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发信人: songs (小松), 信区: Philosophy
标  题: 第十一章　恒星宇宙（2）
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年06月10日15:44:55 星期天), 站内信件


    星的演化

    恒星的年龄既经估定，我们自然会问恒星是怎样产生的？即使在最大的望远镜中，
恒星也无可见的体积——最近的恒星也是太远了。但是天空明亮的一片一片区域，所谓
星云，早已为人发现。仙女座中的大星云，能被肉眼看见，在望远镜发明以前即已发现。
而猎户座内的另一星云，也于1656年为惠更斯所发现。
    星云有三大类：
    （1）形状不规则的星云，如猎户座内的。
    （2）行星状星云，形状有规则的较小的结构。
    （3）旋涡星云，象似明亮的大旋涡。
    数目最多的星云是旋涡状的。我们已经说过，现代望远镜中可见的星云，约有二百
万个。它们的光谱是连续的，而重合有吸收谱线，与F至K型的星（包括太阳在内）的光
谱相似。有些星云是弥漫的炽热气体团，有些含有定形的恒星。星云呈现有急速转动的
模样。自轨道平面的边上平视所见的星云，可以在光谱学上进行研究，另外一些与我们
视线正交的，可在逐年的照片上看出其有可测量的转动，每转一周约需几百万年。这好
象说明其运动的迂缓，但是我们观测到它们有很高的线速度，所以其转动周期的悠长，
不是由于其运动的迂缓，而表现其体积的庞大。
    如果假设不同的星云的转动速度大略相同，则由以上所述，自轨道平面迈上平视所
见的星云，可以由光谱学测得其线速度，而横过我们视线的星云，也可以测得其每年的
角速度，这样比较这两种速度，便可得其距离的一个估计值了。旋涡星云的旋臂中可以
看出有造父变星，其光变的周期可假设与其绝对亮度有通常的关系，因而测量它们的视
亮度，又可得距离的另外一种估计值了。由此所得的数字，约在几十万至几万万光年。
因而大多数旋涡星云都很远，而在我们的星系以外。
    恒星演化的星云学说，最初为康德所提出，继于18世纪末为拉普拉斯引用，去解释
太阳系的起源。拉普拉斯根据气体星云的概念，认为星云充满海王星轨道里边的空间，
而且具有旋转运动。它因其自身的引力而收缩。但因其角动量不变，故其旋转速度渐增。
在其收缩的各阶段中，它遗留下环形的物质，经凝结而形成行星与其卫星，绕中心的物
质转动，这中心的物质即形成太阳。
    这个学说有若干困难。1900年，莫尔顿（F．R Moulton）指出，由环形不会破裂变
成球形。张伯林（T．C．Chamberlin）并证明在那样大的气体团中，其引力并不足以克
服其分子速度的扩散效应与辐射压而使其缩小。秦斯以别的论据证明行星是不能由凝结
而形成的。
    但是旋涡星云比拉普拉斯所想象的大过百万倍，在这规模下，其整个的发展过程也
大不相同。这时引力远比气体压力和辐射压更为有效，星云不但不扩散，而且收缩，并
且旋转得比拉普拉斯所想象的还快。这个解释，应用于小规模的太阳系遭到失败，应用
在庞大的星系上，却颇有成功。
    秦斯已经以数学证明：一个具有引力的气体团，或因其他物质团的潮汐作用而开始
转动，则将渐渐形成一双凸透镜的形状。若其旋转加快，则其边缘将不稳定，而裂成两
个旋臂。旋臂上发生局部的凝结，每个凝块具有适当体积，可以在我们所见的恒星的大
小的狭小限度内形成恒星。这个由理论得出的预言已为哈布耳所证实。哈布耳根据观察
