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太陽系－恒星－雙星－變星－銀河系－星的本性－星的演化相對論与宇宙－天体物理學近況－地質學 太陽系 上面說過，刻卜勒關于太陽和行星的觀測，已經提供了太陽系的模型，但是在其中一個行星的距离還沒有用地土的單位測定以前，這個模型的比例尺度是不知道的。里希爾在1672－3年間進行了這种測定工作（見150頁），而且在若干方面還具有現代精确性：（1）1728年，布萊德雷發現了遠星的“光行差”（當地球從一方橫過這星光的行徑，半年后又從反對方橫過時，觀測者兩次所看見的星光方向的差异）。當時這一發現被用來證明光以有限速度進行，但因光速現已有他法測定，光行差反過來可用以測量地球的速度与其軌道的大小了。（2）當金星經過地球与太陽之間時，由地球上兩個站所測定的時刻，也可用來以三角學的解法，計算太陽的距离。（3）當小行星（愛神星）于1900年經過地球附近時，曾以三角測量法測定其距离。 以上三個方法所求得的太陽系的大小，是一致的：從地球到太陽的距离是9280万（后改為9300万）英里，相當于光以每秒186，000英里的速度行8．3分鐘的距离。太陽的直徑為865，000英里，其質量為地球的332，000倍，其平均密度為每立方厘米1．4克，而地球的平均密度為5．5克。 我們關于太陽系的知識，在1930年由于湯姆保（Tombaugh）在海王星軌道以外發現了一顆新行星而擴大了。美國亞利桑那州旗杆天文台對天空某些可能發現行星的區域，作了縝密的搜索，方法是將几天時間內所拍的兩張照片加以比較，照片上如果有一個光點改位，就說明那是一顆行星。這顆新行星圍繞太陽運行一周需248年，其平均距离是36億7500万英里。這顆行星命名為冥王星。冥王星軌道的直徑為73億5000万英里，可以看做是現今（1946年）所知的太陽系的范圍。 人們時常討論別的星球是否有生物居住，對于太陽系而言，這問題便成了別的行星上的情況如何。這些情況中最重要的一個是行星外圍的大气的性質。大气的存在依靠“脫离速度”，——即气体分子運動時足以使其脫离行星引力的羈絆的速度、這速度的數值為V2＝2GM／a，式內G麥引力常數，M表行星的質量，a表其半徑。以每秒英里計，對于地球，V＝7．1，對于太陽為392，另一极端，對于月球為1．5。運動最快的分子是氫分子，在0℃為每秒1．15英里。根据秦斯的計算；如果脫离速度為分子的平均速度的4倍，在5万年內大气便完全逃逸，如果為5倍，則逃逸率便小到不足計較。因此月球上沒有大气，大的行星，如木星、土星、天王星与海王星，比較地球有更多的大气，火星与金星上的大气可以和地球上的相比擬。金星上多二氧化碳；但顯然沒有氧气与植物；那里的條件尚不能使生物存在，而火星上呢，生物存在的机會似已過去，或將近過去。 恒星 冥王星軌道以外，是一片洪渺無邊的空間。當地球在六個月內由軌道的一邊行至它一邊時，憑借縝密地觀測可以察知最近的恒星在較遠的恒星所形成的背景上改位。再過六個月恒星的位置复回到原處；如果把這些星本身的微小運動略而不計的話。由于我們已經知道地球軌道的直徑，只要把恒星本身的微小運動和光行差估計在內，根据一顆星在六個月內的現差，用三角測量法，便可推求恒星的距离。 1832年，韓德遜在好望角對恒星視差進行了觀測，接著在1838年，便有貝塞耳（Bessel）和斯特魯維（Stfuve）進行了精密的測定。用這樣的方法發現，最近的星，一個微弱的小光點，叫敞半人馬座比鄰星，距离我們達24万億（2．4×1013）英里（光須走4．1年），約為冥王星軌道的直徑的三千倍。明亮的天狼星的距离為5×1013英里，或8．6光年。