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（一） 在上编《太阳元素的发现》中我们讲了科学家们是如何发明了光谱分析方法，可以不离开地球就能够研究太阳的化学组成，并且先在太阳上发现了元素氦，后来又在地球上也找到了氦。在中编《打开原子的大门》中是从19世纪末的科学三大发现——X射线、电子和放射性的发现说起，讲到了20世纪科学家们是如何打开了原子的大门，并从中解放出巨大的能量——原子能。在本篇中我们将要沿着科学家走过的足迹，看看他们还研究了什么，发现了什么？而这次将把我们的眼光从地球、太阳、恒星一直延伸到宇宙的深处，也就是说要研究大宇宙的奥秘，然后再转回到小宇宙，进一步探究生命的奥秘。 如果说，比原子、分子更小的微观世界的大门是从上一世纪末开始到本世纪中期才打开的。那对于地球和地球以外的日、月、星辰的研究和探索，则是与人类文明的发展同时起步的。所以，天文学是一门最古老的科学。 在远古，人类为了生活和生产的需要就要观察天象。从日月星辰运行的规律，辨认方位，确定历法，了解季节变化……一些古代神话也大都和天文有关，例如中国就有，盘古氏开天辟地，女娲氏炼石补天，夸父追日，后羿射日，嫦娥奔月……世界各民族也都有不同的创世纪的幻丽神话。 关于宇宙的构造，在中国古代就有浑天、盖天和宣夜三种学说，这都是根据当时积累的各种天文现象观测后提出的假说。其中浑天学说与欧洲古代的宇宙观类似。大意是“天如鸡子，地如卵中黄。孤居于天内。天大而地小，半覆地上，半绕地下，故二十八宿半见半隐”。后汉时期张衡根据浑天说制作了一个浑天仪，是在一个大球内刻画着日月星辰，用水轮机转动，人可以钻到里面去看，与实际的天象相合。当时的大学者蔡邕就说过他愿意终生躺在浑天仪内，由此可见这仪器之精巧，这可以说是世界上最早的天象馆。
在欧洲，一直流行着多重天的地心学说，地球在中心，外面有一层层的天球套起来，月亮、太阳和各个行星的天球，最外层是恒星的天幕，而天幕外面则是神居住的地方。张衡的浑天仪是用水轮机运转的，欧洲则设想天球外面有神的机械在运转各重天。这就是托勒玫的地心体系，为神保留了至高无上的地位。在欧洲中世纪传下来一幅画，画的是一个僧侣长途跋涉到了天边，钻出恒星天幕去窥探，看到了神的机械。 到了中世纪末，欧洲文艺复兴的浪潮冲击着各种旧思想、旧观念。哥白尼于1541年发表了“天体运行论”，提出了太阳中心说，从而把神在宇宙中的位置用科学推出去，让他们无容身之地。此后，天文家们观测行星的运动有了正确的坐标（地球和行星绕着太阳转），而后德国的刻布勒根据长期精密的观测确立了行星运动的三大定律，而牛顿正是在这基础上创立了他的万有引力定律（有不少人说牛顿是看到苹果落地从而发现了万有引力，这故事是骗小孩子的胡说）。所以牛顿说“我是站在巨人的肩上，才能比他们看得远些”。 天文学的进一步发展是由于望远镜的发现，这使人们的视野拓宽和延伸了。意大利的伽利略听说荷兰眼镜制造师发明了望远镜，于是在1609年（扫校者注：原书为1809年，有误）自己设计制作了望远镜。他第一次观测就发现了月球上面的环形山，木星有4个月亮（卫星），土星似乎是3块（后来发现这是光环），金星有盈亏变化，银河是由无数密密麻麻的恒星组成的。 望远镜的发现使天文学发展到一个新时代。当时，各国的天文学家都在制作天文望远镜。天文望远镜越大，看到的恒星数目就越多，而当时人们再也不认为恒星仅仅是一块天幕了。宇宙是有限的还是无限的问题就摆在人们的面前。 