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2023 年夏天重访美国航空航天博物馆

我从 1996 年以来一直住在美国首都华盛顿地区。刚来的时候,曾经去过很多次市中心的各个免费博物馆,包括航空航天博物馆 National Air & Space Museum. 后来,因为事务繁忙,尤其是在新未名律师事务所创办以后,就很少有时间去了。

今天是六月节假期,我和孩子同作为美洲牧夫天文学会的成员又去了这个博物馆。

因为参观这个博物馆的人数多,现在需要在网上事先预约。即便如此,到了门口,还是看到等待的人群排出来上百米的长队。好在队伍移动速度比较快,馆里人数也不算太多。我们先直奔博物馆里面的天文馆 Planetarium,买票观看正在循环播放的两部影片(感谢黄晨琦校友的提示)。

第一部是 Worlds Beyond Earth,主要讲了太阳系里其他行星的情况,尤其是金星,火星,木星,和土星。记住的重点:土卫六上面有甲烷海洋和云层降雨;木卫三冰层下的海洋水量超过地球;木卫二(欧罗巴)也有冰层下的液态海洋水体,由潮汐引力提供融化寒冰的热能;木卫一(伊娥)是太阳系内火山最活跃的天体,也是因为木星潮汐引力的缘故;金星没有磁场,导致水被太阳风吹走;火星曾经有磁场,可能也曾经有生命,但是因为比地球小而且冷,失去磁场以后,也失去了大气和水。此外,也介绍了小行星带,柯依伯带,奥尔特云,等等。

我以为会介绍太阳系外的行星,尤其是被认为可能存在生命的类地行星,但是并没有。可能因为目前所知还太少而且没有定论吧。人类的兴趣和关注虽然早已达到了宇宙尽头,但是实际能够详细观测的天体还大多限于自身所在的这个宇宙角落。

我出国前家住在学院南路,距离北京天文馆不远,小时候经常去,看过很多遍《到宇宙去旅行》,《环球旅行》,《天空动物园》等等经典节目。后来,九十年代的时候,天文馆一度比较萧条,小卖部里面卖很多占星术方面的书。现在,经济发展了,条件好了,大家对天文的兴趣和支持也更增加了。解仁江老师创办的牧夫天文论坛就有几十万人关注。

第二部是 Dark Universe,介绍了银河系外星系(仙女座 M31)的发现,宇宙大爆炸理论的提出,宇宙背景辐射的发现(证实了大爆炸理论),和引力红移。从观测到的星系 「引力透镜」 强度,以及星系能够以当前速度运动而不散开,解释了暗物质的存在:Dark Matter 目前还不能直接检测到,但是从引力强度估计,暗物质总量是我们能够观测到的星系恒星等等加起来总量的六倍左右。暗物质就像是浩瀚宇宙中纵横交错的树枝,星系像是树上分布的大大小小的果子,而 「树枝」 中间是数万光年直径或者更大的 「巨洞」,「空区」 。我们新未名律所有一位客户曾经在哈佛大学天文系做这方面的研究,取得了美国杰出人才绿卡,后来改做天文相关的公司业务了。

Dark matter is believed to be responsible for the large-scale structure of the universe we see today 图片来自 https://newatlas.com/physics/dark-matter-what-is-explained-history-hunt-experiments/

根据爱因斯坦提出的质能方程,物质和能量可以互相转化。浩瀚宇宙中,暗能量 Dark Energy 的总量比暗物质更多。据说,我们能看到的物质总共只占 5%,暗物质占 27%,暗能量占 68% 但是,暗能量是比较均匀和稀疏地分布在宇宙空间里面的,算是空间的背景能量,密度非常低。通过对于河外星系红移观测,距离我们较远的星系(星光需要更长时间传到地球,代表宇宙更早期的状态)膨胀速度比现在要慢,表明宇宙在加速膨胀。据说,这种加速膨胀证明了暗能量的存在。

作为化学专业的博士,我知道历史上人类曾经提出过 「热质」 和 「燃素」 的概念,用来解释热传导和燃烧现象,但是热质和燃素一直无法找到,后来还有人提出燃素具有 「负质量」,因为燃烧以后物质的总质量可以增加(比如碱金属在空气中燃烧,与氧气结合,生成金属氧化物)。后来,人们找到了对热现象和燃烧的更合理解释,就抛弃了人为设定的热质和燃素概念。物理学上的以太也有类似的情况。那么,暗物质和暗能量,如果一直没有找到,无法观测,是否也存在一种可能,在宇宙尺度,物质在时空中的互相作用存在有其他机制(比如引力和其他作用力比计算出来的强),并不需要假设暗物质和暗能量呢?

