千亿个太阳 作者:[德]鲁道夫·基彭哈恩-第1章

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科学的这种追求精神本身，又成为社会发展和人类进步的一种最基本的推动。科学总是寻求发现和了解客观世界的新现象，研究和掌握新规律，总是在不懈地追求真理。科学是认真的、严谨的、实事求是的，同时，科学又是创造的。科学的最基本态度之一就是疑问，科学的最基本精神之一就是批判。的确，科学活动，特别是自然科学活动，比较起其他的人类活动来，其最基本特征就是不断进步。哪怕在其他方面倒退的时候，科学却总是进步着，即使是缓慢而艰难的进步，这表明，自然科学活动中包含着人类的最进步因素。正是在这个意义上，科学堪称为人类进步的“第一推动”。科学教育，特别是自然科学的教育，是提高人们素质的重要因素，是现代教育的一个核心。科学教育不仅使人获得生活和工作所需的知识和技能，更重要的是使人获得科学思想、科学精神、科学态度以及科学方法的熏陶和培养，使人获得非生物本能的智慧，获得非与生俱来的灵魂。可以这样说，没有科学的“教育”，只是培养信仰，而不是教育。没有受过科学教育的人，只能称为受过训练，而非受过教育。正是在这个意义上，科学堪称为使人进化为现代人的“第一推动”。近百年来，无数仁人智士意识到，强国富民再造中国离不开科学技术，他们为摆脱愚昧与无知作了艰苦卓绝的奋斗，中国的科学先贤们代代相传，不遗余力地为中国的进步献身于科学启蒙运动，以图完成国人的强国梦。然而应该说，这个目标远未达到。今日的中国需要新的科学启蒙，需要现代科学教育。只有全社会的人具备较高的科学素质，以科学的精神和思想、科学的态度和方法作为探讨和解决各类问题的共同基础和出发点，社会才能更好地向前发展和进步。因此，中国的进步离不开科学，是毋庸置疑的。正是在这个意义上，似乎可以说，科学已被公认是中国进步所必不可少的推动。然而，这并不意味着，科学的精神也同样地被公认和接受。虽然，科学已渗透到社会的各个领域和层面，科学的价值和地位也更高了，但是，毋庸讳言，在一定的范围内，或某些特定时候，人们只是承认“科学是有用的”，只停留在对科学所带来的后果的接受和承认，而不是对科学的原动力，科学的精神的接受和承认。此种现象的存在也是不能忽视的。科学的精神之一，是它自身就是自身的“第一推动”。也就是说，科学活动在原则上是不隶属于服务于神学的，不隶属于服务于儒学的，科学
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　　活动在原则上也不隶属于服务于任何哲学。科学是超越宗教差别的，超越民族差别的，超越党派差别的，超越文化的地域差别的，科学是普适的、独立的，它自身就是自身的主宰。湖南科学技术出版社精选了一批关于科学思想和科学精神的世界名著，请有关学者译成中文出版，其目的就是为了传播科学的精神，科学的思想，特别是自然科学的精神和思想，从而起到倡导科学精神，推动科技发展，对全民进行新的科学启蒙和科学教育的作用，为中国的进步作一点推动。丛书定名为《第一推动》，当然并非说其中每一册都是第一推动，但是可以肯定，蕴含在每一册中的科学的内容、观点、思想和精神，都会使你或多或少地更接近第一推动，或多或少地发现，自身如何成为自身的主宰。《第一推动》丛书编委会