什么是宇宙？我国汉代高诱注释《淮南子》一书时说：“四方上下曰宇，古往今来曰宙。”换句话说，宇宙就是空间和时间的连续体。至于宇宙有多大，汉代天文学家张衡说得好：“宇之表无极，富之端无穷。”也就是说时间和空间是无限的。 关于宇宙有没有尽头的问题，我们不禁想起我国古代《列子》一书中记录的一段对话。殷汤（王）问于夏革（大夫）：古初有物吗？夏革说：古初没有物的话，今天哪能有物。殷汤问：然而上下四方有极尽吗？夏革说：在无极之外复无无极，无尽之中复无无尽。无极复无无极，无尽复无无尽。所以我只知道是无极无尽，而不知道是有极有尽。所以天地大小相含，无穷无尽。你怎么能知道在天地之外不会有更大的天地呢？ 在《列子》中讲的是一段哲学推理，但清楚地说明了宇宙的无穷尽原理。这个思想远远地超过欧洲中世纪的宇宙模型。 望远镜的发明，成为天文学家的有力工具，望远镜的口径越大，观测到空间深处的天体越多，宇宙真是无边无际的。 在研究宇宙是否有穷尽的时候，有一位德国医生、业余天文爱好者奥伯斯（1758-1840，以发现小行星和彗星而出名），他在1826年提出一个十分有趣的问题：“夜间天空为什么是黑的？” 夜空是黑的，这当然是谁都看到的，但奥伯斯问：如果宇宙是无限的，那么天空将均匀地布满恒星，无论从哪个方向看天空都会看到星星，所以整个天空将显得很明亮，亮得像太阳一样。而实际不是这样，所以宇宙空间可能是不透明的，遥远空间的星光被不透明的星际物质吸收了。 奥伯斯的解释并不正确，被称之为“奥伯斯佯谬”。但他提出的问题标志着科学宇宙学的萌芽，围绕着这个问题的解决，使人们进一步加深了对宇宙的认识。 人们有了望远镜，就看到了宇宙深处，不仅看到越来越多的恒星，还看到了在宇宙间有众星簇成的星团，有弥漫的星云，有成为旋涡状的星云。这时就产生了一种想法，恒星难道是同时产生的吗？就像我们走到森林中去，看到的树木有的年老，有的年轻，星星是不是也有生老病死呢？我们看到的星星肯定有不同的年龄。在这时有人假设，观测到的星云应该是刚刚形成的恒星。然而，那时的人们错了，错在当时还没有弄清楚各个天体离我们有多远，当然也不可能知道这些天体有多大了。 当时，我们能够研究的天体就是我们的地球，还有一些从天外飞来的不速之客——陨石。在分析它们的化学组成后，就发现天外来客与地球本身相比，并没有什么特殊之处。显然地球外面的天体的物质组成应该是与地球没有太大区别的。但是飞到地球之外去研究别的天体，在上一世纪只能是幻想。 对于地球我们可以研究它的成分，但是对于地球以外的天体呢？我们离不开地球，所以也就无从去研究它们的化学组成。 1825年，一位法国哲学家孔德在他的实证哲学讲义中说：“恒星的化学组成是人类绝对不能得到的知识。”后来，1860年，法国天文学家弗拉马里翁也说：“要想解决恒星世界上的温度高低，我们是永远得不到有关的数据的。”然而他们的结论都下得太早了，这些不能解决的问题不但解决了，而且解决得很好。这归功于光学的成就，那就是光谱分析，这在本书的上篇《太阳元素的发现》中已经讲过了。 光谱透露了太阳的秘密，同样也透露了星光的秘密，此后不仅望远镜，还有分光仪也成了天文学家手中有力的武器。1868年法国的詹森和英国的罗克耶几乎同时发现在太阳上有一条新的谱线，那就是氦（太阳的意思），这是在地球以外发现的新元素（后来在地球上也找到了氦）。当然科学家们利用分光仪在地球上到处搜索，又找寻到了更多的新元素。 于是，孔德的预言破产了。利用光谱人们可以在地球上研究恒星的组成。