布鲁卡的脑—著名天文学家卡尔·萨根著作

  在天文学史上最早的一个主要争端是，究竟是地球还是太阳位于太阳系的中心位置。托勒密和哥白尼用不同的观点对月球和诸行星的视运动进行了解释，两种观点各执一端，互不相让。对于确定月球和其他行星在轨道上所处位置这样一个实际问题，仅根据地面观测的情况来进行判断，是很难以充足的理由来决定两种假说的取舍的。然而，地心说和日心说的哲学含意却是相当不同的。长期以来，人们想方设法要弄清谁是谁非，在哥白尼的观点中，金星和水星应该和月亮一样，经过位相的整个循环。而托勒密的观点则认为金星和水星的运行不存在位相变化。当伽利略用第一架天文望远镜观测到圣娥眉月形状的金星时，他意识到他已经用所观测到的事实有力地证实了哥白尼的关于内行星存在位格变化的假说。
  宇宙飞行器还为我们提供了一种更直接的检验。根据托勒密的学说，诸行星是被固定在巨大的水晶般球体上的。但是，当“水手2号”或“先锋10号”宇宙飞船穿过托勒密假想的水晶球境域时，没有发现阻挡它们运动的障碍物。更直接地说，音响探测器和陨石微粒探测器甚至没有听到最细微的沙沙声，更不用说破碎的水晶石的声响了。关于这类检验，还是有一些能令人满意的、与实际相符合的东西。在我们中间，大概不会有托勒密体系的信奉者了。但是，可能会有些人对某种修正过的地心假说中金星是否经过位相变化仍保持怀疑。这些人现在可以解开内心的疑团了。
  在宇宙飞行器出现以前，德国天体物理学家路德维希·比尔曼（Ludwig Bierman）观察到在彗星经过近日点时，其彗尾显著地变长变大，而彗尾上的亮点显然在加速出现，这一观察使比尔曼产生了浓厚的兴趣。比尔曼指出，太阳辐射的压力不足以解释彗星亮度增加的原因，他还提出了一种新奇的见解，认为来自太阳的一种带电粒子流与彗星相互作用，从而产生了亮度增加的现象。好了，或许有这种可能。但是，我们难道不能说这种现象同样也可以由于彗核的化学爆炸而产生的吗？或者是否还有其他的解释呢？然而，在宇宙飞船“水手2号”首次成功地飞经金星的过程中，确定了太阳风的存在，其速度与电子密度，恰恰在比尔曼所计算的范围内，这种太阳风必然会加速彗星亮点的出现。
  当时，对太阳风的本质有过争论。有一种观点是芝加哥大学的尤金·帕克（Eugene Parker）的观点，认为太阳风的形成是由于来自太阳的流体动力流所引起的；而另一种观点则认为，是太阳大气顶部的蒸发导致了太阳风的形成。在流体动力学解释中，应该不存在质量分级现象；这就是说，太阳风的原子成份应该与太阳的成份相同。然而，在蒸气假说中，较轻的原子比较容易摆脱太阳的引力向空间逃逸，而重元素在太阳风中则应被首先摔尽。星际宇宙飞船已经发现，太阳风中氢与氦的比率正好与太阳一样。从而对太阳风起源于流体动力流的假说提供了令人信服的证据。
  在所引用的这些有关太阳风物理学的例子中，我们发现，宇宙飞行实验对有争议的假说做出严格的判断提供有力的手段。我们只要回顾一下以往的事实，就会发现，有些天文学家象比尔曼和帕克等是正确的，因为他们有正确的理由。但是，还有其他一些同样智能高强的人，他们不肯轻易相信这些天文学家的观点，假如不是进行了具有说服力的宇宙飞行实验，他们或许会继续持怀疑态度。值得引起注意的不是那些现在证明已错了的各种假说，而是那种资料数据十分不足的假说，无论谁都很难利用这些资料推导出正确的答案来——从直观便知，物理学和常识都是不能只凭推理行事的。
  在阿波罗探索月球的计划实施之前，月球表面最上层的月面性质，可以利用月球的自转周期和月食的过程通过可见光、红外线及无线电的观测测定，由月面反射的阳光的偏振强度也已测出。根据这些观察，康奈尔大学的托马斯·戈尔德（Thomas Gold）制备了一种黑色粉末，在试验室中这种粉末非常有效地重现了所观察到的月面性质。这种“戈尔德粉尘”，甚至不用花很贵的价钱就可以从埃德蒙科学公司购买到，凭肉眼观察，“阿波罗”宇航员带回的月球粉尘与戈尔德粉尘几乎看不出有什么差别。在粒度分布和电学与热学性质方面，它们都很相似。然而，它们的化学成分却有很大不同。戈尔德粉尘主要是波特兰水泥、木炭末和头发屑。而月球粉尘则几乎不含有这些外来成分。但是在“阿波罗”月球探索之前，戈尔德通过观察所测定的月球性质，主要不是依据月面的化学成份。他那时之所以能够非常出色地推断出月球表面的部分性质，还应归功于他1969年以前对月球所进行的观测。
