我們現在看到的星星早已死亡了嗎？

近日友人在Facebook張貼著名冷笑話網站9gag.com的一個有關星星的笑話，該笑話宣稱我們向星星許願並沒有用，因為根據天文學，我們看到的星星的光都是“數百萬年前”發出的，實際上那些星星早已死亡，就像我們的夢想一樣。

本人並不打算評論對星星許願有沒有用，亦不想評論此笑話的作者是真痴還是假傻，本人只想評論一下此笑話對星星的說法，因為此笑話對星星的描述，從頭到尾都是錯的，而且實際上是錯很大。

恆星之間的距離單位 – 光年

我們晚上看得到的所謂「星星」，基本上是指除太陽和月亮外，晚上在天空中可以看到的一點一點的光亮小點。這些「星星」主要分為兩類，一種是我們太陽系內的行星，肉眼能看見的共有五顆，分別是水星、金星、火星、木星和土星，另一種就是與太陽一樣，但距離地球遠很多的恆星。在天文學上，「star」一般都是指恆星。有關行星的在這裡不需要詳細討論，在行星上的光傳來地球的所需時間都是數個小時之內，它們完全沒有實際上已經死亡的問題，因此本篇文章的討論重點，是恆星。

對恆星有一個粗略概念的人而言，他一般都知道恆星其實距離地球非常遠。實際上，以人類的尺度而言，恆星和地球的距離也的確遠超我們日常的經驗，以致若要使用我們日常生活中最常用的最長距離單位 – 公里 – 來表示恆星與地球的距離，表示出來的數字後面會拖著很多個「0」。因此，天文學家發明了星際間的距離單位 – 「光年」。

根據相對論，光速是恆定的，即光在任何情況下的速率都是固定的，大概是一秒走30萬公里。而天文單位「光年」的定義，就是以光速直線行走一年所經過的距離。以公里表示的話，一光年即大約9.46兆公里，或9 460 000 000 000公里。而這個距離單位，剛好可以幫助我們知道，我們現在看到的星星的光，是由多少年前由該恆星發出的。例如與地球最近的恆星「比鄰星」，與地球的距離是4.22光年，亦代表從比鄰星發出的光，需要4.22年的時間就能抵達地球，給我們觀察得到。

仙女座星系

實際上，我們晚上看到一顆一顆的星星，絕大部分都是距離地球一千光年之內，全部位位銀河系之內，屬於銀河系中比較接近我們的星體。換句話說，我們看到的星星之光，都是在近一千年內已經產生的，而不是笑話中數百萬年前。若果要觀測數百萬年前產生的光，就要看數百萬光年外的星體了，而數百萬光年，已經超出了銀河系的範圍，到達另一個星系的距離了（例如仙女座星系距離地球約250萬光年）。

恆星的壽命與死亡 – 超新星大爆發

該笑話除了弄錯了恆星的距離外，實際上也弄錯了恆星的壽命。恆星的壽命是與它的質量成反比的，即恆星的質量愈大，它的壽命也愈短；但即使是質量很大的恆星，一般也會有數百萬年的生命，而類似太陽質量的恆星，其生命更長達100億年。一千年對恆星的生命而言，只是一段很短的時間。

略去與太陽質量相近的恆星不談，只看大質量的恆星又怎麼樣？只要這些大質量恆星足夠多，總會找到一些恆星並實早已死亡吧？或許，但它們的出現頻率比大家想像中的要低得多。

生命周期只是數百萬年的大質量恆星，在它們生命完結的瞬間，會進行一場規模異常龐大的爆炸，這種爆炸，在天文學上稱為「超新星爆發」。它是大質素恆星臨死的最後怒吼，它會使恆星的亮度瞬間提升上億倍，並在其後留下大量的星塵，形成非常漂亮的爆炸星雲。

蟹狀星雲 – 超新星爆發後的殘骸

我們看到的星星，在一千年內發生超新星爆發的頻率高嗎？實際上，這個頻率很低。不要說我們看到的六千多顆星星，就算我們把整個銀河系的的1000億顆星星都計算在內（這些星星絕大部分在平時根本不可能單獨看到），近一千年在銀河系內的超新星爆發，也只有4次（分別是豺狼座SN 1006爆發、天關客星爆發，即造成蟹狀星雲的爆發、第谷超新星和克卜勒超新星），最近的一次是1604年的克卜勒超新星爆發。也就是說，我們已經有超過四百年沒有見證過平時有可能看到的星星的死亡了。