不仅如此，在打开了原子的大门以后，科学家们发现了光谱线形成的奥秘，并且还可以由光谱来测出恒星表面的温度等物理状态。于是就兴起了一个研究恒星光谱的高潮，并且把恒星按光谱分了类。 我们在夜空中可以看到无数的繁星，但是仔细观察就会发现，恒星有不同的颜色，有的红，有的黄，有的白，有的蓝。显然，这是由于恒星表面温度不同，红色的温度低，而蓝色的温度最高。在掌握了光谱分析这一武器后，就可用来研究所有能观测到的恒星。 天文学家们拍摄下来各个恒星的光谱图，这实际是恒星的物理和化学性质的档案。他们把恒星按光谱分了类，并分为O、B、A、F、G、K、M七大类。另外对有特殊情况的恒星还有R、N、S三个副类。大略地说恒星的表面温度按O～M次序减小，也就是说单位面积上发光的亮度减小。例如，参宿七是B型星，表面温度12000K；天狼星是A型星，表面温度约为10000K；织女星也是A型星，表面温度为9700K；心宿二是M型星，表面温度为3650K；参宿四是M型星，表面温度约3500K。我们的太阳表面温度为6000K，是一颗G型星。 过去我们把天上的大多数星星叫做恒星，这个“恒”字意味着永恒不变的意思。那只是人们夜观天象时发现它们在天空上的位置等似乎是永不改变。但长期观测后，就发现恒星也在运动，也在“自己行走”，这叫做恒星的“自行”。 有了望远镜，人们就能观测到越来越多的星，也发现了恒星的许多细节。除了颜色不同恒星的亮度也彼此不同，过去人们用肉眼去观测，根据恒星的亮度把它们分了等级，叫做星等，分为1～6等。6等星是人们肉眼能观测到的最暗的星，1等星则比6等星亮100倍。还有少数星比1等星还要亮，那可以推上去，定为O等、-1等、-2等、-3等……有了望远镜以后，人们观测到了更暗的星，那就推下去，定为7等、8等、9等、10等……也就是说星等的数值越大，星就越暗。反过来，星等的数值越小，星就越亮。如果我们假定所有的恒星的亮度都一样，那么亮星就离我们近，暗星就应该离我们远。但是当人们设法测量出某些恒星离我们的距离（以光年为单位，即光线走一年的距离，约等于946051亿公里）后，就发现亮星虽然离我们较近，但在距离上也有很大差异，而离我们最近的星并不是我们看到的最亮的星。例如，我们看到最亮的恒星是天狼星，距离我们8.65光年，而夏季在南部天空看到的红色亮星心宿二则离我们约410光年，织女星离我们26.3光年，冬季看到的猎户座中最亮的星参宿七则离我们约有850光年，参宿四则离我们约有600光年。而离我们最近的星则是半人马座α星（南门二），只有4.2光年远。 所以，必须推翻那种亮星就近的假定，要研究恒星就要求把所有的恒星都放在同样距离来比较亮度，这样才公平合理。天文学家们把这个距离规定为32.6光年，而这时恒星的亮度叫做绝对星等。把几颗我们看到的亮星摆到同样的标准距离后，离我们最近的南门二变得几乎刚能肉眼看出来（绝对星等为4.38）；天空中最亮的天狼星也降为一般的亮星（绝对星等为1.43）；而参宿四（绝对星等为-6）、参宿七（绝对星等为-7.1）和心宿二（绝对星等为-5.3）的亮度则增大到比最亮的行星——金星还要亮得多（金星最亮时日视星等为-4.4）。看来，恒星的形态大小确实有很大的差别。 本世纪初，天文学家们用恒星光谱类型（相当于表面温度）作横坐标，用恒星的光度（绝对星等）作纵坐标，把各个恒星标在图上，制成恒星的光谱-光度图。于是就发现恒星在图上主要分布在中间一条反7字形的叫做主星序的带上（在主星序上的星叫做主序星），此外在右上角有一些恒星，在左下角还有一些恒星。