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　　关于本书我们靠太阳能源还能生存多久？恒星怎样诞生？又如何终结？什么是脉冲星和X射线星？什么叫超新星？黑洞是什么？德国天体物理学家鲁道夫·基彭哈恩根据他本人的研究生涯撰写了本书。他生动地描述了当今人类对恒星漫长一生的认识，特别是恒星在能源耗尽之后如何演变的问题。当人们学会了用计算机来模拟恒星的结构和演化之后，对恒星的理解就变得更加深刻，这是单凭观测所不能达到的。①某期SpektrumderWissenschaft中写道：“外行盼望着一册全面介绍现代天体物理学的读物，要有科学依据，能反映当前成就与问题；既需内容确切可靠，又要写得紧凑生动，趣味盎然……”，本书正满足了这种要求。鲁道夫·基彭哈恩博士，1926年出生于捷克斯洛伐克的贝尔林根，1965年至1974年为哥廷根大学天文学与天体物理学教授，1975年起任慕尼黑近郊加尔兴的马克斯·普朗克学会所属天体物理研究所所长。他的著作有《等离子体物理基础》（1975年）、《来自宇宙边缘的光线》（1984年）、《恒星的结构和演化》（1990年）等。①即美国科普月刊ScientificAmerican的德文版——译者注
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　　中译本序本书能在中国出版，并为具有悠久天文学传统的中国文化界所了解，这给我带来了极大的愉快。不过，即使不讲中国的光荣科学史，我也不禁想起了1978年有幸在中国旅游三周的情景。尽管我已经游历过世界许多地方，但中国之行却是我平生最难忘的一次。从那时以来，中国已经在许多方面以快速的步伐向前迈进，其中也包括科学研究。因此我体会到，和一切别的国家一样，使这个国家的公众能够了解科学工作者在做什么，思考什么，他们花着国家或别的公共机构所拨的经费在干什么，是一件要事。我希望这本书在天体物理方面能够为完成这种任务贡献一份力量。我非常感谢湖南科学技术出版社为出版本书所作的努力。特别是我要向两位译者，我的同行沈良照和黄润乾先生表示感谢。就我看来，他们的译笔十分细致。他们甚至发现了已经印刷五次的德文版和印刷数次的外文翻译版本中的若干小错处。希望中国的读者们在阅读本书的过程中能分享到一些我在写书时所得到的乐趣。鲁道夫·基彭哈恩1987年3月1日于慕尼黑1996年3月于哥廷根
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　　前言这本书的来历要追溯到我为相当广泛的听众所作的远不止一百次的现代天体物理普及演讲。1978—1979年冬季学期期间，我为慕尼黑大学各个院系的广大听众编写了一套系统讲座教材，本书就此成形。在某些内容上，我的写法是紧扣阿尔弗雷德·魏格特（AlfredWeigert）和我发表在《恒星和宇宙空间》月刊上描述我们自己研究结果的普及文章。好多章节渗透了个人的回忆，因为本书所讲的不少事例是最近25年中涌现出来的，我因从事天文工作而亲身“经历了”这段过程。我和同事们也曾有幸亲自“插手了”其中的某些项目。帮我纠正书稿错处，改善行文的朋友和同事很多。沃尔夫冈·希勒勃兰特（WolfgangHillebrandt）、约翰·基尔克（JohnKirk）、汉斯·里特尔（HansRitter）、约阿希姆·特吕姆佩（JoachimTrümper）和维尔讷·恰努特（WernerTscharnuter）帮助审改了有关各章。库尔特·冯·森布施（KurtvonSengbusch）几乎审阅了全书并作了改进。我的一位友人，哥廷根数学家汉斯·路德维希·德弗里斯（HansLudwigdeVries）给了我很大帮助，他和我一起把书稿全文逐句校对了一遍，我很感谢他提出了许多建议。要是没有我妻子的持久勉励，这本书也许不会最终完成。乌尔苏拉·亨尼希（UrsulaHennig）和吉泽拉·韦斯林（GiselaWessling）承担了很大部分书稿的打字工作，我往往在刚打完字后又想修改，而她们总是耐心帮助我。我向所有帮助我完成本书的人们致以谢意。我还要向皮珀尔（Piper）出版社诸位同仁表示感谢，他们不仅费了功夫，而且还热心采纳了我对于本书出版形式所提的具体方案。鲁道夫·基彭哈恩1979年7月31日于慕尼黑
