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发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Science
标  题: 第十一章 恒星宇宙 3
发信站: 哈工大紫丁香 (Wed Aug  6 21:36:42 2003)

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。


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