经过这样排比，发现在右上角的星表面温度低而光度却大，所以恒星的体积一定很大，就名之为巨星。例如参宿四和心宿二就是有名的巨星，与太阳系相比，参宿四的半径可以超过太阳系中火星的轨道半径。而左下角则是炽热的、密度极大而体积很小的恒星，这类恒星名叫白矮星。例如，我们看到天空中最亮的恒星——天狼星就有一颗肉眼看不到的伴星，两颗恒星靠引力作用相互绕转。天狼星的这颗伴星的质量大约和太阳相等，但半径仅仅是太阳的0.73％，即比地球还要小，但表面温度竟高达26000K。白矮星的密度可以高达105～107克／厘米3。
为了了解恒星，天文学家们做了大量的工作，测定它们的亮度、距离、光谱、表面温度……然后进行分类，终于在恒星的光谱-光度图上找出了头绪，从而奠定了恒星演化研究的基础。 恒星肯定会像其他运动着的物质一样，也有生老病死。在恒星的光谱-光度图上，倒底哪些是年轻的星？哪些是年老的星？它们之间有什么关系？又是怎样演化的？这就有许多推测，也提出了不少假说。而真正解决这一重要的演化问题则是在爱因斯坦建立了广义相对论原理以后。 天文学家在拍摄恒星和天体的光谱时常常要和一个标准的光谱相比较，于是就发现了一些新的现象，那就是有的天体的光谱中的光谱线，例如氦的光谱线不在原来的位置，光谱线的波长似乎变长了，也就是向红的那边移动了（在可见光的光谱中红光的光波最长，紫光的光波最短），这叫作光谱红移现象。 1842年奥地利的物理学家多普勒曾经指出，光源和观测者之间如果有相对运动，光的频率会被压缩（相互趋近时光的频率向紫端移动）或被展宽（相互远离时光的频率向红端移动），相对运动的速度可以由光谱紫移或红移的量推算出来。这就是有名的多普勒效应。 我们可以在火车道边证明一下多普勒效应，当一列火车从远方向你开近时，你会听到声音频率很高的尖啸声向你走来，当火车离你远去时，声音频率就会降低，这是音频的多普勒效应。对光波的情况也是一样，这样一来，天文学家们就可以根据天体的光谱线的红移程度，来推算天体远离我们的速度。 研究和分析的结果是很令人吃惊的。原来越是离我们远的天体，光谱的红移越大，也就是说远离我们的速度越大。于是天文学家们得出了一个看法，那就是说今天我们观测到的宇宙正在膨胀着（请注意，不是以地球为中心在膨胀，而是整个宇宙在膨胀）。 著名的美国天文学家哈勃（1889-1953），认真地研究了光谱的红移规律，确定了根据红移的量来确定天体离我们的距离。是他首先确定过去观测到的旋涡状星云不是我们银河系内的天体，而是银河系外和我们银河系可以等量齐观的巨大的恒星体系。例如在仙女座肉眼可见的仙女大星云M31，就是一个离我们最近的恒星系，哈勃在1923年最早测定了仙女座大星云的距离（现在测定仙女座大星云距我们约220万光年）。它比我们的银河系还要大（我们的银河系内约有千亿颗恒星和大约等于百亿个太阳质量的星际物质。是个扁平的圆盘，圆盘的直径约为10万光年）。 哈勃还根据恒星特别是遥远星系的光谱，观察并测定出它们的视向速度，即它们都在远离我们，而且离我们越远的天体远离我们的速度就越大，并几乎成正比关系。这被称为哈勃定律。正是根据哈勃的观测，建立起大爆炸的宇宙起源模型。 所以，人们认为哈勃是现代宇宙学的奠基人。 随着科学的进步，人们进一步认识了光。原来光是电磁波，但我们肉眼能见到的光只是电磁波的一段，比光波更长的还有红外线、无线电波（通俗地说），比光波更短的有紫外线、X射线、γ射线等。