第二節(jié)　三次飛躍的啟示

現(xiàn)代天文學(xué)經(jīng)歷了17世紀(jì)對(duì)行星層次認(rèn)識(shí)的飛躍和20世紀(jì)先后對(duì)恒星層次、星系層次認(rèn)識(shí)的飛躍。

到今天，人類(lèi)能夠第一次用純粹科學(xué)的語(yǔ)言來(lái)描述宇宙的整體。這三次飛躍，都是受到“天文實(shí)測(cè)—處理分析—物理模型”三位一體緊密結(jié)合的推動(dòng)。其中“處理分析”這個(gè)易受忽略的環(huán)節(jié)，處于實(shí)測(cè)資料收集的終點(diǎn)和理論解釋的起點(diǎn)，在這三次飛躍中居顯著地位。這里把它的作用列在“啟示”之中，在計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)突飛猛進(jìn)的今天，望能引起注意。

連結(jié)開(kāi)普勒定律的飛躍

17世紀(jì)這個(gè)以牛頓力學(xué)定律和萬(wàn)有引力的發(fā)現(xiàn)為標(biāo)志的輝煌歷史時(shí)期，常常被形容為一首三部曲。出場(chǎng)的主角依次為第谷、開(kāi)普勒、牛頓。憑借同時(shí)期機(jī)械工程和計(jì)時(shí)工具的發(fā)展，第谷創(chuàng)造的天體測(cè)量工具的定位精度達(dá)到30角秒，他以此積累了當(dāng)時(shí)關(guān)于行星位置的大量資料，并達(dá)到了前所未有的高精確度。接著是開(kāi)普勒，他在處理、分析第谷的資料中，以驚人的洞察力和堅(jiān)韌性，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了行星運(yùn)行的開(kāi)普勒三定律。最后是牛頓，他結(jié)合當(dāng)時(shí)地面上的力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和開(kāi)普勒總結(jié)出的行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了力學(xué)定律和萬(wàn)有引力。這段歷史久已臉炙人口。這里是想以它為典范闡明一些天文研究的規(guī)律：

第一，牛頓利用了大自然在太陽(yáng)系天體運(yùn)行上所“演出”的“實(shí)驗(yàn)”，總結(jié)出了物理（力學(xué)）規(guī)律，可謂是“天文物理學(xué)”的一座里程碑。從另一方面看，牛頓把力學(xué)規(guī)律應(yīng)用到對(duì)太陽(yáng)系天體運(yùn)行的解釋上，使天文學(xué)第一次越出了單純探討天體運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，進(jìn)到認(rèn)識(shí)天體間相互作用的普遍規(guī)律。這是人類(lèi)幾千年以來(lái)對(duì)行星運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)從現(xiàn)象到本質(zhì)的一次巨大的飛躍。

第二，在天文學(xué)的這一歷史性飛躍中，我們看到了學(xué)科研究的內(nèi)在因素，即：（1）天文手段和天文觀測(cè)——感性資料的積累；（2）資料處理和分析——經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ɑ驍?shù)學(xué)模型）的建立；（3）經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奈锢斫忉尅锢砟Ｐ偷慕?。此三者之間的分工和銜接有著典型的意義。我們還注意到，同時(shí)代的技術(shù)和物理學(xué)、數(shù)學(xué)的發(fā)展，作為天文學(xué)發(fā)展的外因作用于天文研究的全過(guò)程。

第三，這里要特別提一下開(kāi)普勒貢獻(xiàn)的特點(diǎn)。在開(kāi)普勒之前的幾千年里，不論是地心論者還是日心論者，都是對(duì)每個(gè)行星各自的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合。而開(kāi)普勒則做到了把全部行星視為一體，使他的三定律普適于所有行星運(yùn)動(dòng)。其效果是為進(jìn)一步的解釋提供了嚴(yán)格而可信的約束，同時(shí)也就體現(xiàn)了深刻的導(dǎo)向性。下面我們將提到的另兩次天文飛躍，恰恰也是以“開(kāi)普勒型”的“處理分析”發(fā)現(xiàn)為先導(dǎo)。這在當(dāng)前計(jì)算機(jī)和計(jì)算科學(xué)突飛猛進(jìn)的背景下，當(dāng)是一個(gè)值得重視的歷史參照。