的结果，将星云分为秦斯所预言的类型。于是我们在旋涡星云里，发现在我们星系以外
在遥远空间里正在形成中的其他星系。
    旋涡星云臂上的一小滴，是不是变成我们这样的太阳系呢？根据秦斯的数学推证，
这不是一定可能的。如果这小滴的转动足够迅速，而至酿成分裂，则分裂的结果可能是
互相绕转的双星。所以双星很可能是恒星演化的一个正常规程，其另一过程，则是孤独
的单颗星。
    但莫尔顿、张伯林与秦斯对太阳系的起源提出一些猜测性的说明。如果在某一早期
阶段，两个气体星运行到彼此邻近时，则将发生潮汐波。及至两星接近到某一临界距离
时，这潮汐波即将射出长臂状的物质，然后再裂成具有适当大小与特性的物体，而形成
地球与其他行星。但这一事件发生的可能性很小，据秦斯计算，伴随象我们的行星系的
恒星，大约在十万个恒星中才有一个。
    恒星演化的新学说，可以概括叙述如下：恒星是旋涡星云的旋臂中所飞出的大小相
近似的气体团。它们发放辐射，其质量因而减少。又因其体积较大的发出辐射的速度较
快，所以它们的质量逐渐趋于相等。
    无论其温度与压力为何，最年轻的星最重，而辐射也最多。如果它们全由象地上的
原子所组成，则温度与压力增高时，辐射也当随之而增加，情况就与上面所说的不相同
了。这一证据又表示辐射能量大部来自我们所未知的几种类型的极端活跃的物质。这些
物质当星衰老时即归于消逝，很可能是由于原子的嬗变，使物质湮灭并转化为电磁辐射。
这样释放的能量是很大的，照相对论一节中所说：质量m可以转化mc2的能量，这里c为
光速，每秒3×10[10]厘米，所以，一克质量的物质转化为辐射后，其能量等于9×10[20]
尔格。由于物质湮灭或即便是适宜的嬗变，所释放出来的能量是很大的（见451页）。
    天体物理学上的这一个新理论，使人想到牛顿《光学》书中的质疑第30所说的；
“庞大物体和光不是可以互相变化的吗？物变为光与光变为物，是同似乎乐于变化的自
然程序十分符合的。”
    恒星可能正在化为辐射，宇宙间物质的命运不是直接化为空间的辐射，就是变成具
惰性而不活动的东西，如构成我们世界的主要物质。地上的物质含有92个元素，自原子
序数为1的氢，至原子店数为92的铀。如果还有别的元素存在，它们不是同位素，便是
有更高的原子序数，其结构必较铀更为复杂。现在至少已经发现一个名叫钚。它们必然
富有强烈的放射性，所以不会稳定，因而大多数可能早已失其存在了。从前以为光谱的
证据说明物质的演化由简单而趋于复杂，自老年星中的氢，而趋于青年星中的钙。可是
今天对于这事实的解释大不相同。人们认为这只表明，各种恒星中的情况，有利于氢或
钙在其大气之中与其上辐射的放出。有些天文学家以为在恒星的演化中便伴有复杂原子
的分裂，其中大部直接化为辐射，小部变为不活泼的灰分；这些灰分虽是宇宙变化的副
产品，但却是组成我们身体和我们世界的物质。铀与镭或者是介于留在地上的这些活泼
原始原子的最后残迹，与构成我们的不活泼元素两者中间的物质。
    只有与我们所处的情况很相近的星球好象才有生命的可能。行星系可能是稀有的，
我们的行星似乎不可能维持“别的世界上的生命”。
    凯尔文的能量散逸原理指明了事物的最后的状态，在这种状态中，物质与能量都作
均匀分布，而不再有运动的可能。现代理论虽然把其过程加以修改，但也得到相似的结
论。宇宙所趋向的最后情况，乃是从活泼的恒星原子化作空间的辐射，与变成将熄的太
阳中或凝冻的地球中的惰性物质而已。即令宇宙中物质全部毁灭，所产生的辐射也仅能
使空间的温度增高几度罢了。秦斯算得：只有当温度增高到7．5×10[12]度时，空间方
