探索宇宙 永无止境

刘玉娟 周风林

(1.山东省招远市第一中学;2.山东省招远市教育科学研究中心)

《尸子》有云:“四方上下曰宇,往古来今曰宙。” “宇宙”这一概念,出自战国末期思想家尸佼。纵有千古,横有八荒。人类自诞生以来,对宇宙的思考和探索,就从未停止。每当我们仰望浩渺无垠的宇宙,总是不由地追问:它是什么?它来自哪里?又将去往何处?日月星辰,“若出其中”,宇宙中万众瞩目的太阳,偶尔也会呈现最神秘、最壮观、最具科研价值的天文现象——日食。这不仅给我们带来超炫的视觉享受,也引发我们无尽的好奇与探索……

仰望宇宙的人如恒河沙数,但是能够拥有宇宙思想、洞悉宇宙奥秘的人却寥若晨星;宇宙思想可以影响人类文明,宇宙探索能够推进人类文明。

本期的两篇选文,旨在启发我们思考人类宇宙四万年。前者倾向于想象与思想,向我们展示中国古人的睿哲;后者偏向于科学与知识,带我们掀开日全食的神秘面纱。

宇宙演化思想

【阅读提示】

宇宙生成演化问题,是每一个发展成熟的古代文明都会关注和思考的问题;宇宙的奥秘也一直令中国古代哲人心驰神往。在没有任何科学仪器和实验探测可以借助的时代,他们只能用无与伦比的智慧去思考如此宏大抽象的问题。

本文逻辑思路清晰,虽引文较多,但阐释通俗易懂。阅读过程中要注意探究宇宙演化学说的各流派观点及其相互关系,注意梳理宇宙的发生发展过程及其影响。

在对宇宙生成演化问题的认识上,中国古人有着多种多样的见解。在中国古代哲人中,占主导地位的是宇宙演化说。神话传说“盘古开天地”反映出上古先民对宇宙起源的认识,即已透露出宇宙早期是混沌的,经过演化,逐渐形成后世所见形状的思想萌芽。诗人屈原脍炙人口的诗篇《天问》开篇伊始就提出了与天地起源有关的问题,也反映了这种认识。哲学家老子则直截了当地提出:“天下有始,以为天下母。”阴阳家的代表人物邹衍,善谈天事,齐国人称其为“谈天衍”。他主张宇宙创生学说,到处“称引天地剖判”,推演“天地未生”。邹衍的学说在当时诸侯国中受到普遍欢迎,司马迁的《史记》对此也有生动记述。

承认宇宙是逐渐生成的,必然要回答一个问题:宇宙由何而生?老子的《道德经》说:“天下万物生于有,有生于无。”《庄子·庚桑楚》也说:“万物出乎无有。有不能以有为有,必出乎无有。”这里所说的“有” “无”,是一对哲学范畴,分别表示生成天地万物的原初物质的存在与否。老庄主张“有”生于“无”,有其内在的逻辑依据,因为就任一具体事物而言,都是由不存在到存在,即由“无”到“有”。由此推而广之,把宇宙视为一个整体,而且认为它是逐渐生成演化而来的,那么,在其存在之前的阶段,自然就是“无”了。三国时王弼在为老子《道德经》作注时,对此做了总结,指出:“天下之物,皆以有为生,有之所始,以无为本。”这样说,是逻辑的必然。

可是,逻辑并不能解决所有问题。绝对的“无”怎么能产生出“有”呢?西晋裴頠《崇有论》就明确提出:“夫至无者,无以能生。”认为绝对的“无”不能产生“有”来。对此,即使睿智如老子也只能模糊其词:“道生一,一生二,二生三,三生万物。”这当然难以令后人满意。

为了避免“有生于无”的困境,古人对这一命题做了修正,认为“无”不是“无有”,而是“无形”。这里“形”指固定的形体,“无形”指没有固定形体的生成宇宙万物的原初物质,即所谓混沌不分的气。《淮南子·原道训》指出:“夫无形者,物之大祖也……视之不见其形,听之不闻其声,循之不得其身,无形而有形生焉……是故有生于无,实出于虚。”《淮南子》的这一修正,既满足了讨论这一问题所不可避免的逻辑要求,又解答了人们关于“无”如何生出“有”来的疑窦,把问题向前推进了一大步。这一推进,直接导致了中国古代宇宙演化理论学说的繁荣。