連結(jié)赫羅圖的飛躍

這次突破體現(xiàn)為20世紀(jì)上半葉恒星演化理論的建立。這個(gè)理論成功地把實(shí)測(cè)所得的各類(lèi)恒星的紛雜的物理現(xiàn)象，納入一個(gè)統(tǒng)一的演化模型，使我們對(duì)恒星世界的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生了從現(xiàn)象到本質(zhì)的飛躍。下面分析這次飛躍的過(guò)程。

外因之一是當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件。20世紀(jì)初，光學(xué)玻璃的澆鑄和研磨技術(shù)已足以生產(chǎn)直徑達(dá)1m的折射望遠(yuǎn)鏡；直徑40cm、60cm的望遠(yuǎn)鏡制造工藝已經(jīng)非常成熟；19世紀(jì)末的分光和光譜測(cè)量技術(shù)已在天文學(xué)上普遍應(yīng)用；19世紀(jì)中葉發(fā)明的照相技術(shù)開(kāi)始有效地用于天文；機(jī)械技術(shù)、測(cè)量工藝以及機(jī)械鐘精度，已足以將天體方位測(cè)量的精度提高到優(yōu)于0.1角秒。

19、20世紀(jì)之交，“第谷型”工作已經(jīng)進(jìn)展到：記錄有6萬(wàn)多顆恒星位置和亮度（星等）的波恩星表（BD）已經(jīng)發(fā)表了近半個(gè)世紀(jì)；國(guó)際合作的照相天圖星表正在執(zhí)行；含有27萬(wàn)顆恒星“光譜分類(lèi)”的哈佛大學(xué)HD星表已經(jīng)進(jìn)行了約三分之一；數(shù)以千計(jì)的恒星的物理參數(shù)獲得了那一時(shí)期盡可能精細(xì)的測(cè)量。這在當(dāng)時(shí)可謂大規(guī)模的資料積累中，恒星的亮度、光譜、顏色、位置以及由位置的變化導(dǎo)出的“視差”（距離）和“自行”，都有了定量的標(biāo)準(zhǔn)。20世紀(jì)初期已經(jīng)有了近10萬(wàn)顆恒星的光譜分類(lèi)資料，測(cè)到過(guò)“視差”的星數(shù)大約近1千。這些為這一時(shí)期的“開(kāi)普勒型”工作的巨大進(jìn)展提供了條件。

赫茨普龍?jiān)?905年和1907年，羅素在1913年分別獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)，由光譜分類(lèi)或由顏色測(cè)定所反映的恒星表面溫度與恒星光度之間有著內(nèi)在的關(guān)系，表現(xiàn)在“光譜型——絕對(duì)星等”圖上。幾百個(gè)不同顏色、不同光度的星，位置大部分集中在一雙斜線(xiàn)的范圍里。這種關(guān)系，無(wú)疑是恒星內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)，以及不同恒星之間某種演化上的關(guān)系的反映。這種圖被稱(chēng)為“赫茨普龍－羅素圖”，簡(jiǎn)稱(chēng)為“赫羅圖”。赫羅圖蘊(yùn)涵有恒星結(jié)構(gòu)和演化的關(guān)鍵物理信息，是爾后恒星演化研究和實(shí)測(cè)的引導(dǎo)。它的提出，超前于現(xiàn)代恒星演化理論近20年。

隨著觀測(cè)精度的提高，赫羅圖的結(jié)構(gòu)輪廓更加分明，接近了右邊的理想分布。這給予任何恒星理論的嚴(yán)格的約束，正如當(dāng)年開(kāi)普勒經(jīng)驗(yàn)關(guān)系給予行星運(yùn)行理論的約束一樣。

20世紀(jì)20年代，借助于經(jīng)典物理學(xué)，已建立了恒星結(jié)構(gòu)中最外層的“恒星大氣”的研究，以及由表及里地探討了恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這些研究中牽涉到在恒星環(huán)境下的原子物理過(guò)程和輻射轉(zhuǎn)移過(guò)程。量子力學(xué)問(wèn)世以后，這些研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。在恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型的建立中，估計(jì)出質(zhì)量象太陽(yáng)這樣大小的恒星，其中心部分的溫度當(dāng)高達(dá)1 000萬(wàn)度級(jí)。因而預(yù)感到可能在那里發(fā)生了亞原子反應(yīng)，產(chǎn)生能量。20世紀(jì)30年代的核物理實(shí)驗(yàn)確立了在高溫中氫－氦核聚變的產(chǎn)生機(jī)制。隨后的理論研究開(kāi)始建立以核聚變?yōu)楹诵牡暮阈茄莼Ｐ汀?/p>