能为辐射与再度沉淀的物质所饱和。活动物质的原子遗存的概率和辐射浓聚于一处，使
物质再度沉淀的概率，都非常渺小。不管我们等候这机会的来临需要等候怎样久的时日，
永恒总是更久的。霍尔丹（J．B．S．Haldane）曾经提出一种看法［据爱丁顿告诉我，
汉堡的施特尔内（Sterne）教授在谈话中也曾提出过这种看法］，认为这种巧合的浓聚
情形很可能在现有的宇宙消灭后，重新创造出一个新的宇宙——我们现在的宇宙或者就
是在辐射弥漫的漫长年代以后，产生的。但是秦斯与爱丁顿都曾对我说，他们不相信这
种说法。别种情况发生的机会更大，会防止那种很少可能的偶然情况发生。
    在这些问题上，我们似乎不可能找到确实的证据。历史昭示我们需要谨慎从事。天
体物理学的现代观点仅开始于数年以前，我们已经知道的比有待学习的实在还少得很。

    相对论与宇宙

    相对论提供的新的自然现，在其发展进程中，必然深刻地影响我们对于物质宇宙的
观念。它在解释万有引力时，用引力场中呈现弯曲的自然路径的理论去代替吸引力的观
念。这就不但在精密的实验中，导致稍有不同的结果，而且如我们以前所说过的，也完
全改变了我们对于宇宙广袤的观念。
    如果采用欧几里得的空间与牛顿的时间，则我们自然以为存在是无穷的。空间无限
地伸至最远的恒星以外，时间则通达过去与未来，均匀而永恒地流逝着。
    但是，如果我们的新时空连续区，由于物质的存在而表现弯曲，我们就进入另一思
想境界了。时间或者仍然是无止境地从永久到永久地流逝着，而空间的弯曲则指示出一
个有限空间的宇宙。设想我们以光速继续前进，则终将达到一个有限的境界，或重返回
到我们的出发点。哈布耳估计整个空间约为威尔逊山大望远镜所可见到的那一部分的十
万万倍，而这个望远镜能够看见我们星系以外的星云两百万个之多。这表明光线经行宇
宙一周，约需千万万（1011）年。爱因斯坦曾描绘过一个三维的空间，其弯曲的方式正
如我们在二维空间所谓的圆柱面那样。时间则相当于圆柱的轴线。德·西特（De
Sitter）则想象一个球面时空。如果我们向外旅行，去追寻更大的球，则我们终将达到
一个最大的球。这里的时间，从地球上看去，好象停止不动。正如爱丁顿所说：“好象
疯人的茶会，时间永远是六点钟，不管我们等候多久，总是看不到什么动静。”但是如
果我们能够达到这个保守的天堂，则我们必定感觉在该处经历的时间，也依然流逝，不
过其流逝的方向不同而已。
    德·西特指出，这种从地球上所见的时间的变慢，有一轻微的证据。有些旋涡星云
是我们所知道的最远的物体。它们光谱中的谱线，与地球上光谱的同一谱线比较，位置
颇有移动，如哈布耳所指出的，绝大多数部移向红端。这现象经常被解释为由于旋涡星
云具有很大的退行速度（比较其他任何天体的都大），这现象有时又被解释为宇宙的膨
胀。十分可能，我们现在所观察的这一现象，就是从地球上可以看见的原子振动的变慢，
即大自然的时计的速度的改变，或时间的尺度的变化。

    天体物理学近况

    现在已有许多证据表明，星际空间有稀薄物质的存在。猎户座＆星是一对双星中的
一个成员，与上述的别的双星一样，当其环绕其伴星旋转时，其谱线表现有移动的现象。
1904年，哈特曼（Hartmann）注意到H和K两条钙线，并不参加这种周期性的移动，而且
在别的双星的光谱里纳的D谱线也象是驻定的。但是普拉斯基特（Plaskett）与皮尔斯
（Pearce）发现这些谱线并非真正固定，而表现有相当于我们的星系自转的运动。这些
差不多固定的谱线，只在1000光年外的恒星光谱里才看得见，而且恒星距离愈远，这些
