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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 4
发信站: 哈工大紫丁香 (Wed Aug  6 21:38:16 2003)

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。19
0
4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1.8×1
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[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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