第十大行星之惑

　　□黄永明

　　7月29日，美国加州理工学院的迈克·布朗等人宣布，他们在冥王星轨道之外发现了一颗巨大的天体，按照他们的 估计，这颗天体的体积可能达到冥王星的1.56倍。美国宇航局作为该研究项目的资助机构，在发布新闻时将这颗编号为2003UB313 的天体称为“第十大行星”。

　　我们都知道，我们所居住的地球是一颗大行星，地球身旁的金星、火星也是大行星，并且可能已经有人告诉你，现在 天文学家已经在太阳系之外发现了大约160颗大行星，而且数目还在增加。但是请等一等，有没有人知道，什么是“大行星 ”？

　　你也许可以在词典上查到“行星”这一词条的定义。比如《现代汉语规范词典》：“环绕太阳运行的天体。本身不能 发光，能反射太阳光。”但是，这个传统意义上的定义显然已经跟不上科学的进展：现在人们已经知道，有许多行星并不是环 绕太阳运行的，而是环绕其他恒星运行的；任何温度大于绝对零度的物体都会“发光”，包括所有传统意义上的“行星”，只 不过有些物体发出的是人眼所不能看到的电磁辐射。

　　实际上，现在没有人知道什么是“大行星”。因为世界上还没有关于“大行星”这一概念的统一而完备的定义。布朗 等人的发现及对2003UB313的称谓立即在天文学界引起了巨大的争论。这个发现迫使天文学家开始仔细思考，“行星 ”这个乍看起来再普通不过的名词究竟意味着什么。

　　天文学中并不存在“大行星”？

　　“新行星”的发现者布朗认为，他的团队所发现的是一颗文化意义上的大行星，是一颗历史意义上的大行星，但不是 一颗科学意义上的大行星。

　　这不难理解。当天文学家在1930年发现冥王星时，他们起初以为冥王星有火星那么大，他们也尚不知道与冥王星 轨道相近的天体还有许多，自然就把冥王星加入了大行星的行列。后来研究者才发现，原来冥王星处在一个由许多天体组成的 带状区域之中，这些天体以提出者的名字命名，被称为“柯伊伯带天体”。

　　冥王星其实是一颗巨大的柯伊伯带天体，只是由于历史的原因才保留了双重身份。在发现2003UB313之前， 冥王星一直都是已知的最大的柯伊伯带天体。许多年前，一些天文学家就开始提出免除冥王星的大行星地位，但并未得到国际 天文学界的权威机构——国际天文学联合会——的赞同。

　　去年，布朗的小组宣布他们在冥王星轨道之外发现了巨大的新天体“塞德娜”，立时再度激起了对冥王星地位的讨论 ，但塞德娜毕竟比冥王星还小不少，所以就连布朗本人也未曾考虑把它列为“第十大行星”。

　　2003UB313比冥王星大出一半，既然冥王星是大行星，那么比这颗大行星还大的天体难道不应该被称为“大 行星”吗？从另一个角度来看，早在现代科学诞生之前，“大行星”这一名词就已经出现在希腊语中了。在希腊语中，“大行 星”就是天空中的游移天体。国际天文学联合会至今没有给“大行星”下完整的定义，这也就意味着从科学上其实无法判断太 阳系的天体中哪些是大行星，所以“大行星”就只能是历史和文化上的概念。

　　“大行星”不等于“大块头”

　　在1995年之前，“大行星”的界定还不是一个很突出的问题，因为在那之前，天文学家还没有在其他恒星周围发 现行星。但是现在，他们已经在太阳系之外发现了大量的“外星行星”。与太阳系中的大行星相比，外星行星中存在许多另类 分子，它们的出现开始让天文学家重新审视“大行星”这个古老的概念。

　　在界定“大行星”上，目前天文学家较为一致的一个观点是，质量大于13.6倍木星质量的天体不能被称为大行星 。因为一个天体的质量一旦超过这个界线，它的内部就会开始发生核聚变——内部发生核聚变的天体当然不再是行星了。

　　这是大行星的质量上限，但目前还没有意见统一的质量下限。有的天文学家主张把冥王星的质量作为质量下限，也有 天文学家认为应该把“天体能够在自身引力下呈球形”作为下限。

　　然而，事情还不仅仅是缺少一个质量下限这么简单。

　　天文学家在考虑一个天体是否为大行星的时候，还时常考虑另一个问题：这个天体是怎么形成的？现在已经发现一些 外星行星的形成过程与太阳系大行星的形成过程非常不同。那些行星的形成过程可能与恒星更为相似，虽然它们的体重与恒星 还相差甚远。一部分天文学家认为，这种形成过程与恒星相似的天体不应该被归为大行星。

　　除此之外，天文学家可能还得考虑大行星的“生存环境”。

　　现在已经发现，一些行星质量的天体围绕一种比恒星质量小的天体运行，这些中心天体不是行星，因为它们的内部存 在核聚变，但也不是恒星，因为它们的核聚变是不稳定的。那么这种既不围绕太阳也不围绕其他恒星运行的行星质量的天体该 不该被称为大行星呢？天文学家还曾在中子星身旁发现行星质量的天体，它们又是否该加入大行星的行列？从历史上的发现看 ，中子星身旁的行星质量天体没有被归为大行星。

　　更有甚者，英国有天文学家在星云中发现了“自由飘浮”的行星，这些行星质量的天体并不围绕任何其他天体运行— —它们仅仅在星云中漫无目的地游荡。或许它们曾经围绕恒星运行，但现在不了。那么它们是否属于大行星呢？如果它们不是 大行星的话，又是什么呢？

　　在太阳系中，判断一个天体是否为大行星，天文学家可能还会考虑其他一些问题。比如，它的轨道面与“九大行星” 的平均轨道面的交角是否太大了，或者这个天体是否属于小行星带或者柯伊伯带的一员？

　　这些情况都在表明，“大行星”的界定绝不仅仅是一个体重的问题。虽然什么样的天体是大行星，完全是人为划定的 ，但想要得到一个满意的标准并不像看上去的那样轻松。

　　激辩“第十大行星”

　　实际上，按照一些天文学家的看法，太阳系有20多颗大行星。美国加州大学伯克利分校的天文学教授基博·巴斯瑞 是这一主张的代表人物。他把与界定“行星”有关的天体分为三种：聚变星、行质天体和大行星。聚变星是一生中自身可以发 生核聚变的天体；行质天体是球形的非聚变星；大行星是围绕聚变星运转的行质天体。其中，聚变星和行质天体都是他自创的 概念。于是，情况变成了这个样子：大于13.6倍木星质量的天体就是聚变星，因为在它们的中心发生了核聚变反应；月球 是行质天体，但不是大行星，因为它不围绕聚变星运转；一颗脱离了太阳系的“自由漂浮的”地球是一颗行质天体，不是大行 星。

　　这种方案看上去能够很好地解决目前的混乱状况。按照这种方案，新近发现的“新行星”的确是大行星，包括某些小 行星也会拥有大行星资格，太阳系中有20多颗大行星。

　　现在有越来越多的天文学家受到巴斯瑞的分类法的影响，但想让这个方案获得广泛的推行显然还有很大困难。“假如 天文学家突然说‘我们刚刚决定，事实上，太阳系有23颗大行星，我们现在打算让你们知道’，那么很多人并不会高兴。” 布朗说。

　　从1999年开始，国际天文学联合会就组织了一批天文学家讨论界定“大行星”的问题。在“第十大行星”发出的 催促下，该小组近来交流频繁，希望能够拿出一个界定“大行星”的初步方案。

　　小组成员艾伦·斯坦恩提出了一个定义，大致可以表述如下：大行星是围绕恒星运行，在自身引力作用下呈球形，并 且质量没有大到中心会发生核聚变的天体。同时斯坦恩还提出了“矮行星”的说法，这种天体的质量比大行星小，相当于传统 说法中的“小行星”。按照斯坦恩的理解，此次发现的“新行星”自然也是一颗大行星。

　　但也有一些天文学家不打算把“新行星”算作传统意义上的大行星，比如华盛顿卡内基研究所的行星形成专家艾伦· 博斯就把这个新天体称为“柯伊伯带行星”，而夏威夷大学的著名行星科学家大卫·朱伊特则把新天体看作一个大个头的柯伊 伯带天体。

　　国际天文学联合会界定“大行星”工作组的另一名成员布里安·马斯登也有不同的喜好。他认为也许让太阳系的大行 星数量回归到“8”是一个更好的选择，只有当新发现的天体大于火星乃至地球的时候才把新天体列为大行星。所以，在马斯 登看来，“新行星”并不具备行星资格。

　　实际上，天文学家现在的确认为，在遥远的太阳系边缘仍然存在体积巨大的未知天体，有可能会有火星，甚至地球这 样大的柯伊伯带天体。斯坦恩就是这样认为的。他所主持的“新地平线”探测计划有可能在未来派探测器飞往冥王星，并探索 冥王星之外太阳系最后的秘境。

　　布朗从文化的角度出发，还提出了一种选择：到冥王星为止，不再增加新的太阳系大行星，也就是说太阳系永远只有 九大行星。“冥王星是一颗‘大行星’，因为文化说它是。”他说。

　　最终的界定方案可能会在一年后得到。明年8月份，国际天文学联合会大会将对天文学家们提出的划分方案进行讨论 和表决。也许到那个时候我们才会知道现代科学究竟赋予了“大行星”这个古老的词汇一个什么样的含义。世界上所有的科学 教科书、科学读物也有可能从此改变它们对太阳系大行星的表述。