综合《淮南子》的论述,可以了解当时人们心目中的宇宙演化图景:宇宙初始是一团混沌不分的气,由这团气产生了时间和空间。这导致阴阳二气的分离,阳气体性轻清,飞扬上升而为天;阴气体性重浊,凝结聚滞而成地。阴阳二气的集聚,导致日月星辰的产生;阴阳二气的推移运动,造成四季往复,万物衍生。宇宙万物就是这样逐渐演化而成的。《淮南子》绘出的宇宙演化图景具有典型性,后世的宇宙演化学说大多是在《淮南子》宇宙演化论基础上发展出来的。其中比较重要的有《易纬·乾凿度》、王符《潜夫论》、张衡《灵宪》等著作中的天地起源理论。《乾凿度》对气演化过程作了阶段区分,给出了代表不同阶段的太易、太初、太始、太素等专有名称。阶段性概念的出现标志着认识的深化,也有利于展开讨论,因而被后人广泛采用。王符的宇宙演化学说则特别强调人在宇宙演化进程中的作用,认为人既是宇宙演变的产物,又可以参与宇宙演变过程。这就像“车上御驰马,篷中擢舟船”,人虽然不能脱离天覆地载,但可以通过自己的行为作用于天地,使宇宙演化沿着人所选择的方向进行。张衡的理论重视“道”的作用,认为道本身也有一个发生、发展、演变的过程。道既是宇宙演变的产物,又是宇宙进一步演变的条件,它也促成了宇宙的演变。这一认识,无疑多少反映了古人对自然规律在宇宙演变过程中所起作用的思考。

宇宙演化理论要说明天地的形成,这就必然要与宇宙结构学说发生联系。早期的演化理论认为元气轻清,上浮为天,阴气重浊,下凝为地,天在上,地在下。这与“盖天说”的宇宙结构模型相一致。“浑天说”产生后,张衡作为“浑天说”的集大成者,他对宇宙演化理论作了相应改进,认为“元气剖判,刚柔始分,清浊异位”的表现是“天成于外,地定于内”,即是天包着地的。这与“浑天说”的宇宙结构模型是一致的。

但是,既然阳气轻清,理应上扬,它为什么不上浮形成天,而是要包在地外?在张衡的理论中找不出合理的答案来。直到宋代,朱熹才提出了一个比较合理的力学解释,他说:“天地初间只是阴阳之气,这一个气运行,磨来磨去,磨得急了,便拶许多渣滓,里面无处出,便结成个地在中央。气之清者便为天,为日月,为星辰,只在外,常周环运转,地便只在中央不动,不是在下。”(《朱子语类》卷一)

朱熹的理论用习见的旋涡现象比拟宇宙演化,比较合理地说明了浑天格局的形成原因。这一理论对后世影响很大,它标志着中国传统宇宙论发展到了新的阶段。一直到西方近代科学关于宇宙起源演化的学说传入我国,这一理论才最后寿终正寝。

(摘编自《中国古代科学技术史纲(理化卷)》,作者:关建增 马芳)

【问题探究】

1.“石本无火,撞击发光;水本无华,激荡生波。”科学研究具有传承性,学术研究成果的日臻完善大多是不断借鉴或质疑已有成果之后实现的。本文作者就多处引用了前人的观点,请分析这种写法的作用。

2.本文具有高度的思辨性,既肯定了中国传统宇宙演化理论学说的发展繁荣,又指出其在发展过程中的局限。结合文本内容,请简要分析“宇宙演化说”的发展修正及繁荣过程。

参考答案:见P08

日食背后的科学盛宴

【阅读提示】

艳阳高照的白天,太阳突然被一个黑影遮住。黑影不断扩大,甚至把整个太阳遮住。白天变为黑夜,星星现身。很快太阳又恢复如初。这就是神奇的日食。相传早在公元前2137年的夏代仲康时期,中国就有了世界上最早的关于日食的记录。日食以其短暂却绚烂的演出,吸引着无数天文爱好者和科研工作者的目光。

本文从日食的形成、观测及科研意义等方面全面解读日食背后的科学原理,内容深入浅出,通俗易懂。让我们在科学知识的引领之下,开启对日食奥秘的探寻之旅。

日食,指在地球上看到太阳被月球遮蔽的现象。日食主要分为日偏食、日全食和日环食三种。不同类型的日食,与月球的影子结构和日食时地球在月影中的位置有关。若某次日食时,仅月球的半影落在地面上,该地区的人只能看到日轮的一部分缺失,就是日偏食;若某次日食时,月球的本影落到地面上,该地区的人会看到整个日轮被遮蔽,就是日全食;若某次日食时,只有月球的伪本影到达地球,则该地区的人会看到只有日轮的中央部分暗黑就是日环食。

计算表明,平均每个世纪可出现67.2次日全食、82.2次日环食和82.5次日偏食。也就是说,在地球上看到日偏食的机会比较多。对于同一地区而言,平均每3年就可以看到一次日偏食。不过,由于日全食带和日环食带非常狭窄,每次日食时仅占据地球表面积的极少部分,有时还位于人口稀少或难以到达的地区,所以对于某一具体地区来说,看到日全食和日环食的机会就不算多了。

虽然日食的发生具有不确定性,地球也并非太阳系中唯一能够欣赏日食或月食的行星,但地球仍然是欣赏日全食的“最佳观影区”。这是因为日全食的发生首先就要求行星要有较大的卫星。以火星为例,虽然火星有两个卫星,但它们都太小了,不能完全挡住太阳,因此,在火星上看到的只是日偏食或日环食。