  在苏联“金星号”探测器首次到达金星就地观察金星大气层以及随后金星号探测器在其表面着陆之前，我们就已经根据对所获得的无线电和雷达资料的研究推断出金星具有很高的表面温度和表面压力。同样，我们也正确地推断出火星上存在的地势高度差可达二十公里之多，尽管我们曾错误地认为那些暗区是该行星的高地。②
  或许，在这种天文学推论被宇宙飞船观测所验证的实例中，最有趣的要算木星磁层范围的确定了。1955年肯尼思·富兰克林（Kenneth Franklin）和伯纳德·伯克（Bcrnard Burke）在美国首都华盛顿附近试验一架射电望远镜，打算用来绘制频率为22赫兹的银河系无线电发射图。他们注意到在他们的记录中，周期性地出现一种有规则的干扰，最初，他们以为这是起源于某种常见的无线电噪音——例如，象附近某拖拉机的不完善的发火装置系统产生的无线电噪音。但是，他们很快发现这种干扰的发生时间，与无线电信号经过木星头顶的时间完全相符。他们终于发现木星是一种强有力的十米波长无线电发射源。
  随即又发现木星也是分米波长的明显来源。但是，这种波谱非常奇特。在波长为几厘米时，发现其温度很低，约为140度K左右——该温度相当于按红外线波长所发现的木星的温度。但是，当其波长从分米到一米时，——其亮度温度随波长的增加而迅速增加，接近100，000度K。这一温度对热的散发来说则太高了——一切物体之所以能产生无线电发射，只不过是因为它们的温度在绝对零度之上。
  其后，国家射电天文台的弗兰克·德雷克（Frank Drake）于1959年提出，这种光谱意味着木星是一种同步加速发射的来源——即带电粒子按其运动方向，以接近光速的运行速度发射的一种辐射源。在地球上，同步加速器是在核物理学中使电子和质子的运动速度加速增长的一种非常便捷的装置，正是在同步加速器中，对这种发射首先进行了一般性研究。同步加速器发射是被极化的，而发自木星的波长为分米的辐射光也是被极化的，这一事实给德雷克的假说增加了一条有利的依据。德雷克推测，水星是被一条巨大的相对论性的带电粒子带所环绕，就象当时刚被发现的环绕地球的范艾伦辐射带一样。如果事实确是如此的话，分米波长的发射范围就应该比木星的可见体积大得多。但是普通的射电望远镜却没有足够的角度分辨率来辨认木星磁层范围内所存在的任何空间细节。然而无线电干涉仪则能够达到如此精密的分辨率。1960年春，也就是德雷克作出上述推测后不久，V·雷德哈克里斯南（Radhakrishnan）和他在加利福尼亚理工学院的同事们使用了一台由两付天线组成的干涉仪，天线直径为九十英尺，均安装在铁轨上，两者相距约为三分之一英里。他们发现木星周围的分米波长发射范围，比通常只靠射电望远镜所见到的木星星球要大得多，进而证实了德雷克的假设。
  接着，他们又用这台分辨率较高的无线电干涉仪测出，木星两侧有两只对称的发射无线电波的“耳朵”，其形状很象地球的范艾伦辐射带。这一观测图象逐渐引伸出一个结论，即来自太阳风的许多电子和质子，被行星的磁偶极场俘获并加速，使他们不得不成螺旋形分别沿着行星的磁力线，从一磁极跃向另一磁极。从而表明水星周围的无线电发射范围与它的磁层范围是一致的。磁场越强，磁场边界就向行星外伸展得越远。此外，根据同步加速器发射原理，所观察到的与此相称的无线电频谱可以确定木星的磁场强度。可是在二十世纪六十年代末和七十年代初，对木星磁场强度还无法作出很精确的测定，而多数只能根据射电天文学来估算，其数值在5－30高斯之间，大约相当于地球赤道表面磁场的10－60倍。
  雷德哈克里斯南和他的同事们还发现，来自木星的分米波的偏振，随着该行星的运转而有规律地变化，木星的这种辐射带对于视线来说好象是颤动的。他们提出这种现象是由于木星的自转轴和磁轴之间有一个9度的倾斜角而导致的——这和地球地理上的北极与地磁北极之间的位置偏移没有多大区别。而后，科罗拉多大学的詹姆斯·沃里克（James Warwick）和其他天体物理学家们在研究分米和十米波长的发射时，提出木星的磁轴与其自转轴不过是稍许偏离了一点，这与地球上两轴相交于地球中心的情况大不相同。