左- SN 1006，右上 – 第谷超新星殘駭，右下 – 刻卜勒超新星殘駭

總結而言，我們平時晚上肉眼可以看到的六千多顆星星中，基本上所有到今天都依然存在，而且還會存在很久，大家不用擔心現在看到的星星是否已經死亡。至於向還沒有死的恆星許願有沒有效，我就不在此評論了。

宇宙模型的發展（一）

在二十一世紀的今天，地球環繞太陽公轉已經成為了公認的事實，甚至被認為是一種「常識」，不知道的人被認為是極端的無知，這種態度甚至「回溯」至古人，認為古人不能認知地球環繞太陽公轉是保守及不懂科學的表現。另一方面，當提及哥白尼的日心說時，卻百般的頌讚，把他提出的學說說成真理一般，哥白尼嚴然成為「正確」和「進步」的代名詞。但實際上，宇宙或太陽系模型的發展，比大部分人想像中複雜，亦比大部分人想像中精彩，古人擁抱的地心說模型並非毫不科學，哥白尼的日心說模型也不是毫無錯漏。就讓我們看一看，人類到底如何在不斷的摸索中去蕪存菁，慢慢建立正確的宇宙模型。

一切宇宙模型的開端 — 星體的行走路徑

當我們長期觀察天空時，我們首先會發現， 天空好像是一個大圓球，而我們就位於這個大圓球的正中心z，而這個球便稱為「天球」（ 雖然我們已知天球實際上並不存在，但它使用起來相當方便，故在現代形容天體的位置時依然被沿用。）。 而當我們忽略星體每天的東升西降運動後，我們會發覺天絕大部分星體看起來都固定在天球上，並不會在天球上移動。這些星星就是組成各個星座的「恆星」。而「天球+恆星」則組成了整個天空的一個大背景。但相對這個不變的大背景，有七顆星體會不斷改變自己在天球上的位置，這七顆星體分別就是太陽，月亮及金木水火土五大行星（天王星海王星等行星因為太暗的關係，肉眼難以看到），在中國古代通稱為「七曜」。（這也是日本稱呼「星期X」為「Y曜日」的由來。但另一方面，中國到民國時期才開始使用「星期」。）

在這七個會移動的星體中，太陽及月球的視運動比較簡單：太陽約每365.25天由西向東環繞天球一周，所行的路徑稱為「黃道」；月球約每27.3天由西向東環繞天球一周，所行的路徑稱為「白道」。可是，其他五顆行星的視運動則複雜多了。五大行星大部分時間都是由西向東移動，這時候的視運動稱為「順行」；但在某些時候卻看似不動，稱為「留」，甚至倒著由東向西移動一段距離，這時候的視運動稱為稱為「逆行」。 以火星作例子，下圖為2003 年火星逆行前後的路徑。

基本上五顆行星都會依從著「順行 –> 留 –> 逆行 –> 留 –> 順行」的方式在天球上移動。 因此任何合格的宇宙模型都必須能解釋為何五大行星會有這種「古怪」的視運動。而第一個能解釋這種路徑的成熟模型，就是托勒密的地心說模型。

被污名化的宇宙模型  — 托勒密地心說模型

托勒密，公元前一世紀的希臘裔羅馬天文學家，長期居於埃及的希臘化城市亞歷山卓，名字雖與當時的埃及王室相同（托勒密王朝），但大概不是王族。他影響後世最深的著作是《天文學大成》，乃集當時西方天文學知識大成的巨著。它的出現甚至令當時西方世界的人基本只使用他而不再使用其他較舊的天文學著作，以致舊著作大量失傳。由此可知，《天文學大成》的影響之廣。而《天文學大成》的內容正是以地球為宇宙中心的宇宙模型。

那到底托勒密的模型如何解釋行星的逆行現象？這裡就要簡介一下兩個古天文學的概念：「本輪」及「均輪」。

在托勒密的模型中，五大行星並不是直接環繞地球作圓周運動，而是按著「本輪」作圓周運動；而這個本輪的圓心則按著「均輪」作圓周運動，間接令行星環繞地球轉動。這個本輪及均輪的組合，令行星的綜合路徑不再是簡單的圓周運動。在精確度要求不是非常高的情況下，托勒密就利用均輪及本輪的設計解釋了為何五大行星會有逆行的現象，並能用這個宇宙的模型去預測各個行星的位置。