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　　绪论演出舞台是整个银河系，上场角色是它的千亿恒星和地球上的几百名天文学者。导演是自然界的规律，因而宇宙物质具有明显的集聚成球的倾向，在我们的概念中这些球体就是恒星。恒星中的物质处在很高的温度下，以致固态和液态都不能存在。恒星是依靠自身引力保持成形的气体球，我们称其中之一为太阳。在一位外界的观察家眼里，把它和银河系中别的恒星相比，它是一颗既不特大也不过小，个子中等，亮度一般，在千亿繁星中一点也不突出的平凡恒星。太阳只是对我们才显得那么重要，因为我们的生存和它息息相关。银河系的大多数恒星都处在一个扁平圆盘中，这个圆盘很大，光线从它的一侧对穿到另一侧，几乎需要10万年。恒星受引力和离心力作用而都在沿着复杂的轨道围绕圆盘中心运动，银河系圆盘在自转。此外，在宇宙中我们连同我们所处的恒星系统并不是孤立的，像仙女座大星云就是另一个由群星组成的自转盘状体系；图0—1是处在这个恒星系统外面的我们去观察它所看到的样子，因为是斜着看，我们把圆盘看成了椭圆形。仙女座大星云就像是我们银河系的一个翻版。我们这个恒星系统里有什么恒星①品种，有什么变化过程，仙女座星系里也统统都有，而且情况不仅如此，因为像这样一类的天体系统，称为星系的，还有千千万万，也许多得不计其数。图0—4是我们从上往下垂直地看另一个星系的样子。到1924年，人们才确信无疑地证明，那些遥远的，往往表现为螺旋形的云雾状东西和我们银河系是同一类天体系统。许多年以来，人们就在注意观察天上那些小小而暗淡的，往往呈椭圆状的模糊盘块，即所谓旋涡星云。早在1755年，当时31岁的伊马努埃尔·康德（ImmanuelKant）在他的著作《自然通史和天体论》中就曾经把那些对象和我们自己的恒星系统对比分析：“对于这样一个由恒星组成的世界（康德指我们的银河系），如果有一位处在它外面的观测者从非常遥远的所在去观望它，那么它就会呈现为一个角直径很小的暗淡物体，如果观测者从正面去看它，就会发现它是个正圆形；从侧面去看它，就会发现它是椭圆形。”康德因此作出结论，认为天上那些椭圆状的小星云就是远方别的银河系。他又写道：“把这些椭圆形对象看作是我们新近才阐明其状况的，和我们的恒星系统类似的天体系统，也可以说看成是别的银河系，那么这一切就都圆满地解释通了。”可是真正证实这种猜想，却又用了差不多200年功夫。①当代学者对仙女座大星云的更确切称呼——译者注。
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　　太阳连同我们人类是处在银河系中心平面附近。我们如果沿着垂直于银河系圆盘平面的方向往外空望去，看到的是稀疏星点，但如果沿着盘面向它的边缘望去，那么就会看到许多星星，图0—2正是反映这两种情况。这也就说明了为什么我们这恒星系统的扁平圆盘表现为一条横贯夜空的亮带：银河。图0—3是银河的照片。■可是，充满银河系圆盘的不仅是恒星，发光星际云表明恒星之间的空间并不是空无所有。银河系有百分之一的质量不是集聚在恒星之中，而是布满于星际空间。它的化学组成虽然和太阳一样，但密度只有太阳十亿分之一的十亿分之一的百万分之一。这种星际气体中埋藏着微小的尘粒。星际尘云像层层厚纱削弱了背后传来的星光，并且像地球大气尘埃使落日变红那样造成远处星光的红化。星际尘粒很微小，直径只有万分之一毫米。在银河系中，恒星、气体和尘埃物质缓缓地运动，平均每一亿年围绕银河系中心运行一周。然而恒星世界却不是慢条斯理的。