這個(gè)恒星演化模型我們將在下一節(jié)里著重介紹。

這里要指出的是，20世紀(jì)20年代以來(lái)，赫羅圖成為恒星演化研究的引導(dǎo)。目前普遍采納的模型使用了極其簡(jiǎn)潔的前提條件：（1）所有的恒星最初都是由以氫和氦為主的原始?xì)怏w云凝聚而成；（2）發(fā)生在恒星核心的核聚變制約了整個(gè)演化過(guò)程。天空中數(shù)以?xún)|計(jì)的形形色色的恒星，不同之處只是在于原始云的質(zhì)量不同和“年齡”的不同。以現(xiàn)代物理學(xué)為工具，算出所有可能的原始質(zhì)量和所有可能的“年齡”的恒星在赫羅圖上的位置，并點(diǎn)在圖上。其圖象與赫羅圖吻合。這個(gè)模型還預(yù)言了中子星和黑洞（作為演化末期的必然產(chǎn)物）。20世紀(jì)60年代里中子星以脈沖星的形式被發(fā)現(xiàn)。人們對(duì)黑洞物理作了深入的探討，并積極尋找實(shí)測(cè)根據(jù)。

這個(gè)模型不但從簡(jiǎn)潔的起點(diǎn)一舉解釋了滿(mǎn)天形形色色恒星現(xiàn)象的本質(zhì)，而且解釋了元素周期表中所有的元素，是在同一起點(diǎn)條件下，在恒星演化過(guò)程中一一加工出來(lái)的。這一理論模型“一箭雙雕”，對(duì)自然界的兩個(gè)基本現(xiàn)象作了簡(jiǎn)單、統(tǒng)一，因而十分有吸引力的說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)說(shuō)，是人認(rèn)識(shí)自然的一個(gè)重要的發(fā)展。

這種“元素合成”理論算出的，除氫和氦外，元素的“豐度”（與天體中氫含量的比例）與實(shí)測(cè)相符。但氫和氦之比存在著矛盾。在下面介紹另一次天文飛躍時(shí)將說(shuō)明，這個(gè)矛盾已獲得很好的解決。

連結(jié)哈勃定律的飛躍

前面在討論“視限階梯”時(shí)，我們看到一般恒星的實(shí)測(cè)“視限”為百萬(wàn)光年級(jí)。因此在宇宙整體中屬“近”距離資料。尤其是用以總結(jié)出象恒星演化這樣的規(guī)律所用的素材，基本上是幾千光年內(nèi)的實(shí)體。把這樣得來(lái)的知識(shí)推廣到以百億光年計(jì)的宇宙空間，是一個(gè)很大的外插。不過(guò)，我們還是（且也只能）使用這種外插（包括必要的推理），來(lái)理解星系的發(fā)光，哪怕是非常遙遠(yuǎn)的星系。至于遙遠(yuǎn)星系的群體，以及群體形成之前的早期宇宙，則有待于哈勃定律以及與之連結(jié)的“大爆炸宇宙學(xué)”開(kāi)辟出一條可循的研究之路。

20世紀(jì)20年代初，大型玻璃澆鑄、玻璃面鍍銀技術(shù)已產(chǎn)生了1.5m～2.5m的反射望遠(yuǎn)鏡；照相底片已能適應(yīng)天文上較長(zhǎng)時(shí)間曝光的應(yīng)用；天文觀測(cè)條件較好的現(xiàn)代臺(tái)址選擇和建設(shè)已列入議程。

