科学史(下)-第36章
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动。亚当斯测量了天狼伴星的光谱，也得着相同的高密度，约为铂的密度的
两千倍。现在更发现另外几颗星，密度与此相似或更大。秦斯认为这些星中
的物质不再是气体，而与液体相近了。其原子很可能只余下原子核，甚至其
最内层的电子也被剥夺。比较正常的星，如天狼星与太阳，可能为核外剩有
一层电子的原子所组成。所以根据原子结构的理论，我们就可以解释这一事
实：恒星分为明显的几类，而且每一类仅包括某些体积限度内的恒星。在那
样高的温度下，地上的原子将会完全破裂。要维持这些不同的体积，恒垦内
部未知的深度的原子必较我们熟悉的地球上的原子为重，而类似地球上的原
子的较轻的原子，必浮在表面，而成为辐射的表层。
有三个方法可以估计恒星的年龄：（1）双星的轨道最初应为圆形，以后
受到过路星的引力的影响，而逐渐变形，这种影响的可能频率可以计算，因
而由轨道的实际形状，可以计算恒星的可能年龄。（2）明亮的星所组成的星
团在空间运动时，逐渐失掉其小的成员，造成这些观察到的分散情况所必需
的时间，是可以计算的。（3）恒星的运动能量，也如气体分子一样，必定有
达到平均分配的趋势；西尔斯（Seares）测得太阳附近的恒星差不多已经达
到这个阶段。由分子运动论，可以计算产生这种动能平均分配状况所需的时
间。这三种方法都～致表明，我们的星系中恒星的平均年龄可能是5 万亿至
10 万亿（5 至10×l012）年。
要维持这样长久的生命，必需大量辐射能量的供给，数量之巨，远非引
力的收缩，或放射性物质所能解释的。爱因斯坦的理论很自然地引导人们形
成一个观念：这种能量的来源可能是由于阳性质子与阴性电子的相互湮灭，
这是1904 年秦斯用来解释放射物的能量的说法①。这理论已经详细地完成。
可以肯定，恒星在不断损失质量。辐射造成定量的压力，因而具有一个可以
计算的动量，即质量与速度的乘积。太阳表面每平方英寸辐射出50 马力，这
说明整个太阳每天损失质量3600 万万吨，而质子与电子的相互湮灭可说明这
种损失发生的机制。太阳在其体积更大、年龄更轻时，其质量的损失必当更
速，于是我们可以给与太阳年龄以一个上限，大约是8 万亿（8×l012）年。
这与其他方法所估计的恒星年龄相符合，但根据以后的研究来看又是可怀疑
的。
①
Nature，voL。LXX；1904，p。101。574
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
边上平视所见的星云，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
×l010 厘米，所以，一克质量的物质转化为辐射后，其能量等于9×l020 尔格。
由于物质湮灭或即使是适宜的嬗变，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，至原子序数为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①。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
①
周期表中原子序数大于92（即铀）的元素叫做“超铀元素”，是由人工方法产生的放射性元素。钚（Pu）
即是其中的一种。——译注
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×l012 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观，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。爱因斯但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（DeSitter）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，绝大多数都移向红端。
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δ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钠的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°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449 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�
