科学技术史-5.3天文学的丰硕成果(图文教程)

第三节 天文学的丰硕成果

现代天文学的进步与物理学的进步直接相关，无论是观测手段的更新还是各种假说的建立都离不开物理学的知识和理论。20世纪以来天文学的发展更为迅速，全心的观测手段使天文考察达到前所未有的程度，理论上的进展也大大超过以往的年代。天文学再次成为自然科学最活跃的前言之一。

3.1恒星研究的再深入

恒星研究是天文学的永恒课题。本世纪以来人们又得到了更多的知识。

赏识机就有人利用恒星视差来测算恒星与我们的距离，测得太阳之外离我们最近的恒星半人马座α星距离地球约4．3光年。不过这种方法有很大局限性，因为超过300光年的恒星视差已小于0″．01，很难测得准确的数值。后来又有人利用测量恒星亮度的方法来测算它们的距离，测距范围有所扩大。上文曾说及上个世纪天文学家已利用多普勒效应测算恒星远离我们的速度。多普勒效应告诉我们，当光源背离我们运动时，我们所观测到的它的光谱线便有向红端移动的现象，光源离开我们的速度越大它的红移量越大。1929年美国天文学家哈勃(Edwin Powell Hubble，1889～1953)等人发现星系的光谱线红移与它们和地球的距离存在着粗略的正比关系，现在人们称之为“哈勃关系”。这样，根据恒星光谱的红移量以及哈勃关系，就能够大略地测定所有发光天体与我们的距离了。现时已知离我们最远的天体达150亿光年，这当然只是我们目前“视线”所及的距离，随着技术的进步，这个距离还会不断地扩展。

以往的天文学家对恒星的光度已多所研究。本世纪初发明了更好的仪器，测量比过去更为精确。但是恒星与我们的距离差异极大，在地面上所测得的光度与恒星的真实光度也就存在着差异。不过人们已能测定恒星的距离，据此以求出它的真实光度也就不是难事了。

天文学家亦已找到测算恒星体积和质量的方法。数据表明，恒星体积相差极远，有些半径不过l0公里，有些却是太阳半径的1000多倍。恒星质量的差异也很大。现在已知的数据是：质量最小只有太阳质量的百分之几，最大的为太阳的100多倍，多数在太阳质量的0．1～l0倍之间。由恒星的体积和质量就可以知道它们的密度。恒星密度的差异更大得惊人。一些温度较低、颜色偏红而体积巨大的“红巨星”，其密度只有水的几十万到几百万分之一，这在地球上就被认为是“真空”。一些温度较高、颜色偏白而体积较小的“白矮星”的密度则可达水的几千万倍，一立方厘米这样的物质的重量就有好几十吨，不过大多数恒星的密度均在水的密度的1/100～10倍之间。

恒星时时刻刻向外界辐射的能量究竟从何而来?现代天文学家认为：其一是引力收缩。天体都是大量物质的凝聚，引力使天体收缩的时候就要释放出能量；其二是核反应。以太阳为例，在它的内核里高温、高密和高压的条件下，四个氢原子核要聚合为一个氦原子核，这时出现了质量亏损并释放出能量。按质能关系式E＝mc2可以算出，1克氘聚合为氦时所释放的能量约相当于11吨煤的热值。天文学家推算，太阳刚形成时氢约占其质量的78％，这就是说太阳若以氢为“燃料”，它可以保持目前的辐射能量约100亿年，现在一般认为太阳的年龄约50亿年。

3.2射电天文学的兴起

本世纪以来，各国竞相研制大口径光学望远镜，一台口径为8米的巨型光学望远镜正在智利的高山上建造之中。光学望远镜对于天文观测固然十分重要，但是可见光只占电磁辐射很小的一部分，大型光学透镜或反射镜的制造工艺也十分困难。本世纪初，人们在无线电实验中注意到，在接收远处传来的无线电波时总是伴随着一种无法排除的微弱干扰。1931年美国电信工程师央斯基(Karl Guthe Jansky，1905～1950)终于弄清楚这种干扰来自太空，次年他又断定这是来自银河系中心方向的电磁辐射。他的发现使人想到，除了光波波段之外，其他波段也有可能用于探测太空，从此开辟了利用射电波研究太空的新纪元，人们制成了接收宇宙空间电磁辐射的射电望远镜，打开了人类认识宇宙的一个很大的“窗口”，一门崭新的学科——射电天文学从此诞生。射电望远镜所能观测的范围十分宽阔，大型射电望远镜的制造相对于大型光学望远镜也容易得多，因此射电天文学几十年来发展极为迅速。70年代德国人建成厂直径为100米的射电望远镜，它的短波观测范围可至厘米波。后来美国入更建成了直径达305米的射电望远镜，其性能更为优越。由于射电望远镜所接收的是波长范围很宽的无线电波，所以它无论昼夜都可以工作，既不受地球上火气的影响。(如厚密的云层)，也不会被宇宙中的尘埃所遮挡，利用无线电电子技术也可以使它的灵敏度非常高，能够接收到极为微弱的无线电波。自从射电天文学诞生以来，人们发现宇宙中发射电磁波的射电源已3万多个，使人们“看”到了距离地球100多亿光年的星系，发现了一系列前所未知的现象。