谱线愈强；它们显然是散布在空间的钙和钠所造成的，在有些地方，凝聚成宇宙云或气
体星云。这种星际物质的密度极小；就平均而言，这是10-24，即每立方厘米内只有一
个原子；即在一个典型星云（例如猎户座大星云）的中心，也是10－20，只有实验室所
能造的高度“真空”的密度的百万分之一。由于碰撞的稀罕，宇宙云里的质点不会丧失
很多的热量，其所能维持的温度达15，000℃，而空间里陨星的温度可以降到-270℃，
仅在绝对零度上3度而已。
    气体星云不自发光，而是靠其范围内的极热星的光而发光。极热星所发的光激发星
云的质点，使其射出不同周期的光线，换句话说，即造成荧光效应。还有所谓暗星云。
这种暗星云阻碍其后面的远星的光透过。暗星云可能与亮星云具有相同的性质，只是在
其范围内没有热星激发其发光而已。这些星云里的质点、大小和光的波长相似；它们具
有很大的吸光能力。
    亮星云光谱中有明线，主要是电离氢和氦的谱线，以及实验室里还没有见过的谱线，
例如其中两条绿色的谱线，假想其起源于一末知的、名叫氧的元素。但是，1927年包温
（I.S．Bowen）发现这些奇怪的谱线是由双电离氧原子所造成的，所谓双电离氧原子也
就是其卫星电子从一个轨道跃到另一轨道。在地球上比较扰攘的环境里这些轨道间的路
径是不通行的，可是在安静的星云里，在长时间内这路径是敞开的。其他谱线生于单电
离的氮，其卫星电子也遵循“禁戒跃迁”。可见空间里有氧和氮（我们熟悉的空气）以
及钠和钙。
    1869年，勒恩假定太阳上的质点和理想气体中的质点一样活动，而且假定其内部的
热量是物质的。他在这种假定下计算了太阳的理论温度。可是爱丁顿指出辐射的重要性，
它从内部出来，被外层的原子和电子所捕获，由X射线降级到可见光，因而能量只是缓
缓地逸散。所以近些年来人们觉察到在高温下，辐射的和物质的两种热量之比比较想像
的大，事实上这两者大约是相等的。在5000℃的温度，辐射压在每平方英尺上约为1/20
英两，可是在太阳中心两千万度的高温下，辐射压在每平方英寸上，高达三百万吨。
    我们考虑到太阳里自由运动的质点的压力，就可以估算出使太阳维持其所观测到的
体积所必需的内部温度，起初人们认为太阳里的自由运动的质点是一般的原子和分子，
但是现在我们要用新的原子理论去讨论这个问题。
    纽沃尔（Newall）曾向爱丁顿表示，太阳或恒星里的高温必使原子电离，或者说剥
掉它外围的电子。例如就氧原子而论，它的原子量是16，其外围电子有8个，再加上一
个核，质点的数目为9，因而其平均量为16／9或1．78。从锂的1．75到余的2．46，这
些量都接近于2，可是就氢而言，原子分裂为两个质点：即质子与电子，质点的平均量
为1／2，而不是2。因此，就温度的问题而言，我们可将质点概括地分为氢和非氢两类，
含氢愈多的星，其理论的光度愈小。根据观测到的光度，好象1／3氢和2／3非氢的比例
适合多数恒星的观测到的性质。1929年，阿特金森（Robert Atkinson）与霍特曼斯
（Fritz Houtermans）指出，在太阳里很高的温度下，原子核如果损失了外围电子的保
障，可能也遭到摧毁。
    恒星物质电离的概念受到量子理论的支持。这一概念最初是埃格特（Eggert，1919
年）提出的，后经萨哈应用（1921年）到恒星外层，因而建立恒星光谱的现代理论。
    天文学家考虑了新的有关原子的知识，复回到勒恩的理论，仍假设巨星的质点的作
用如理想气体，即使在上述的致密的恒星里也是这样。在这些致密的恒星里，原子被剥
掉了外围的电子，因而它们的核和脱离了的电子的作用，象独立的质点一样。
