三次飞跃的启示

第二节　三次飞跃的启示

现代天文学经历了17世纪对行星层次认识的飞跃和20世纪先后对恒星层次、星系层次认识的飞跃。

到今天，人类能够第一次用纯粹科学的语言来描述宇宙的整体。这三次飞跃，都是受到“天文实测—处理分析—物理模型”三位一体紧密结合的推动。其中“处理分析”这个易受忽略的环节，处于实测资料收集的终点和理论解释的起点，在这三次飞跃中居显著地位。这里把它的作用列在“启示”之中，在计算机和计算技术突飞猛进的今天，望能引起注意。

连结开普勒定律的飞跃

17世纪这个以牛顿力学定律和万有引力的发现为标志的辉煌历史时期，常常被形容为一首三部曲。出场的主角依次为第谷、开普勒、牛顿。凭借同时期机械工程和计时工具的发展，第谷创造的天体测量工具的定位精度达到30角秒，他以此积累了当时关于行星位置的大量资料，并达到了前所未有的高精确度。接着是开普勒，他在处理、分析第谷的资料中，以惊人的洞察力和坚韧性，陆续发现了行星运行的开普勒三定律。最后是牛顿，他结合当时地面上的力学实验结果和开普勒总结出的行星运动规律，发现了力学定律和万有引力。这段历史久已脸炙人口。这里是想以它为典范阐明一些天文研究的规律：

第一，牛顿利用了大自然在太阳系天体运行上所“演出”的“实验”，总结出了物理（力学）规律，可谓是“天文物理学”的一座里程碑。从另一方面看，牛顿把力学规律应用到对太阳系天体运行的解释上，使天文学第一次越出了单纯探讨天体运行的经验关系，进到认识天体间相互作用的普遍规律。这是人类几千年以来对行星运动的认识从现象到本质的一次巨大的飞跃。

第二，在天文学的这一历史性飞跃中，我们看到了学科研究的内在因素，即：（1）天文手段和天文观测——感性资料的积累；（2）资料处理和分析——经验模型（或数学模型）的建立；（3）经验模型的物理解释——物理模型的建立。此三者之间的分工和衔接有着典型的意义。我们还注意到，同时代的技术和物理学、数学的发展，作为天文学发展的外因作用于天文研究的全过程。

第三，这里要特别提一下开普勒贡献的特点。在开普勒之前的几千年里，不论是地心论者还是日心论者，都是对每个行星各自的运动进行数学拟合。而开普勒则做到了把全部行星视为一体，使他的三定律普适于所有行星运动。其效果是为进一步的解释提供了严格而可信的约束，同时也就体现了深刻的导向性。下面我们将提到的另两次天文飞跃，恰恰也是以“开普勒型”的“处理分析”发现为先导。这在当前计算机和计算科学突飞猛进的背景下，当是一个值得重视的历史参照。

连结赫罗图的飞跃

这次突破体现为20世纪上半叶恒星演化理论的建立。这个理论成功地把实测所得的各类恒星的纷杂的物理现象，纳入一个统一的演化模型，使我们对恒星世界的认识产生了从现象到本质的飞跃。下面分析这次飞跃的过程。

外因之一是当时的技术条件。20世纪初，光学玻璃的浇铸和研磨技术已足以生产直径达1m的折射望远镜；直径40cm、60cm的望远镜制造工艺已经非常成熟；19世纪末的分光和光谱测量技术已在天文学上普遍应用；19世纪中叶发明的照相技术开始有效地用于天文；机械技术、测量工艺以及机械钟精度，已足以将天体方位测量的精度提高到优于0.1角秒。

19、20世纪之交，“第谷型”工作已经进展到：记录有6万多颗恒星位置和亮度（星等）的波恩星表（BD）已经发表了近半个世纪；国际合作的照相天图星表正在执行；含有27万颗恒星“光谱分类”的哈佛大学HD星表已经进行了约三分之一；数以千计的恒星的物理参数获得了那一时期尽可能精细的测量。这在当时可谓大规模的资料积累中，恒星的亮度、光谱、颜色、位置以及由位置的变化导出的“视差”（距离）和“自行”，都有了定量的标准。20世纪初期已经有了近10万颗恒星的光谱分类资料，测到过“视差”的星数大约近1千。这些为这一时期的“开普勒型”工作的巨大进展提供了条件。

赫茨普龙在1905年和1907年，罗素在1913年分别独立地发现，由光谱分类或由颜色测定所反映的恒星表面温度与恒星光度之间有着内在的关系，表现在“光谱型——绝对星等”图上。几百个不同颜色、不同光度的星，位置大部分集中在一双斜线的范围里。这种关系，无疑是恒星内部的物理结构，以及不同恒星之间某种演化上的关系的反映。这种图被称为“赫茨普龙－罗素图”，简称为“赫罗图”。赫罗图蕴涵有恒星结构和演化的关键物理信息，是尔后恒星演化研究和实测的引导。它的提出，超前于现代恒星演化理论近20年。

随着观测精度的提高，赫罗图的结构轮廓更加分明，接近了右边的理想分布。这给予任何恒星理论的严格的约束，正如当年开普勒经验关系给予行星运行理论的约束一样。

20世纪20年代，借助于经典物理学，已建立了恒星结构中最外层的“恒星大气”的研究，以及由表及里地探讨了恒星内部结构。这些研究中牵涉到在恒星环境下的原子物理过程和辐射转移过程。量子力学问世以后，这些研究取得了长足的进展。在恒星内部结构模型的建立中，估计出质量象太阳这样大小的恒星，其中心部分的温度当高达1 000万度级。因而预感到可能在那里发生了亚原子反应，产生能量。20世纪30年代的核物理实验确立了在高温中氢－氦核聚变的产生机制。随后的理论研究开始建立以核聚变为核心的恒星演化模型。