（事實上，托勒密的模型不單能解釋行星逆行的現象，而且還能解釋行星在天球上的移動速度不一，水星及金星為何必定在太陽附近，四季的長度並非完全平均等問題，但在這就不詳細解釋了，有興趣的朋友可自行維基。）

托勒密模型的預言到底有多準確呢？這裡給出兩個事實，你就可以想象托勒密模型有多準。第一個事實是，托勒密發表了《天文學大成》後，他的學說在1300年間並沒有受到真正具意義的挑戰，千多年來的學者均是在托勒密的基礎上修正他的模型，但直至克卜勒之前，並沒有人（包括哥白尼！下一篇文章將會提及）能另闢蹊徑而在精確度上勝過托勒密模型及它的子代。第二個事實是，現代的星空星體投射器（除了完全電腦化的版本外）要模擬各行星的軌跡時，依然是使用托勒密模型的均輪本輪原理作模擬投影。

為托勒密平反 — 托勒密模型的科學性

托勒密的地心說宇宙模型是否科學？各位的第一印象應該是：「怎麼可能？它根本不對！」但這個印象是錯鋘的。托勒密的宇宙模型絕對可以稱為科學理論！因為它完全滿足「科學理論」的三大條件：可預測性，可證偽性，可重複性。

可預測性：托勒密的宇宙模型可以用作預測行星的運行路徑，亦可預測行星在未來的位置。事實上，在準確度要求不太高的情況下，托勒密的模型成功正確預言了各行星在其出版後超過一千年的位置。
可證偽性：托勒密的宇宙模型留有被證偽的空間，當它預測行星的位置與實際有差別時，它並沒有什麼「自圓其說」的說法；事實上，就是由於它的預測與實際有差別，才會慢慢被更能準確預測行星位置的日心說模型取代。
可重複性：不論由誰去利用托勒密的宇宙模型去預測行星的位置，他都會複得相同的答案。

由此可見，托勒密的地心說模型，是地地道道的科學理論。當然，它是一個已被推翻的理論，但「科學」及「正確」其實並沒有直接的關係，「科學」只是要求理論必須合乎證據，合乎現實，而當新的證據出現而與舊理論不符時，舊理論就應該讓位給更能解釋理據的新理論，如此而已。中世紀後期的天主教會阻止日心說的發表，的確是保守的表現，但這與托勒密無關，更與托勒密模型無關，不應因此而抹殺托勒密在天文學的貢獻。

下一篇文章將會介紹日心說的出現及其相關的證據及改善過程。

為什麼宇宙是黑的

作者    Curtis Lai

在一個寧靜的晚上，躺臥在軟綿綿的草地上，有人會欣賞著點點繁星；有人會思考著世間的隱奧。但在這幅迷人的畫面中，有著一個必要的條件：天空是黑的。

 

「為什麼夜晚的天空是黑的？」

 

可能有人會覺得這問題十分無聊，並會帶著不屑的眼神說道：「夜晚的天空不是黑的，難道會是白的？」

不過，這個大家都習以為常，甚至覺得理所當然的現象，其實很可能隱藏了宇宙其中一個最大的奧秘…

 

這裡有必要說明一下什麼是黑。「黑」在嚴格的定義上，不是一種顏色，因為任何一種顏色都必定與某些波段的光相對應；而「黑」，簡單點說，就是沒有光，或幾乎沒有光；黑不是一種顏色，而是「缺乏顏色」本身。

 

夜晚為什麼是黑，第一層的答案很簡單，因為夜晚沒有足夠的光把一切照亮。若果這是你的答案，恭喜你，你答對了。但問題不應該就此打住。有一條問題一定要問，但很多人不會問的，就是「為什麼夜晚的光不夠把一切照亮？」

 

夜晚不是沒有天然光源的，頭上一閃一閃的小星星就是。為什麼星星的光不夠把一切照亮？如果有足夠的星星，能否把一切照亮…？

 

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要知道為什麼這是一條經典的天文題，我們必須把時間回溯至20世紀初，也是就愛因斯坦相對論發表的前後。請忘掉什麼大爆炸，什麼暴脹論，這些東西在那時候還未出現。宇宙是否有開始，宇宙是否無限大，這些問題在那時候依然是未知之數。

 

那時候的科學家，特別是愛因斯坦，對一個穩定的宇宙，有著一種近乎迷信的執念。他們相信宇宙是穩定的，那麼這個宇宙才能一直維持下去，人類才可能繼續繁衍不息…

 