    银河系以外，在遥远的距离处，还有别的星系，以旋涡星云的姿态出现在我们眼里。
在威尔逊山100时反射望远镜里，用抽样法估计，能够看见的旋涡星云之数，当以千万
计；其中最远的可能在五万万光年以外。现在制造中的200时反射望远镜能够探寻到两
倍远处，因而可以显出八倍多的星云，如果它们是均匀的分布，而空间里又无吸光的物
质的话。这里可以提说一下：以上所说的宇宙线来自这些外围区域，即星际空间或旋涡
星云。
    以上说过，旋涡星云的谱线和地面对应的谱线比较，是向红端移动的。这表示星云
有一种退行，这退行的速度是和距离成正比而增大的，现在认为这是宇宙在不断地膨胀
的表现。德·西特的空间理论〔它通过弗里德曼（A．Friedmann）与勒梅特（G．
Lemaitre）的数学研究，和爱因斯坦的理论联系起来〕也认为有这种膨胀的宇宙，所以
我们可说观测与理论是符合的。
    米耳恩指出，如果起初星系具有现今的速度，而密集在小范围内，其中具有最大速
度的，现在会离开得最远；我们应可得到所观测到的距离与退行速度之间的关系。1932
年，爱丁顿估计这速度是每百万秒差距每秒528公里，在15万万（1．5×109）年后，宇
宙的大小便增加一倍。这样说来，宇宙的初始半径就是328个百万（3．28×108）秒差
距或10万万6800万（1．68×109）光年；宇宙的总质量为2．14×1055克，或1．08×
1022个太阳的质量，宇宙的质子数或电子数为1．29×1079。528那个基本数字可能需要
减小。这个不可逆或单向的过程的设想所引起的问题与热力学第二定律下熵的不断增长
所引起的问题是相似的；两者都指出有一确定的开始，能量的供给量逐渐降低，以至于
终于竭尽。有人说我们现令的热力学可能是膨胀宇宙的一种特性；事实上托尔曼
（Tolman）就提出一种相对论性的热力学，认为在不断收缩的宇宙里第二律是反向的。
能量愈来愈多，从辐射再形成物质是可能的。在这些思路上，我们也可猜想有一种脉动
的宇宙，我们碰巧正好生在它的膨胀阶段，这样便不需要一个开始或者终结了。
    最终的问题是：太阳和恒星所辐射出的能量的来源是什么？既然内部的温度须维持
几千万度，所以这能量不能从外面而来，似乎必须是某种原子内部的能量。爱因斯坦的
质量与能量的关系（即1克物质具有9×10[20]尔格的能量）说明太阳所储蓄的总能量为
1.8×10[54]尔格。以现在的输出率计，这足够供给15万亿（1．5×10[13]）年，但以
质量变少，因而输出率逐渐变小，这时间可能还要长些。由计算得知太阳的年龄5万亿
（5×10[12]）年。这是在质子与电子互相湮灭的假设下得出的结果，但上面说过，由
于阿斯顿的工作，由于正电子的发现，这个假设难能成立了。
    1920年，阿斯顿对于氢原子量的精密测定说明，氢嬗变为别的元素时，可以得到大
量的能量，这样便提供了能量的另外一种来源。在近几年来，这个来源看来更加可能。
这个过程进行的方式就是在碳和氮的催化作用下，氢转化为氦。
    这样所获得的能量自然比由湮灭理论而得的少些，因湮灭用去太阳的全部质量，而
由氢嬗变为非氢只用去了质量的10％。于是太阳的辐射可以维持100万万（10[10]）年，
这样长的时间已足够满足地质学者，虽然比较湮灭说所说的万亿年要短些。恒星的年龄
似乎也可能只是星系退行所需的时间的几倍，我们得出的数量级约为几十万万年，譬如
说2×10[9]年。如果考虑到引力收缩和放射物质所释放的能量，这数字还可能大一些。
这个理论表明太阳和恒星具有稳定性。这是这一理论被人相信的原因之一。