　　微米世界里的

　　秩序和美

　　中国科学家在微米尺度上用无机材料生长出迷人的斐波纳契数花样，这是一个奇妙的发现□本报驻京记者徐彬

　　1，1，2，3，5，8，13，21，34，55，89，144……这个神秘的、包含了太多大自然秘密的斐波 纳契数列，在诞生的800年里已经带给人们太多的痴迷。它的追随者们或许不会想到，在中科院物理研究所的一个实验室里 ，科学家们在微米(一微米等于一百万分之一米)尺度上用无机材料生长出了迷人的斐波纳契数花样。

　　此前，人们对斐波纳契数列出现在许多植物中已是司空见惯。例如百合有3个花瓣，桃花是5个，这些都是斐波纳契 数列中的数字。一些植物的果实对这个数列也有“特殊偏好”：向日葵种子的排列可同时看作是两组螺旋线，如果沿顺时针旋 转螺旋的数目是某个斐波纳契数，则沿逆时针旋转螺旋的数目一定是相邻的另一个斐波纳契数。如果向日葵的种子排列用这样 的一对斐波纳契螺旋数表示的话，它可以是(21，34)，(34，55)直至(89，144)；而在最常见的菠萝表面 ，其鳞片的排列一般是(5，8)和(8，13)这样的两对斐波纳契螺旋数。大自然就是这么地精确，这么地不可思议。

　　8月5日出版的《科学》杂志发表了中国科学家的这一发现。文章的反响同样热烈，第二天，电子邮件便“塞”满了 通讯作者曹则贤研究员的邮箱，来自世界各地不同领域的“斐迷”们期望能与作者进行更深入的交流。

　　“这个结果支持了学术界关于叶序学的一个大胆设想。”曹则贤研究员说。

　　对于生命中为何出现如此奇特的斐波纳契现象，学术界至今争论不休。代表性的有“效率说”，即植物为了竞争有限 空间，叶子要尽可能多地获取阳光以进行光合作用，花要尽可能地展示自己来吸引昆虫传粉，一个花托上要结出尽可能多的种 子以利物种的繁衍；也有“基因说”，即认为是某种化学物质决定的遗传现象；还有来自纯美学方面的考虑，认为由于数列中 相邻两个数字相除可以得到黄金分割数，这是大自然对和谐之美的选择……

　　1941年，英国学生汤姆普森(W.Thompson)曾经在后来成为该领域经典著作的硕士论文《生长与形状 》中提出一种假说，认为有关生物体的许多生长与形状发生的现象，尽管花样繁多，但在本质上必定只是数学问题和物理问题 。

　　在李超荣研究员和他的同事们设计的实验中，他们首先在高温条件下形成银为内核、外层为氧化硅的10微米大小的 “液滴”。由于冷却在内外两种物质(银和氧化硅)中造成不同程度的收缩，这个结构就会引起应力。当这个应力很大时，应 力不再均匀分布，而会重新分布，形成某种花样。在应力不均匀的表面上，来自蒸发源的物质也会出现不均匀的聚集，这相当 于对应力分布的花样做了“标记”。这样，通过观察壳层上生长的更小的(几百个纳米大小，一纳米是十亿分之一米)颗粒， 就能够得到应力分布花样的信息。

　　在扫描电镜下，他们观察到，在近似球面的大“液滴”上，这些纳米小颗粒以五边形和六边形规则地排列，如同自然 界中的蒲公英和轮锋菊花托上的小花。这个结果符合根据多面体欧拉定理所作的预期，因为如果要铺满整个球面，五边形和六 边形同时出现是必须的。

　　真正吸引《科学》杂志关注的是接下来的工作。在略显扁平的盘状“液滴”结构上，他们发现那些纳米小颗粒形成了 斐波纳契数花样。用顺时针和逆时针螺旋数来标记，他们观察到了(5，8)，(8，13)和(13，21)三组不同的斐 波纳契数花样。

　　“在整个过程中，应力是产生花样的惟一驱动因素。这个实验结果让我们马上想到，植物中斐波纳契数花样的发生可 能也是由于同样的原因：即在一定形状的范围内如何让应力引起的应变能最小(能量最小是物理学中的基本原理，最通俗的例 子是水总是往低处流)。”曹则贤研究员说，“它恰恰验证了汤姆普森的设想——这只是一个物理的问题和数学的问题。”

　　尽管这个实验结果提供了利用应力操纵实现微纳米有序结构大面积自组装的技术，但来自不同领域的科学家们更多的 是把目光盯在斐波纳契螺旋上。两位《科学》杂志的审稿人都惊叹于实验结果中“惊人的美”。“在我35年研究细小颗粒及 材料科学，包括高温过程及热力学的生涯中，从未看到过如此迷人的结构。”一位审稿人说。

　　相关专题：南方周末