼看见月球的样子，但由地面天文观测分析也能推知，月球上没有水，也没有大气，是一个死气沉沉的荒凉世界。
随着科学技术的发展，人类对地外生命的研究也变得更加科学。为了寻找地外生命，科学家们首先研究了地球人的进化过程。他们认为：地球人虽是“万物之灵”，具有很高智慧，但起源也和地球上的动植物一样，是从地球上进化而来的。换言之，地球上的碳、氢、氧、氮等元素，先是发生了长期的化学变化和物理变化，后来又经历了复杂而漫长的生物演化过程，最后才演化出了人类。科学实验也已经证明，人类生命的化学基础是蛋白质和核酸，而蛋白质又是由各种氨基酸构成的，氨基酸则是由复杂的有机分子组成的。在宇宙中，不仅碳、氢、氧、氮等元素广泛存在，而且在温度极低的星际空间也发现了几十种复杂的有机分子，在许多陨石中甚至还找到了十几种重要的氨基酸的存在。这就可以认定，只要地球外的星球环境适于生命体的存在，那么很可能会发生大量的有机体演化。
当然，如果以我们地球生命的形成、演化历史作为标准，还需要很多条件才能从氨基酸逐渐演化成生命。如合适的温度、足够厚的大气层的保护、水的存在、液态的氨或甲烷的存在、足够长时间而且较为稳定的光和热。
在宇宙中，地球只是一个再平凡不过的行星，但对于我们人类来说，它是生命的摇篮，是最重要也是最熟悉的天体。地球是如此适合我们人类生活，有充足的水，空气中富含氧气，温度不冷不热，这与它距离太阳的位置等条件有关系。譬如水星和金星是离太阳最近的两颗行星，水星的白天热得如火，夜晚却冷得比冰还凉；厚厚的金星大气成分以二氧化碳为主，温室效应很明显，导致环境极为恶劣，任何生物根本就生存不下去。火星在地球轨道以外，虽说距离太阳并不是很远，但比起地球来，不但气候极其寒冷，而且根本没有水，生物在这种情况下也不可能生存下去。土星和木星上没有任何生命存在，这一点十几年前宇宙飞船的空间探测就已证实了。位于太阳系边远空域的两颗大行星是天王星、海王星，科学家们通过空间探测以及各种地面观测知道，它们同样不具备适宜智慧生命生存的环境。到目前为止，所有的太阳系探测结果都表明，太阳系中的行星中只有地球是适于像人类这种智慧生命生存繁衍的星球。
不过一些科学家，尤其是化学家认为，生命可能不需要以碳和水为基础。在高温情况下，生命的化学基础有可能是硅。另一种有理性的生命不一定有物质外壳，其可能是以能的形式存在。
由此看来，太阳系中是否存在有生命的星球，至今仍无定论。不过，随着科学技术日新月异的发展，人类探索太空的足迹将会出现在更多的星球上，到那时这个问题一定会有答案。
4.火星上有生命吗？
在1890年，美国天文学家珀西瓦尔·罗威尔利用大型望远镜观测火星，偶然发现在火星表面存在着一些沟壑，这些东西和地球上人工开凿的运河看起来极为相似。人们开始怀疑有“火星生命”的存在。大量关于“火星人”的科幻故事从此也广为流传。科学家们一直相信火星上有水资源的存在，而且可能是在火星两极或大气高层中以冰雪及水蒸气的形式存在的。甚至有许多科学家相信，火星上也可能曾分布有河流和冰川。因为从目前观测到的照片来看，火星上有许多峡谷和沟壑看起来应该是水流冲击而成的。为了证明火星上的确有生命之源——水的存在，美国和苏联两个超级大国从60年代起就开始了大量的火星探测工程。
1960年10月，苏联先后两次发射了火星探测器，但不幸的是都没有飞到火星的轨道就失事了。
1962年11月1日，苏联又发射了三个火星探测器，其中一个在飞往火星的途中与地球失去了联系，而另外两个只飞到火星的轨道上便停留在那里了。
1964年11月28日，美国发射了“水手4号”探测器。在1965年7月14日飞至距火星9280千米的地方，成功地在近距离拍到了22张这颗红色星球的照片。
1971年5月19日和5月28日，苏联连续发射了“火星2号”和“火星3号”探测器。同年的12月15日，苏联的“火星3号”首次在火星上着陆，并从火星表面向地球发送数据达20秒。
1971年5月30日，美国又成功发射了“水手9号”探测器，同年11月14日驶入距火星1280千米的轨道，并在该轨道上运行将近1年时间，拍摄照片7328张。依据这些照片资料，美国第一次为火星上的高地、火山、洼地和峡谷等地形命名。
1975年8月20日和9月9日，美国又分别发射了“海盗1号”和“海盗2号”探测器。1976年7月20日和9月3日，这两个探测器依次在火星上软着陆成功，大量新的宝贵数据和图像被发回了地球。其中的“海盗1号”在火星上工作了6年，两次登陆都没有在火星上找到任何有生命的特征或痕迹。
由上述事实可看出，在这些早期的火星探测中，最后成功的应该是美国的“海盗1号”和“海盗2号”探测器。美国宇航局1975年发射了这两艘“海盗号”火星探测器。探测器经过为期1年的星际旅行，终于成功进入了火星大气层，并分别在火星软着陆。科学家们在这两个着陆器上装备了大量的精密仪器。利用这些仪器能分析火星的土壤，同时也能对火星上的气压、风速、温度等指标进行测量，并确定了组成火星大气的元素构成。为了探测火星上是否存在生命的迹象，还专门设计了一些实验。在这些实验中，先是用机械手臂挖掘采集了火星的土壤样本，再通过实验来对土壤样本进行分析研究，结果发现火星土壤中释放出气体。然而那时的科学家却将之归因于化学反应。
在1999年，曾为美国宇航局工作过的南加利福尼亚大学的神经生物学家约瑟夫·米勒却要求美国宇航局重新研究20多年前的实验结果。因为米勒坚信，美国宇航局在1975年发射的“海盗号”火星探测器探测收集到的资料中，有可以证实火星上存在生命的证据。但后来有关的资料丢失了，致使人们知道这个发现时，已经晚了25年。到目前为止，美国宇航局的研究还只能证明火星表面发生过化学反应。米勒进一步指出，是美国宇航局把实验的数据弄丢了。美国宇航局考虑了米勒的意见，彻底查找了档案里的资料，终于有一份被忽视已久的电脑记录被找了出来。由于这份记录所用的是极为陈旧的编码格式，已经没有能识别这种编码的程序设计师在世。因此米勒只能靠美国宇航局人员保留下来的数据备份进行自己的研究工作。那些数据很少，只是原来的1/3而已。米勒把资料集中起来进行分析，终于得出结论，认为在火星上很可能有生命出现。2001年11月28日，他在参加圣迭戈召开的科学研讨会时，将研究成果公布于世。
进入90年代以后，由于苏联的解体，火星探测几乎成了美国人的“专利”。美国在这期间先后进行了多次火星探测。
1992年9月24日，为了考察火星的地理和气候状况，美国发射了“火星观察者号”探测器，为载人飞船今后飞往火星探测道路。
1996年，美国将“火星探路者号”探测器发射到太空中，并把相当多的火星照片发回地球。3个月后，美国“火星全球测量者号”探测器进入火星轨道，开始绘制火星地图。
2001年10月29日，美国火星探测器“2001火星奥德赛”又在火星上取得了大量的探测结果。
2001年11月底，美国科学家对火星探测器发回的新照片进行了研究，后来提出了火星表面部分地区很可能存在水的固态形式（即冰）的设想。火星上曾经有水的猜测终于为这项新研究所证实，同时这项新研究也支持了火星早期时候有可能存在生命的假设。这项研究结果认为，火星表面在早期也是分布着大量的广阔的海洋，甚至估计火星上每平方英里拥有的水量比地球还多。
美国布朗大学的科学家在英国《自然》杂志上发表文章说，“火星全球测量者号”探测器仍在围绕火星飞行，并向地球发回了8000多张高清晰度照片。在对这些照片进行研究后，发现有一种地形较为光滑。科学家认为，这种地形表明该区域的土层是多孔的土壤里面渗入了水后结冰、凝固而成的，或者是水混合了冰、尘土和岩石所成的状态，在火星表面形成了一层厚度达90厘米的覆盖层。在庞大的火星表面，从火星寒冷的南极直到大约南纬60°的很大一片区域里都被含水区所占据。