天文学在一定程度上被视为 「屠龙之技」 。一方面,如我们前不久的文章《在美国首都华盛顿仰望星空》里面提到:大众对星空,宇宙,和天文有特别的兴趣。从中国古代夜观天象,到西方的占星和星座研究,从希腊神话到嫦娥奔月,从登月火箭到重返月球和探索火星,从 SpaceX 回收使用的火箭,到星链卫星通信和星舰飞船,从黑洞和传奇科学家霍金,到爱因斯坦和引力波,从星球大战系列电影,到三体小说和电视剧。各种媒体,新闻报道,也经常刊登我们对宇宙的新认识,天文学的新发现,以及在宇航领域的进展和尝试。

为什么呢?因为,这些工作,这些知识,让我们更好地理解我们自己(包括个人和人类整体)从哪里来,向何处去,世界的本质,人生的意义。宇宙的浩瀚让我们感觉自身的微不足道,时空的漫长又让我们体会到短暂生命的可贵。从伽利略用望远镜观测星空,推翻地心说,到康德的星云假说,到广义相对论,四维时空,和宇宙大爆炸理论,对夜空的观察和探测总是与哲学和世界观的基本问题联系在一起。

另一方面,学习天文可能不容易直接给人带来金钱方面的好处。天文和艺术,音乐,绘画类似,很大程度上是个人的兴趣爱好。当初,清朝搞洋务运动的时候,意识到,西洋的技术,大多 「从天文算学来」(因为天文学对远洋航海有特别的指导作用)。但是,那个时代过去了。如下面的图片显示,公众对于登月的花费已经嫌太多(据说,当时美国每年把百分之一左右的 GDP 用在相关项目上),而月球距离我们 「只有」 三十八万公里,一些同学的旧车可能都开了不止这个里程了。

火星就算在大冲的时候距离地球也有五千五百万公里,是地球到月球距离的一百倍以上。

其他太阳系的天体距离我们就更远了,比如土星距离地球至少有十二亿公里左右。人类在《三体》等科幻小说里面显得能力很强,而实际上,距离走出地球,访问附近的行星,都还有相当长的路要走,更不要说走出太阳系,走出银河系了。

我女儿在牧夫天文解老师指导下,于 2023 年初夏凌晨拍摄的土星照片

另一方面,这也正是天文学的魅力。仙女座星系距离我们有两百五十万光年,我们看到的只是夜空中的一个小圆点,小圆盘,然而仙女座星系比我们的银河系还要大,有上万亿颗恒星,数量比全地球的总人口还要多很多倍。《星球大战》系列电影的故事,一般认为,就是发生在仙女座星系里。虽然人类在能够设想的未来还无法到达仙女座星系,看到的来自这边的星光也只是两百五十万年前发出的,但是我们可以畅想,在仙女座星系里面是怎么回事,在那边是否有智慧生命。也许,在遥远的仙女座星系,上万亿颗恒星旁边,也有智慧生命正在眺望和他们相邻的银河系,在想我们银河系这边有些什么。

我们新未名律所的一些客户,学天体物理或者高能物理的,有的在拿到绿卡以后转为经商或者做金融工作了。但是也有例外:有一位申请人本来做的是土星磁场的研究,分析卡西尼号飞船传来的数据。在拿到博士学位以后,我们为他取得了杰出人才绿卡的批准。同时,他改研究地球的磁场起伏,用于矿物资源勘探,成功地把自己的兴趣爱好和事业钱途结合了起来。

总体来说,航空航天博物馆比以前有很多变化,改变了布置,增加了很多新展品,尤其是和游客互动的屏幕和声光系统。以前大厅里面摆的是各种洲际导弹和中程导弹模型,现在改成在橱窗里面展示各类火箭。这多少有一点铸剑为犁,从争霸地球转向探索太空的味道。

另一方面,在当前的技术条件和环境下,探索太空还是长路漫漫。博物馆里的这个展板(见下图)介绍说,美国计划在 2024 年就送宇航员重返月球。这个估计是难以实现了。


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