这个恒星演化模型我们将在下一节里着重介绍。

这里要指出的是，20世纪20年代以来，赫罗图成为恒星演化研究的引导。目前普遍采纳的模型使用了极其简洁的前提条件：（1）所有的恒星最初都是由以氢和氦为主的原始气体云凝聚而成；（2）发生在恒星核心的核聚变制约了整个演化过程。天空中数以亿计的形形色色的恒星，不同之处只是在于原始云的质量不同和“年龄”的不同。以现代物理学为工具，算出所有可能的原始质量和所有可能的“年龄”的恒星在赫罗图上的位置，并点在图上。其图象与赫罗图吻合。这个模型还预言了中子星和黑洞（作为演化末期的必然产物）。20世纪60年代里中子星以脉冲星的形式被发现。人们对黑洞物理作了深入的探讨，并积极寻找实测根据。

这个模型不但从简洁的起点一举解释了满天形形色色恒星现象的本质，而且解释了元素周期表中所有的元素，是在同一起点条件下，在恒星演化过程中一一加工出来的。这一理论模型“一箭双雕”，对自然界的两个基本现象作了简单、统一，因而十分有吸引力的说明。应当说，是人认识自然的一个重要的发展。

这种“元素合成”理论算出的，除氢和氦外，元素的“丰度”（与天体中氢含量的比例）与实测相符。但氢和氦之比存在着矛盾。在下面介绍另一次天文飞跃时将说明，这个矛盾已获得很好的解决。

连结哈勃定律的飞跃

前面在讨论“视限阶梯”时，我们看到一般恒星的实测“视限”为百万光年级。因此在宇宙整体中属“近”距离资料。尤其是用以总结出象恒星演化这样的规律所用的素材，基本上是几千光年内的实体。把这样得来的知识推广到以百亿光年计的宇宙空间，是一个很大的外插。不过，我们还是（且也只能）使用这种外插（包括必要的推理），来理解星系的发光，哪怕是非常遥远的星系。至于遥远星系的群体，以及群体形成之前的早期宇宙，则有待于哈勃定律以及与之连结的“大爆炸宇宙学”开辟出一条可循的研究之路。

20世纪20年代初，大型玻璃浇铸、玻璃面镀银技术已产生了1.5m～2.5m的反射望远镜；照相底片已能适应天文上较长时间曝光的应用；天文观测条件较好的现代台址选择和建设已列入议程。

20世纪10年代，已发现了造父变星的“周光关系”，并断定在银河系以外存在着遥远星系。哈勃和其他天文学家利用天文照相，观测证认并研究了数以万计的星系，于1926年提出了“哈勃分类”。1929年，哈勃发表了他对24个河外星系的视向速度测量和距离估计的结果。视向速度是由星系光谱线的位移测量得到的。因为星系谱线都是向波长长的一端偏移，这现象便被称为“红移”。用多普勒效应解释，“红移”的量代表着星系的“退行”速度。星系的距离，到现在仍是一个实测上的难题。哈勃当时用星系中最亮的恒星的测光，以及对少数测出有造父变星的星系等，估计了一批星系的距离。哈勃发表的原图，弥散很大，不过还是可以显出明确的关系：表达为v＝HD。v为星系的退行速率，D为星系距离，H被称为“哈勃常数”。这个关系被称为“哈勃定律”。

哈勃定律描述了所有测到谱线的星系在大尺度规模上的退行，距离愈远退行愈快。这可以解释为这部分“宇宙”正在膨胀。如果我们坚持前面说过的一条先验原则，即我们所处的位置在宇宙中不具有特殊地位，那么，哈勃定律应当适用于宇宙间任何位置上的观测者。这就是说，整个宇宙正按哈勃定律在膨胀。

膨胀宇宙的假说如果被接受（目前大多数天文学家是接受的），对天文学将带来三个至关重要的结果：

其一，假设我们看到的是正在膨胀中的宇宙，那么回过头来看，必定有一个时候整个宇宙都压缩在一个极小的范围里，密度极大，温度极高；必定在那个时候发生了一次“大爆炸”，启动了宇宙膨胀。从大爆炸之后且非常接近大爆炸的刹那起，宇宙的物理状态是可以应用现代物理学的知识描述的。以此为起点，循着那时开始的宇宙膨胀过程，来计算出整体宇宙的演化，直到与今日所见的情景相校验。这样的由“膨胀宇宙”这一“经验模型”引发出的整个宇宙演化的“物理模型”称为“大爆炸宇宙学”。我们将在下一节结合前面说过的恒星演化模型较为系统地陈述。

其二，哈勃定律v＝HD的普遍性如果得到承认，那么我们就可以通过测量v来求出D。只要能测到星系的低色散光谱，就可以测出谱线红移，从而测出v。这比起其它测量星系距离的方法容易得多，因而成为目前用以估计远方天体距离的唯一方法。

其三，当我们测量到某一遥远天体的距离为若干光年，例如D光年时，由于天体上的光在空间中走了D年才到达，因而我们读到的是D年以前这一天体的信息。如果宇宙万物的年龄从“大爆炸”时刻算起，那么我们测到的远方天体的距离序列即等同于演化年龄的序列。这是我们能够从实测上探讨宇宙演化（以及星系演化）的依靠。

这些结果使得测量“红移”和标准H成为星系及宇宙层次研究的当务之急。后面我们将再提到这些。