我们能在地球上欣赏到壮观的日全食,要多亏月球完美的大小和月、地、日之间的相对距离。太阳直径大约是月球直径的400倍,太阳到地球的距离差不多也是月球到地球距离的400倍。因此,从地球上看,人们会觉得太阳和月球几乎一样大,当月球运行到地球和太阳中间且完全挡住太阳时,我们就能在地球上欣赏到壮观的日全食了。

太阳的大气可分为光球、色球、日冕三层。平时人们看到的日轮是太阳的最底层大气(光球),厚度仅几百千米,太阳的可见光辐射几乎全部是由光球发射出来的。光球上方是厚度为几千千米的色球,亮度只有光球的万分之一。色球的外面有一层延伸至几个太阳半径之外的最外层大气(日冕),亮度只有光球的百万分之一。平时,暗弱的色球和日冕完全被明亮的天空背景所淹没,人们想看见它们,必须借用专门的日冕仪。但发生日全食时,由于明亮的光球被月亮遮蔽,全食带地区上空的大气因失去强光照射而变得很暗,这使得红色的色球和银白色的日冕得以显现,为研究它们提供了绝佳的机会。

在日全食这一特定的时机和特定的条件下,科学家们通过观测色球和日冕来研究太阳的物理状态和化学组成。例如,在1868年8月18日的日全食观测中,法国的天文学家让桑就从拍摄到的日珥的光谱中发现了一种新的元素——氦。在他发现氦20多年后,英国化学家拉姆赛才在地球上找到氦。

日冕是太阳活动的重要发生区域,太阳的种种活动都会强烈影响地球生命的繁衍、通信导航、气象、气候等。因此,日冕的结构、演化、物理机制等一直是空间物理研究的重要内容。《科学》杂志曾评选出了当代天文学八大未解之谜,其中就包含了违背热力学第二原理的日冕加热问题。这个问题也一直是国际物理领域的研究热点。

借助日全食发生的原理,科学家设计了“人造日全食”——日冕仪。日冕仪就是选用合适的滤光片充当“月球”,挡在望远镜和太阳中间以制造出日全食的效果,这样一来,科学家就可以通过日冕仪来持续观测太阳日冕。

我们不仅可以利用日全食研究太阳,也可以研究地球。发生日全食时,因为月球会遮挡住太阳,所以会导致到达地面的太阳辐射降低。在地球大气大约60～1 000千米区域内,中性气体分子会因太阳辐射等作用被部分电离,形成导电的电离层,而太阳辐射会影响电离层的电子产生率,所以电离层在白天和夜晚会产生不同的分层结构:白天,太阳辐射大,电离层分为D层、E层、F层(又分F1层和F2层),整体电子密度高;夜间整体电子密度低,只存在E层和F层。

在某种程度上,日全食就像一次快速的日落日出,日食阴影区电离层光的电离突然停止,电子密度会显著下降,同时也会影响电子温度等。日全食的出现,给人们提供了一个在特殊情况下研究太阳辐射对地球大气层影响的绝佳机会。我们可以通过多种手段来测量电离层对日全食的响应,例如电离层测高仪、非相干散射雷达、GNSS(全球卫星导航系统)掩星等。通过这些手段,研究人员发现,日全食不仅作用于阴影区,还会通过大尺度重力波向全球范围传播。还有一些影响会通过热层大气环流沿磁力线运输,产生电离层的共轭响应。

除了电离层,太阳辐射对地球电磁场、臭氧层、低层大气,以及其他地球环境(如引力场、重力场、固体潮和宇宙线变化等)的影响,也都可以在日全食时得到更深入的研究。

(摘编自《百科知识》,作者:韩婷苇)

【问题探究】

3.日全环食又叫混合日食,是指在一次日食过程中出现全食、环食和偏食三种情形,因其极其罕见,被称为“第四种日食”。同一个人在同一个地方,能在一次日全环食中同时看到这三种现象吗?请回答并结合文本内容及下面示意图进行分析。

4.我国历史上最早关于日食的记载都把它描绘成了一种超自然现象,认为是上天的训诫,也是灾害的前兆。其实,众所周知,它是极具科研价值的天文现象。请结合文章内容,概括说明“科学盛宴”的具体内容。

参考答案:见P08

古诗文大讲堂

古代诗文阅读的重要性,不仅体现在高考分数上,更重要的是,古代诗文是我们文学的源头,不可不学。又因为我们与古代诗文客观存在着“时代的隔阂”,所以更需要多下功夫,只有这样才能更好地“贯通古今”。为此,我们开设“古诗文大讲堂”栏目,以期学生能从中得到系统且高效的古代诗文阅读方法及解题策略。

本期选取《窥斑见豹显特点,审时度势利备考——2023年高考文言文阅读设题特点及备考策略》一文,从高考新动向的角度,对学生在一轮复习阶段的文言文复习备考提供有效的指导。