20世紀(jì)10年代，已發(fā)現(xiàn)了造父變星的“周光關(guān)系”，并斷定在銀河系以外存在著遙遠(yuǎn)星系。哈勃和其他天文學(xué)家利用天文照相，觀測(cè)證認(rèn)并研究了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的星系，于1926年提出了“哈勃分類(lèi)”。1929年，哈勃發(fā)表了他對(duì)24個(gè)河外星系的視向速度測(cè)量和距離估計(jì)的結(jié)果。視向速度是由星系光譜線(xiàn)的位移測(cè)量得到的。因?yàn)樾窍底V線(xiàn)都是向波長(zhǎng)長(zhǎng)的一端偏移，這現(xiàn)象便被稱(chēng)為“紅移”。用多普勒效應(yīng)解釋?zhuān)凹t移”的量代表著星系的“退行”速度。星系的距離，到現(xiàn)在仍是一個(gè)實(shí)測(cè)上的難題。哈勃當(dāng)時(shí)用星系中最亮的恒星的測(cè)光，以及對(duì)少數(shù)測(cè)出有造父變星的星系等，估計(jì)了一批星系的距離。哈勃發(fā)表的原圖，彌散很大，不過(guò)還是可以顯出明確的關(guān)系：表達(dá)為v＝HD。v為星系的退行速率，D為星系距離，H被稱(chēng)為“哈勃常數(shù)”。這個(gè)關(guān)系被稱(chēng)為“哈勃定律”。

哈勃定律描述了所有測(cè)到譜線(xiàn)的星系在大尺度規(guī)模上的退行，距離愈遠(yuǎn)退行愈快。這可以解釋為這部分“宇宙”正在膨脹。如果我們堅(jiān)持前面說(shuō)過(guò)的一條先驗(yàn)原則，即我們所處的位置在宇宙中不具有特殊地位，那么，哈勃定律應(yīng)當(dāng)適用于宇宙間任何位置上的觀測(cè)者。這就是說(shuō)，整個(gè)宇宙正按哈勃定律在膨脹。

膨脹宇宙的假說(shuō)如果被接受（目前大多數(shù)天文學(xué)家是接受的），對(duì)天文學(xué)將帶來(lái)三個(gè)至關(guān)重要的結(jié)果：

其一，假設(shè)我們看到的是正在膨脹中的宇宙，那么回過(guò)頭來(lái)看，必定有一個(gè)時(shí)候整個(gè)宇宙都?jí)嚎s在一個(gè)極小的范圍里，密度極大，溫度極高；必定在那個(gè)時(shí)候發(fā)生了一次“大爆炸”，啟動(dòng)了宇宙膨脹。從大爆炸之后且非常接近大爆炸的剎那起，宇宙的物理狀態(tài)是可以應(yīng)用現(xiàn)代物理學(xué)的知識(shí)描述的。以此為起點(diǎn)，循著那時(shí)開(kāi)始的宇宙膨脹過(guò)程，來(lái)計(jì)算出整體宇宙的演化，直到與今日所見(jiàn)的情景相校驗(yàn)。這樣的由“膨脹宇宙”這一“經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀币l(fā)出的整個(gè)宇宙演化的“物理模型”稱(chēng)為“大爆炸宇宙學(xué)”。我們將在下一節(jié)結(jié)合前面說(shuō)過(guò)的恒星演化模型較為系統(tǒng)地陳述。

其二，哈勃定律v＝HD的普遍性如果得到承認(rèn)，那么我們就可以通過(guò)測(cè)量v來(lái)求出D。只要能測(cè)到星系的低色散光譜，就可以測(cè)出譜線(xiàn)紅移，從而測(cè)出v。這比起其它測(cè)量星系距離的方法容易得多，因而成為目前用以估計(jì)遠(yuǎn)方天體距離的唯一方法。

其三，當(dāng)我們測(cè)量到某一遙遠(yuǎn)天體的距離為若干光年，例如D光年時(shí)，由于天體上的光在空間中走了D年才到達(dá)，因而我們讀到的是D年以前這一天體的信息。如果宇宙萬(wàn)物的年齡從“大爆炸”時(shí)刻算起，那么我們測(cè)到的遠(yuǎn)方天體的距離序列即等同于演化年齡的序列。這是我們能夠從實(shí)測(cè)上探討宇宙演化（以及星系演化）的依靠。

這些結(jié)果使得測(cè)量“紅移”和標(biāo)準(zhǔn)H成為星系及宇宙層次研究的當(dāng)務(wù)之急。后面我們將再提到這些。