    我们可将这些数字和地球的年龄比较，这年龄是根据各种岩石里放射元素铀和钍与
其蜕变后的产物两者的相对含量测定的。由这一研究求得地壳的形成当不晚于16万万
（1．6×109）年以前。
    根据相对论，空间，或者时空，有某种自然曲率，这曲率在物质附近或在电磁场里
便会增加。这自然曲率是与宇宙斥力等价的相对性。在单位距离，这宇宙斥力是一个宇
宙常数，常写为Y。这个常数的值，可由星系的退行速度并同时考虑万有引力而估计之。
取爱丁顿的数字，星系的退行速度与距离成正比，这速度是每百万秒差距每秒500公里。
在15000万（1．5×108）光年处，这速度是每秒15，000英里。在19万万（1．9×109）
光年处，它是每秒190，000英里，但是这个数字大过光速，显然是有错误存在。也许爱
因斯坦的或德·西特的闭合的时空（其中没有任何距离超过某一数量），可以拯救我们
的理论免于毁灭。

    地质学

    近年来，地质学的最重要的进展，是通过研究地球物理学而取得的。以物理学的方
法研究的结果说明，地球不恰是一个类球体，而是一个不规则的形状，名叫“大地水准
面”（geoid）。由物理学的方法也获得一些海陆表面下的知识。
    在地面各处精确测量重力的结果，有一些异常的情况。杰弗里斯（Jeffreys）认为，
这些异常的情况想必说明山岳不只为其下面的岩石所支持，而且部分地为地壳的力量所
支持。地壳有时受到很大应力。明内兹（Meinesz）等人在东印度附近乘潜水艇观测，
发现地壳上有一窄带，在不稳定的平衡状态下，向下发生显著的弯曲。布拉德
（Bullard）指出，非洲大裂谷一带底部有重力反常现象；说明地壳的较轻物质，因变
山谷两侧的向内推力，而被挤下去。
    地震观测，包含近震与远震两种地震的观测。近震波主要在地球表面或地壳内传播，
而远震波才经过地球的深层，有些甚至通过他心附近。杰弗里斯认为，地震的研究，说
明地壳是相当薄的一层（大约只有25英里），地壳里不同的物质分布在不同的地层之中。
除了熟悉的凝结波与畸变波之外，现在又发现别的低速波。对这些波的观测说明，不同
地区上有反射与折射现象，表明地壳内物质分布的不连续情况。经过地球内部的远震表
明，地核的半径大于地球的半径之半。需要固体介质传播的畸变波并不重新出现于地核
之外；因此地核可能是液体的，据杰弗里斯说，可能是铁或铁镍的熔液。
    地面下几英尺的强烈火药爆炸，可以激起类似天然地震的波动。用地震仪在若干选
定地点对各种波到达时刻加以记录，可以测量其传达的速度。有些波向下通过未凝固的
结构在比较凝固的层上反射回来，形成“回声”，由其反射所需的时间，可以求得这些
层的深度。类似的方法可用以探寻油层，并用于海底地质学，以绘海底的地貌图。美国
地质调查学会发明一种方法，从一个固定浮标上测量船只的距离：一个小炸弹由船上掷
出，并记录其时刻，声音在海面传播，使浮标上的一个扬声器与一具无线电发射机开始
工作，扬声器和发报机所发出的信号也在船只上加以记录；由这两种记录之间的时间差
便可推算距离。大部分美国沿海地貌是这样绘成的；在大陆架与其外面的斜坡之间常有
鲜明的界限。靠了观测波在岩层分界面处的反射，也获得一些有用的知识，在软的岩层
中间波行较慢，在硬的岩层中间波行较速。不列颠群岛陆地是火成岩和早期水成岩的结
构，但其附近的海底是较软和新形成的水成岩的结构，这些岩石在距岸150哩外，以百
噚（600呎）的测索测量，深度差可达8000呎之多。

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