为了收集来自宇宙空间的信息，补充眼睛的不足，人们开始用照相底片收集记录宇宙间的信息，进一步扩大了视野。 1931～1932年，美国新泽西州贝尔电话实验室的无线电工程师央斯基，在进行长期无线电通讯的过程中发现常有“嘶嘶”的噪音出现，他在天空中寻找噪音的来源，终于找到了！美国《纽约时报》在1933年5月5日头版发表了“来自银河中心的无线电波”的消息。可是在当时这只是一条新闻，并未引起科学家们的广泛注意。他们不知道观察宇宙的另一个窗口已经打开了。地球的大气层只能放一小部分波段的电磁波过来，而其余部分或是被吸收，或是被反射掉了。所以我们隔着大气层并不能观察到宇宙的全貌。 二次世界大战后，由于雷达技术的发展，可以精密地定向地收集无线电波，这很快就被用于天文学，就形成了一个新的天文学重要分支——射电天文学。 射电天文学的发展使人们看到宇宙中更多的奥妙。不仅仅发现了射电星，还完成了60年代被称为天文学的四个重大发现，那就是：星际分子、类星体、脉冲星、微波背景辐射。 在这些发现的基础上，人类对大宇宙的认识又迈进了一大步。 几乎各民族都有古老的关于宇宙万物起源和产生的神话。在我国就有盘古氏开天辟地的神话，封建社会的蒙学读本《幼学琼林》一开始就说：“混沌初开，乾坤始奠，气之轻清上升者为天，气之重浊下凝者为地。”这些都是关于宇宙起源的朴素观点。 正如上面所介绍的，人类对宇宙的认识不断拓宽，从肉眼到光学望远镜，从光学望远镜到射电望远镜，由于地球大气的阻碍，我们在地球上还是不可能收到全方位的信息。到了宇航已成为现实的时代，人们理所当然的把望远镜搬到地球之外，这就是世界上最新的望远镜——哈勃望远镜。这是1990年4月24日送到离地球613公里轨道上的最先进的望远镜。从而摘掉了地球大气层这个遮眼罩。 根据现在的观测和理论，认为我们所在的宇宙起源于约150亿年前的一次大爆炸。在那时也可以说是混沌初开。而这大爆炸的起点的状态是当今天文学、物理学研究的热点。现代科学家认为在最原始状态下电磁作用、弱相互作用、重力作用都是统一的，在大爆炸的一瞬间开始，重力场、电磁场相继独立出来，此后才由原物质形成质子和中子，随着宇宙物质的进一步演变生成现有的原子核和原子。我们的银河系大约在100亿年前形成。关于以后宇宙物质的演化，下面我们将较详细地介绍。 现在我们已经知道我们的宇宙是一个阶梯式的宇宙，恒星组成星系，一些星系组成星系团，各星系团又组成我们观测到的宇宙——总星系。这种阶梯式的宇宙曾经解决了前面提出的奥伯斯的光度佯谬。而如今膨胀的大爆炸宇宙模型更好地解释了天空为什么是黑的。而奥伯斯问题的提出是建立在均匀的恒稳态的宇宙模型上的，这与实际观测的结果不符。 现在的问题是在大爆炸前宇宙是什么形态，如果在大爆炸的那一瞬间把时间作为0的话，那负时间宇宙会处于什么状态？再就是我们所处的宇宙膨胀有没有尽头。这就有两种模型，一是无限膨胀，终于完全散开了去；一是膨胀到了极限又会收缩，也许会又缩回到原始的致密状态。这一切还有待天文学家们进一步观察研究。 宇宙是有限还是无限的呢？是无限的。我们目前用哈勃望远镜已经观测到120亿光年远的天体！但这只是我们目前认识的前缘，并不是宇宙的极限。在我们的宇宙体系外肯定还有别的宇宙体系。正像古代哲学家说的：宇宙是大小相含，无穷无尽，宇宙之外还会有更大的体系。只是目前我们的认识暂时还难以达到而已。 |
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