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2002
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地球上的山是历次地质变动的产物。人们认为，层峦起伏的大山脉是大陆漂移期间庞大的大陆板块碰撞而形成的。大陆以每年约一英寸的速度相向或反向移动在我们看来是慢得微不足道的。但由于她球已有几十亿年的历史了，因此各大陆块在全球各处猛烈相撞的机会是很多的。 较小的山是由于火山活动而形成的。炽热的熔岩从地球表层的某些空隙中喷出（这些空隙处结构较弱，因而地下压力就从那里泄出），渐渐冷却，形成巨大的火山渣堆。在这些火山顶上留下的洞（地质学家称之为顶部火山喷口）是随后熔岩喷涌的通道。在活动火山（如夏威夷火山）的这种顶部火山喷口里，我们真的可以看到流动的熔岩。这些单独的火山和火山山脉并不真的是孤立的，它们说明地球在地质上很活跃，还在不断变化。 火星上的情况又怎样呢？火星是一颗比地球小的行星，它的中心压力和温度比地球小，它的平均密度比地球低。这些情况汇合起来，可以设想火星在地质上没有地球那么活跃，可能有点象月球。月球是一个比火星小得多的天体，其内部温度估计比火星的还要低，但即使在月球上，在阿波罗登月时也曾发现过近期火山活动的迹象。虽然我们已经知道月球上没有特别大的重峦起伏的山脉，但我们即使在今天还没有弄清楚，一个行星的大小和构造与火山活动以及山脉的存在之间究竟有什么联系。 早期的行星天文学家比我们现在对这个问题知道得更少。近百年以前，他们通过小型望远镜观测火星，并试图猜测这遥远的火星究竟象什么。在最早研究火星上山脉的天文学家中有一位名叫洛厄尔( Pereival Lowell )的，他认为（见十八章），他已找到证据，证明在火星表面有一些涉及范围很大的十字交错网状线条，线条的形状笔直而有规律，只有火星上存在智慧生物才可能造出这样的图形来。他认为这些“运河”真的是有水的运河。我们现在知道，他所谓的运河问题只是他的一些看法，并不那末合乎逻辑推理。不管是水手号飞船的观测还是其他近期定量观测丝毫都不能证明火星上有洛厄尔所说的那种运河。 十九世纪九十年代，洛厄尔提出一个论点，认为火星上没有山，因为山对建造一个全面的运河网是一大障碍。但显然如果真有这么一个种族能够建造一个全行星范围的运河网的话，他们也必然有能力随时清除一座碍事的山。 尽管如此，洛厄尔还是最早对火星山脉进行观测研究的天文学家之一。他对火星明暗界线边上的暗侧进行了观测。明暗界线是把行星分成白天一半和黑夜一半的一条清晰的或模糊的分界线，其清晰与否取决于有没有行星大气层。这条明暗界线每天（该行星上的一天）绕行星移动一次。但如果山脉刚巧在明暗界线的黑夜一边，那么日落时那些山峰就会受到阳光照射，而其相邻的山谷则处在黑暗之中。伽利略第一个用这个方法发现了月球上他所谓的山，尽管这些月球山主要是月球生成的最后阶段从天上掉下来的巨型碎石块，而地球上的山则是地球内部地质活动而造成的。 图：根据雷达探测绘制的火星中纬度高地的地形图——康奈尔大学行星研究实验室提供。 洛厄尔及其合作者发现，在落日的照射下，火星明暗界线的暗侧也投射出明亮的光线。但当计算其高度时（只要懂得中学里学的几何学就不难算出），他们发现这些山有好几十英里高。根据他的“运河”观点，他觉得这些高地的存在是不合理的。而且，当第二天（火星上的一天几乎与地球上的一天完全一样长）重新看见这些特征时，它们的位置发生了变动。不管是什么样的山，都不可能是这样的。于是洛厄尔就得出一个正确地结论，认为他所看见的都是尘暴。发生尘暴时火星表面的细粒尘埃被刮到火星的大气之中，高达几十英里。 我们用望远镜观测火星的白天一侧时，也能观测到这种尘暴。有时我们会看见，火星上明暗标志的独特形状会暂时分辨不清。有时亮区的资料会闯入暗区，然后又变成原先的形状。在洛厄尔时代，这些现象被解释为是在亮区内起的尘暴遮蔽了相邻的暗区。现在根据水手 9 号的全部近距离观测作出的解释进一步证实了这一观点（见十九章）。 洛厄尔及其合作者把亮区叫做“沙漠”，这个名称看上去是恰当的。洛厄尔一派还关心着这么一个问题：即使预期高度差别极小，亮区是否比暗区要高些或低些。在被照亮的火星边缘所看见的暗区似乎是峡谷或凹地，但这一点只能就暗区的“暗”而言，如果这个暗区是以黑暗的夜空为背景的，我们就根本看不见这个暗区。我们所得到的关于峡谷或凹地的印象可能是错误的。大多数天文学家的倾向性意见似乎是认为暗区比亮区要稍低一些，但据洛厄尔估计，共差别还不到半英里。 1966午，我和詹姆斯·波拉克博士( James Pollack )一起，重新研究了这个问题。