不過，要維持一個穩定的宇宙，不是一件容易的事，原因是把蘋果砸向牛頓的力量 — 萬有引力。萬有引力相比其他力量，雖然微不足道（電磁力的強度是萬有引力的一萬億億億億倍–參考自《費曼物理學講義》），但萬有引力最厲害的地方，就是它能累積，當它累積到宇宙的程度時，它就搖身一變，成為了主宰宇宙命運的偉大力量。

 

要維持一個穩定的宇宙，必須一個平均分佈的宇宙，因為一個不平均分佈的宇宙，不可能穩定（廢話…）。不平均的宇宙，引力也就會不平均；大家都知道，引力是信奉「馬太定律」的，引力大的地方，會吸引附近的物質，而更多的物質又代表更大的引力，更大的引力又代表能吸引更多的物質…最終的結果就是幾乎所有物質都會撞在一起，那樣的世界，一點都不好玩，因為那裡不可能出現人類。對我和很多人來說，最不好玩的，莫過於人類減亡了。所以，要維持一個穩定的宇宙，宇宙的物質在宏觀上，必須是平均分佈的。

 

另外，一個穩定的宇宙，也必須是無限大才行。如果宇宙不是無限大，就好像困獸鬥一樣，物質最終也是會聚集在一起，這樣的宇宙也是不穩定的。

 

20世紀初的人，對於宇宙在時間上是否有起點，也是各自表述，莫衷一是，反正那時候也找不到什麼證據證明或否定宇宙是有起點的。當然，各位虔誠的基督教/天主教/東正教/伊斯蘭教/猶太教/祆教/…的教徒們，一定會相信，宇宙是有起點的；不過，由於20世紀初是一個宗教權威在下滑的時代，所以倒是有一大批人，相信宇宙並無起點，宇宙是一直存在的。

 

一個一直存在的穩定宇宙，多麼的吸引啊！相對於那個正在發生第一次世界大戰的混亂世界，這個宇宙更能給人安詳的感覺。可能也是這個原因，令很多人衷心相信，這就是宇宙的本來面貌。

 

可是，世事是不完美的…

 

正如一戰後那脆弱的和平一樣，這個安穩的宇宙，也是脆弱的…黎明前的黑暗，就把它徹底摧毀掉…

 

如果宇宙是無限大，平均分佈且已存在無限時間，那天空應該是光亮的！

 

道理其實很簡單，一個光源的亮度，是跟它與觀測者的距離的平方成反比的，換句話說，當一個光源與觀測者的距離變成兩倍時，它在觀測者眼中的亮度就變成四分一。所以距離我們愈遠的星星，視亮度就愈暗。

 

但若宇宙是平均分佈的，則在指定任何一個方向上，你觀看到星星的平均數目，與你觀測距離的的平方成正比。換句話說，你在二千光年內觀測到星星的平均數目，是你在一千光年內觀測到星星平均數目的四倍。

這兩個效應，剛好可以互相取消。也就是說在每一個距離上，都有平均相等份量的光線抵逹地球。而由於宇宙是無限大而且存在了無限的時間，所以將有無限量的光線有足夠的時間到達地球。天空應該是無限光亮的！

等等！有問題！誰都知道，光線是可以被阻擋的。前面的星體會把後面的星體遮蓋掉，不是一件什麼新鮮事。那麼計算下去，就不應該有無限量的光線到達地球了！不過，即使把這個效應計算下去，天空還是應該比現在的白天光亮很多倍…

一個完美的，穩定而沒有起點的宇宙模型，就是這樣被迷人的黑夜打破了…

跟據這樣的推論，宇宙要麼不穩定，要麼在時間上有其起點。這對二十世紀初的人來說，是多麼大的震撼啊！不過，科學是一個會自我修正的科目，現代天文學也不例外；一個觀念被打倒了，科學家的工作就是重建一個更能解釋這個世界的觀念，直至這個觀念再次被打破，如此循環不息，而人類也從中進步。一個要麼不穩定，要麼有起點的宇宙模型成為了必需品，這成為科學家的動力，去尋找宇宙到底是不穩定的，還是有起點的。尋找的結果出人意表：宇宙既不穩定，又有起點！於是乎，大爆炸論等宇宙理論也就因此慢慢地培育起來了…

下次當你望著美麗的黑夜時，可以想想，這個迷人的夜景，原來在訴說著宇宙的隱奧，你當會對這個世界，這個宇宙，有著另一番見解。

不過，若你與女(男)朋友看著這迷人的夜空，而你向她(他)訴說著的是宇宙的隱奧，而不是甜言蜜語時，一切後果自負…