約有兩千顆恒星的距离，已用這個方法測定到相當高的精确度，但這個方法現今只可應用于十個光年以內的恒星。 睛明的夜里，人眼所見的恒星可達數千。如果使用口徑愈來愈大的望遠鏡，則可見的星愈多，數目的增加并不与望遠鏡的口徑成正比例，因此我們可以說：恒星的數目不是無窮多的。美國威爾遜山天文台的100時反射望遠鏡，在1928年是世界上最大的望遠鏡，能夠觀測到的星數估計約為一万万顆，而在我們的星系（銀河系）里，恒星的數目，据不同的估計約為15万万顆至300万万顆不等。200時反射望遠鏡現在正在制造中。 希帕克過去依照星的亮度，將星分為六個“星等”，而現今已將這尺度擴充到包括20等以外的微弱星，其亮度只有一等星的万万分之一。這种量度的方法，自然是依据地球上所看見的恒星的視亮度為標准。對于一顆已知其距离的星，我們可以計算它移至某一標准距离時應有的視星等，這种星等叫做絕對星等。 如果按絕對星等分類，則在所有星等的數值中都有星的存在，但如赫茲普龍（Hertzsprung）所指出，而后來為羅素（H．N．Russell）所證實的：高星等与低星等的星的數目，比較中星等的星多。前兩者叫做“巨星”和“矮星”。以后還要詳細談到。 同一光譜型而距离已知的恒星證明，絕對星等和某些譜線的相對強度之間具有有規則的聯系。因此仔細研究這些有決定性的譜線，可以求得未知距离的星的絕對星等，然后再根据其視星等以估計其距离，即使這距离遠到不能以視差的方法來測量。這是估計恒星距离所用的几個間接方法之一。 雙星 許多是用肉眼看似乎是單顆，用望遠鏡看，乃是成對的。有些成對的雙星，可能互相离得很遠，所以看來很接近的原因，是由于它們几乎在同一視線上。然而雙星的數目很大，用恰巧在同一視線上的說法，不足以解釋全部雙星。在大多數情況下，雙星中的兩星之間，一定有某种關系。威廉·赫舍耳于1782年開始觀測雙星，到1793年，他已經找出足夠多的雙星的行徑，可以證明雙星圍繞著位置在橢圓形一個焦點上的公共重心，而運行在橢圓軌道上。因而他證明，雙星的運動也遵循牛頓在太陽系上所尋得的引力定律。 由距离和軌道部已測定的一些雙星，呵以算得它們的質量，一般是太陽的一半至三倍。這与由其他方法所得的結果頗為吻合。各類星質量上的差別并不很大，而其大小与密度卻有极大的差別。 有些雙星的兩個成員相距太近，以至不能用望遠鏡分開，但可用分光的方法去分辨它們。如果我們的視線恰在雙星的軌道平面上，當雙星的聯線垂直于視線之時，則一星向我們而來，他星背我們而去。于是按照多普勒原理，一星的光譜的譜線將向藍端移動，而他星的譜線則向紅端移動，因而在雙星光譜中，其譜線的數目必至加倍。但當兩星的位置一前一后時，它們便在橫過我們的視線方向運動，因而其光譜里便無譜線加倍的現象。靠觀測這种光譜上的變化，我們可以估計其繞轉的周期与速度，并可計算兩星的質量之比值。如果目視与分光兩种測量均屬可能，則兩星的質量都可以求得。 1889年，皮克林（E．C．Pickering）首先以分光的方法發現一對雙星。他宣布大熊座＆星光譜中有些譜線加倍，表示這顆星是周期為104日的雙星。自此以后成百的“分光雙星”被人發現，主要是在美國和加拿大的天文工作者用了大望遠鏡与攝譜儀，而且在清朗空气中工作所發現的。 變星 許多恒星的光常改變其強度。如果變化是不規則的，這或者是由于熾熱气体的屢次爆發，但光變的周期，在許多例子中，是頗有規律，因此，可以推斷，光變的原因或者是由于當一顆亮星与其暗的伴星互相環繞運動時，亮星的光的一部或全部，于一定時間無暗星所遮蔽，而形成亮星的星食。這個解釋有時可從光譜得著證實，因為當亮星在向著或离開地球運行時，其譜線發生周期性的移動。根据亮度隨時間變化的曲線，再加上譜線的測量，常可以對某些雙星系有很完全的了解。例如大陵變星与天琴座B星就是這樣。 