3.3现代天文学的四大发现

本世纪60年代，天文学家们利用各种观测手段先后取得了四项重大发现。

1960年美国天文学家桑德奇(Allan Rex Sandage，1926～ )等人首次探测的一种前所未知的天体。1963年荷兰天文学家施密特(Maarten Schmidt，1929～ ）判明了这种天体的谱线，确认这是一种具有很大红移量的天体，定名为“类星体”。多数天文学家认为这是现时已知的离开我们最遥远的天体。现在有记录的类星体已超过1000个。类星体的许多性质天文学家们仍不甚明白，多种说法尚在探讨之中。

“星际分子”是指存在于银河系或银河系之外星际空间里的无机分子和有机分子，首次发现于1963年，现已知有50多种，其中大部分是有机分子。质量最大的是由11个原子组成的氰基辛四炔(HC9N)。关于星际分子的形成及其演化过程现在还不明了，但是际分子的发现不仅对于进一步探索天体的演化有着重要的意义，并且亦必将有助于揭开地球上生命起源的奥秘。

“微波背景辐射”是指存在于整个宇宙空间的、各向同性的、在微波波段的电磁辐射，这是美国射电天文学家彭齐亚斯(ArnoPenzias，1933～ )和威尔逊(Robert Woodrow Wilson，1936～ ）于1964年偶然发现的。当日寸他们建立了一个灵敏度极高的定向接收系统来探测宇宙，发现从天空中任何方向都接收到一种强度完全相同的微波波段电磁辐射，他们认定这种辐射并非来自任何星系，而是存在于整个宇宙背景之中，因此称它为宇宙背景辐射。后来，他们又确认这种辐射相当于温度为2．7K的辐射。彭齐亚斯和威尔逊因此而获1978年度诺贝尔物理学奖金。

“脉冲星”是不断地向外发射短周期脉冲辐射的恒星，这是英国天文学家休伊什(Antony Hewish，1924～ )等人于1967年首次发现的，后来的十余年里天文学家又相继发现了好几百颗这种天体，它们的射电脉冲周期在0．03～4．3秒之间。天文学家们认为，脉冲星是具有很强磁场的、密度极高的、其外部由中子组成的星体，它们的自转速度与射电脉冲周期相对应。脉冲星的发现为星体演化和高能天体物理学的研究开辟了新的途径。休伊什因他的发现而荣获1974年诺贝尔物理学奖。

3.4太阳系的新知识

由于探测技术的进步，尤其是空间技术的应用，本世纪以来人们对太阳系各成员也得到了许多前所未知的知识。

1959年苏联人发射了月球探测器，成功地拍摄了在地球上永远看不到的月球背面的照片。1969年美国的阿波罗11号宇宙飞船更直接把人送上了月球，取回了月面岩石和土壤，并在月面上装置了多种探测仪器。其后美国人又五次登上月球。月面结构特征、月面物质的化学组成及其物理特性等等都已相当详细地暴露在人们的眼前。现在已经确证月球是一个没有大气、没有水和没有生命的世界。

自1974年起，美国人发射的探测器多次飞越水星。现已得知，水星的外貌与月球相似，其上布满了环形山。水星上有极为稀薄的大气，有一个与地球类似的内核，其中含有约70～80％的铁。水星表面上白昼和黑夜的温差极大，白昼可达350℃，而黑夜则为—274℃。

金星是距离地球最近的行星。苏联和美国自1961年以来相继发射了十多个探测器飞向金星，有些探测器还实现了在金星表面上软着陆。现已探明金星上有浓密的大气层，其中二氧化碳含量在97％以上，氧的含量极少，大气压约为地球的90倍。由于“温室效应”，金星表面温度达482℃。金星上没有任何类似生活在地球上的动物和植物的存在。