大批恒星已经一对对结合成双星，每隔若干年、多少天或几小时相互绕行一周。有的星按确切周期涨了又缩，缩了又涨，像是在作呼吸运动。不定相隔多长时间，便会发生一次爆炸把一颗星崩碎，使它暂时大放光明，和所在星系别的千亿恒星的亮度的总和差不多一样亮。还有的星不是平稳放光，而是每隔百分之一秒发一道闪光，一道接一道，明暗相间。面对这一宏伟自然奇观的是住在地球上的，试图理解宇宙万象的一小批天文学家，而地球则是绕着一颗叫做太阳的平凡恒星公转的一个小小的行星。这些天文学家利用所住行星的资源建造了各种仪器设备，在各地天文台用它们来细测宇宙动静，又用火箭把望远镜送出妨碍观测的地球大气层外去进行探索。有不少同时代人把他们误认为占星术家，可是他们丝毫也不愿同那类人物混为一谈。另外一些人则赞赏他们，因为他们的思维超出了由日常生活经验所能有效推理的范畴。研究工作使他们对大自然的了解，至少是对无机世界根源的认识深化了一步。但是跨出这一步的是客观治学的自然科学家，这样的人不会从自己所取得的专业成果中推导出道德准则来。从事探索天体、理解宇宙的伟业并不等同于使他们变得品质更优良，道德更高尚。他们的动力不单纯是探索未知的渴望。正像人类其他行业一样，追名逐利与同行竞争起着或多或少的作用，而且有的重大发现是来源于这类动机。然而，天文学家之中也照样有求知的热望，他们之间确实存在互助和友好合作，本书不少地方将反映这种实例。具体的研究结果既然是人们劳动的产物，就难免在好多方面不够完善，甚至还有相当程度的缺点与错误。但是天文科学整体，尽管它从巴比伦人的萌芽时期直到现代天体物理学经历了许多迂回曲折，毕竟还是走上了一条前进的大道。舞台业已明确，角色俱已齐备，演出就可开始。
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　　1．恒星的漫长生命地球以每秒30公里的速度围绕着太阳运动。它的运行轨道接近于一个直径为3亿公里的圆。地球绕太阳运动时，朝向太阳的面（称为日面）受太阳照射，所接受的能量与它转到背向太阳时（处于夜面时）辐射出去的能量几乎相等。由于接受和发出交替进行，使地球表面能维持一定的温度，因而使这颗行星变成我们可以居住的。严格地说，并不是所有入射的太阳能量又全部被辐射出去，有一部分以化学能方式贮存于植物之中，人类和动物就是依靠贮存在植物中的能量来生活的。当我们用煤和石油取暖时，我们就是利用了植物在地球早期阶段所吸收的能量。同样，水电站的涡轮机也是由太阳能所驱动，因为太阳的辐射蒸发了大洋中的水，通过下雨而存贮在河流之中。朝向太阳的地球表面每平方米接受太阳能的功率为1。36千瓦，整个地球表面所接受的辐射功率接近于200万亿千瓦，但是，如此巨大的能量与太阳每秒向各个方向辐射出去的能量相比，却仍然是十分微小的。采用千瓦为单位来计算太阳的辐射功率，则需要一个24位的数字。但在这个能量中只有极微小的一部分被地球所接收。太阳的能量是从哪里来的太阳年复一年地以巨大功率向宇宙中发出光和热，即辐射出能量。它已辐射了多久，并且还能辐射多长时间？它会不会随着时间消逝而不断减小辐射，使地球上的生命被冻僵？或者它会慢慢地增大它的辐射，使地球上的大洋沸腾而生命告终？自从人们对太阳进行有目的地观测以来，即使采用最精密的仪器，至今也没有测出太阳的辐射强度有缓慢变化的现象。根据在地壳最古老的沉积层中所发现的有机生命痕迹，也可看出太阳自很久以来就以不变的光度进行辐射。太阳长时期以来就这样强烈地辐射着，才使地球上有生命存在。在南非的特兰斯瓦尔，人们在翁弗瓦赫特地层的硅化岩中发现了和今天的蓝藻有相同复杂结构的，相当进化的单细胞组织。这证明了早在35亿年以前地球上就有生命存在，那时的太阳也必定具有和今天大致相