我们利用了两个主要论点。火星的半球上有一个巨大的极帽，这个极帽在不同时期有人说成是结成冰的水，也有人说是冰冻的二氧化碳，即使在目前对它的组成仍无定论，两种物质都有可能存在。当极帽每年一次缩小时，还是有一部分地区冰冻着。之后，当这些地方也开始解冻时，它们看上去比周围要亮一些。根据地球上相似情况类推，我们可以猜想这些是高山地区。当山谷里的雪融化蒸发后，这些高山地区仍然封冻着。事实上，火星上的一个极区（所谓米切尔山）就是单凭这个论点被鉴定为山区的。 但是为什么地球上的山是最后解冻的呢？因为每一个登山运动员都知道，我们越往山上走就越觉得冷。但是为什么越往上走就越冷呢？地球上山顶比山脚冷的原因是否也适用于火星呢？ 我们的结论是：地球上的人往山顶攀登时感到越来越冷的全部因素对于火星是不适用的，主要是因为火星上的大气十分稀薄。但火星上的风在山顶比在山谷中大，这一点和地球上一样。这不是根据类推法得出的结论，而是根据有关的物理学知道的。因此，我们设想火星上山顶的雪首先被疾风刮掉，因而火星上保持冰冻状态的亮区应是低的地方。 我们的第二道进攻线是根据本世纪六十年代中期开始的对火星所作的雷达观测。有一条资料立即引起了我们的注意：当雷达射束的小小的中心部分直接照射在火星的一个暗区上时，只有极少一部分雷达信号返回到地面上。而当相邻的亮区（不论是在暗区的这一边还是那一边）处于雷达射束的中心照射之下时，反射要强得多。这只能理解为暗区比相邻的亮区或是高得多，或是低得多。根据当时能得到的初步雷达探测资料，我们得出结论：如果必须要在这两者之间选择一种的话，那么火星上的暗区按说应是高地。我们的结论是，火星上相邻的亮区和暗区高度之间存在有较大的差别，有几处相差达十英里。大多数斜坡最多只有几度，坡度不太陡。高度差和坡度都和地球上的差不多，虽则高度似乎比地球上还要高些。关于沙漠通常是低地的概念和细沙及尘埃被卷进低谷的概念是一致的，而风力强大的山顶则被冲刷得于干净净，决不会留下细小的发光微粒了。 在我们作出了如上分析后的几年之内又进行了许多更为详细的雷达探测。这些雷达探测主要是由麻省理工学院海斯塔克 ( Haystack )天文台的戈登·佩顿吉尔( Gordon Pettengill )教授领导的小组进行的。这是第一次能用雷达来直接测量高度。这种测量技术不必利用我们的间接推论，它已经达到这样一个水平，能测出雷达信号到达火星并反射回来所需的时间。雷达信号来回一次化费时间最长的那些地方离我们最远，因而也就是最深的地方。雷达信号来回化费时间最短的那些地区就离我们最近，因而也就是最高的地方。通过这个方法绘制出了火星表面选定的几个地区的地形图。最大的高度差和坡度差不多，刚巧和我们用间接方法推断出来的一样。 但暗区看来并不理所当然地比亮区高。佩顿吉尔及其同事们发现，火星上一个叫做塔尔锡斯( Tharsis )的亮区看上去似乎极高——或许是火星上所选定的调查地区中最高的地区。根据最近的非雷达观测，火星上一个叫做“希腊”（希腊语为 Hellas ）的很大的环形亮区被证明确实是极低的。而另一个多少有点类似的叫做伊刊锡埃姆( Elysium )的地形也是既大又亮，而且基本上是环形的地区，却被证明是高地。火星上最暗的大暗地锡尔蒂斯－梅乔( Syrtis Major )被证明是一个陡坡。 为什么我和波拉克只对了一部分呢？这是因为我们用的是“奥克姆①的剃刀刀锋分界线”原理。这是科学上常用的一个很方便的原理，但并不是万灵妙药。“奥克姆的剃刀刀锋分界线”原理建议，如果有两个同样好的假设供我们选择，我们就挑选比较简单的那一个。我们前面已经假定，暗区或者一定是高的，或者必然是低的。如果情况确实如此，那么暗区就应该总是高的。但情况并非如此，暗区有可能高，也有可能低。我们的推断只是反映了我们的假设罢了。 但我非常高兴，我们能够通过逻辑推论和物理现象的分析得出至少是部分正确的结论。我并且也很高兴能够证实在火星上存在极大的高度差，高度比洛厄尔预计的要大得多。我发现，在得到全部资料之前通过过间接推理来得到正确的结论是比较困难的，但同时却又非常有趣。这是一个理论家在科学上常做的工作。用这种方法得出的结论显然要比从直接测量得出的结论多冒风险，而大多数科学家在得到较为直接的资料之前是不肯发表自已的看法的。这种探测性工作的主要作用除了使理论家高兴之外，看来就是刺激那些观测工作者，让他们恼火、生气，使他们出于不相信而发愤去完成一些关键性的测定。 ① 十四世系纪英国哲学家。——译注 |
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