火星也是与地球邻近的行星。1964～1977年美国人接连向火星发射了八个探测器，也有多个探测器实现了在火星表面上的软着陆。现在已经知道，火星上的大气十分稀薄，主要成分为二氧化碳，还有少量的一氧化碳和水汽。火星表面昼夜的温度为27℃～—111℃。火星也是一个十分荒凉的世界，没有植物和动物，生命现象存在的可能性极小。

70年代美国人发射的探测器对木星进行探测，发现它有一个在地球上观察不到的光环，已确认的卫星有16颗之多。木星也有浓密的大气，其中含氢约10％，还有氦、氨、甲烷、水和硫化氨以及多种有机化合物和复杂的无机聚合物，厚度达1000公里。木星的表面是流体，内部则有一个由铁和硅构成的固体核。它的大气外层温度约—240℃，底层约27℃，中心温度大约是30000℃。不久前美国伽利略号航天器发射的探测器进入木星的大气层，成功地发回了许多数据，对木星必将有更为准确和深入的认识。

土星早就以它美丽的光环引起天文学家的兴趣。70年代后期美国的宇宙探测器对它作了广泛的考察。现在已知它有21～23个卫星，实际数目可能还要多一些，其中最大的一颗卫星的大小与地球相当。土星有一个不大的固体的核，它的大气以氢、氦为主要成分，还含有甲烷和其他气体。土星的一些卫星也有大气，由甲烷、乙烷、乙炔等组成。

此外，对天王星、海王星和冥王星的观测也获得了不少有价值的资料，对太阳系其他家族成员如彗星、流星和陨星的研究也有许多成果。

3.5现代恒星演化理论

恒星演化研究首先涉及到恒星的分类。1905～1907年丹麦天文学家赫茨普龙(Ejnar Herzsprung，1873～1967)连续发表文章讨论恒星的颜色与其光度之间的统计关系。1913年美国天文学家H.N.罗素也独立地提出了同样的看法。他们以恒星的光度为纵坐标，以其颜色(反映其表面温度)为横坐标，把已知恒星描绘在一个图上，后来人们把这种图称为“赫罗图”。

1958年美国天体物理学家史瓦西(Martin Schwarzschild，1912～ )系统地阐述了他根据赫罗图所描画的一颗恒星一生的发展史。他的观点大略如下：

（1）引力收缩——恒星形成阶段 由于弥散于星际间的物质分布不均匀，密度较大处便成为引力中心，星际物质逐渐向该处聚集形成星际云。星际云因引力作用而收缩，起初收缩得比较快，星际云在收缩过程中转化为恒星胎，后来收缩速度转慢，恒星胎逐渐转变为恒星。

（2）主序星阶段 在恒星形成之后，恒星内部的氢核聚变成了它的主要能源，其后恒星的辐射压力、气体压力与恒星的自吸引力趋于平衡，恒星基本上既不收缩也不膨胀，这是恒星一生中时间最长的相对稳定时期。不同质量的恒星稳定时期各不相同，质量越大的恒星时间越短，质量越小的恒星的时间越长。

（3）红巨星阶段 氢核聚变反应主要在恒星的中心部分进行，随着时间的推移，靠近中心部分的氢逐渐耗尽而形成为氦核，氦核的周围则仍然是进行着氢核聚变的壳层。当氦核的质量达到恒星质量的10～15％时，其核心部分又因引力而收缩，温度随之升高，至中心温度达到1亿度时，3个氦核聚合为1个碳核的核聚变就要发生。这时星体的内部膨胀，吸收热量，而星体的表面积扩大，温度降低，这就成了红巨星。

（4）高密恒星——恒星演化的最后阶段 当红巨星内部能够发生核反应的物质都耗尽时，它的末日也就来临。其质量小于1.44个太阳的，就成为白矮星，现在已经观测到的白矮星有1000颗以上。质量在1．44～2个太阳之间的，成为“中子星”。中子星的存在首先出自理论预言，人们认为现已发现的几百颗脉冲星就都是中子星。有人运用广义相对论研究中子星结构，认为它们的直径一般只有几十公里，而密度则大得惊人，它的外壳的密度约为1011～1014克／厘米3，里层密度约为1014～1015克／厘米3，内部密度则更达1016克／厘米3。质量超过两个太阳的将成为“黑洞”。黑洞也是广义相对论所预言的一种天体。1939年美国理论物理学家奥本海默(Julius Robert Oppenheimer，1904～1967)从广义相对论推断，当一个大质量天体的外向辐射压力抵抗不住内向的引力时，它就要发生塌缩，塌缩到某一临界大小时便因巨大的引力作用而形成一个被称为“视界”的边界，视界之外的物质和辐射可以进入视界之内，但视界之内的物质和辐射不可能逸出视界之外。因为对于任何探测手段来说它完全是“黑”的，所以把这种天体称为黑洞。黑洞的存在现时还没有最后证实，目前认为最有可能是黑洞的天体为天鹅座X一1，其质量约为太阳的5．5倍。70年代中期又有人推断黑洞不是完全“黑”的，它也可能向外辐射，甚至会出现剧烈爆发。

3.6现代宇宙学研究

宇宙模型的探究既古老又常新。现代宇宙模型的研究始于爱因斯坦。他从广义相对论出发，认为宇宙中的物质使时间和空间都发生了“弯曲”，于1917年提出“有限无边静态宇宙模型”。所谓“有限无边”的意思，是说宇宙空间是一个弯曲的封闭体，它的体积是有限的。他所说的“静态”是就宇宙的整体空间而言，并非说宇宙的各个部分都全然静止不动。爱因斯坦的假说给了人们很大的启发，不过他的静态观点并不为人们所信服。1922年就有人指出爱因斯坦的模型可能是不稳定的，并且提出建立膨胀的、敞开的宇宙模型的主张。此后相继出现了多种假设，其中主要的有如下述。

1927年比利时天文学家勒梅特(Georges Lemaitre，1894～1966)提出大尺度空间随时间而膨胀的看法，建立了“膨胀宇宙模型”。此时天文观测有了很大的进步，天文观测表明银河以外的星系普遍有光谱红移现象，就是说它们都在远离我们而去。根据哈勃关系，星系远离我们的速度与它们和我们的距离成正比，即离我们越远的星系远离我们的速度越快。这样，河外星系的红移现象就给了膨胀宇宙模型以有力的支持。不过，天文学家们在进一步的研究中也提出了疑点。一些新的观测资料已经说明哈勃关系应当作某些修正，河外星系的谱线红移究竟能不能以多普勒效应来解释也是一个问题。

1948年美国物理学家伽莫夫(George Gamow，1904～1968)等人又提出了一个与膨胀宇宙模型类似的“大爆炸宇宙模型”，因为它能较多地说明现时所观测到的事实，所以成为目前影响最大的宇宙学说。这个学说认为，宇宙始于约200亿年前爆炸的一个高温、高密度的“原始火球”，它由光子和其他基本粒子所组成，它的起始温度高达1032K，爆炸1分钟后它的温度降至约1010K，基本粒子开始结合成原子核，温度缓慢下降，几十万年后降至约109K，形成了氢、氦等原子，继续降至约106K后核反应逐渐停止，宇宙则继续膨胀，至温度为几千度时辐射减退，这时宇宙间的物质主要为气态物质，其后弥散于空间中的物质慢慢聚集成星云，进一步演化成为各种各样的天体。伽莫夫和他的支持者预言，大爆炸中所产生的辐射在遥远的宇宙空间里必定仍然存在，大约相当于10K。后来宇宙背景辐射的发现给了人们很大的鼓舞，因为它使爆炸宇宙模型的这个预言成为真实。当然，大爆炸宇宙模型也同样存在着许多尚待解决的疑难，它终究还只是一种假设。

我们记得，当人们的知识从宏观领域进入微观领域的时候曾经发生过许多困惑。面对宇宙这样在时间和空间上大尺度的对象，会不会出现类似当年的种种问题?60年代初，中国著名天文学家戴文赛(1911～1979)就此提出了与微观和宏观并列的“宇观”的概念，认为应当以一种与微观和宏观都不相同的观点来考察宇宙，不过宇观的含义现在人们还并不清楚。

需要注意的是，天文学家们所讨论的宇宙是指以天文观测手段所能观测到的一切，与哲学家们所讨论的宇宙含义不完全相同，以往曾有人分不清这两个概念的区别，由此而对现代宇宙学所讨论的问题横加指责，在苏联和在我国都曾经发生过这种令人啼笑皆非的情况，但愿这种事情永远成为过去。不过，现代天文学理论所提出的许多哲学问题，的确是对一些传统哲学观念的冲击，我们期望学术界能给予更为合理的、更为准确的概括，这对于科学和哲学的发展无疑都有积极的意义。