雙星的數目很大，還有更為复雜的体系——聚星，也可以用相同的方法，加以識別和研究。例如我們熟悉的“北极星”，由分光測量，知其含有每4日互相繞轉一周的兩星，還有一個以12年為周期的第三星，以及一個以大約兩万年為周期的第四星。 更有其他變星如仙王座＆星（造父變星），不能用星食說去作解釋。它們每隔几小時或數日進發出比它們的最小亮度強若干倍的光輝。這种造父變星中的短周期的一類，表明其光變周期与其光度或絕對星等有一定的關系，這關系是1912年哈佛大學勒維特（Leavitt）女士所發現的。這個發現的价值立刻為赫茲普龍及那時在威爾遜山天文台工作的夏普勒（Shapley）所認識。這現象很有規則，可用以測量距离未知而据与此同類型的星的光變周期，去估計其絕對星等；再觀測這顆星的視星等，便可計算其距离。這是測定距离太遠、不能表現視差之星的又一方法。 銀河系 天空恒星最多的區域是在一個寬度不定的帶上，這帶叫做銀河，圍繞天穹成一巨環。有些地方星數太多，以致成為“恒星云”，須有优良的望遠鏡，始能鑒別其中的個別值星。摻雜其間的還有不規則而且不能加以分析的“星云”。在恒星聚成一帶的中間，剖分銀河的大平面，叫做銀道面。這可看做是恒星系的一個對稱平面。恒星似問這平面叢聚，特別是較熱的星与較暗的、因而一般是較遠的星。 這表示我們的恒星系附于銀道面，而成扁平的形態，好象形成一個大透鏡狀的恒星集合体。我們在這集合体之內，而不居于其中心。我們所看到的銀河里的星所以比較多，主要是由于我們望銀河時是朝著透鏡的邊沿去看，而在這方向恒星散布空間的厚度比別處大得多。 除恒星云与不規則的星云之外，還有恒星的球狀集團，約100個，這些“球狀星團”以銀河中段外邊不遠的地方為最多。其中包含造父變星。夏普勒根据它們的光變周期和借助其他間接方法，算出這些星團距离我們約2万至20万光年。 由此得知，我們的恒星系有一最長的直徑，至少長達30万光年。我們的太陽，离開整個星系的中心約6万光年，而在中央平面偏北處。多年觀測恒星的視運動的結果表明，太陽是以每秒13英里的速度，朝著武仙座的方向運動，如果以這運動的方向作為參照線，則有兩個主要的星流經過空間。 天空中最惊人的東西，是那些巨大的旋渦星云。它們很可能是正在形成中的星系或者說銀河系，關于這一觀點的論證，以后還要談到。這些星云的范圍非常龐大，雖為稀薄气体所組成，但一個星云就含有足以形成十万万個太陽的物質。它們的數出很多：加利福尼亞威爾遜山天文台的哈布耳（Hubble）博士估計，在該台的100英寸望遠鏡中，可以見到的約有兩百万個。它們中有些距离很遠，估計在50万至14000万光年，很可能在我們的星系之外。宇宙空間里似含有很多恒星聚集的銀河系，即夏普勒所稱的“島宇宙”，我們的星系不過是其中之一而已。 1904年，荷蘭格羅宁根的卡普登（Kapteyn of Groningen），在研究恒星統計時，發現我們的星系里有兩個在多少不同的方向上運動的主要星流。現今，這兩個星流應當和榮登的奧爾特（Oortof Leyden）的另一發現聯起來討論；這是銀河系整個的自轉，它因繞距离我們一万秒差距在人馬星座的方向上的一個中心旋轉，自轉的速度，按照引力定律，向外減少。在我們的區域軌道速度約為每秒250公里，轉一周約需二億五千万（2．5×108）年。整個銀河系的質量約為1500万万（1．5×1011）個太陽，如果每顆恒星的平均質量等于太陽的質量，銀河系所含的恒星大約也是這個數字，約為外推法計算的數字的十倍。 星的本性 賽奇（Secchi）神父約于1867年在羅馬提出一個按怛星的光譜分類的方法，哈佛天文台又加以很大的改進与擴充。星的顏色在肉眼看去已有差別。由于照相對于光譜紫色的一端比較靈敏，以照相法求得的星等，与肉眼估計的并不相同，其間的差异成為星色的一种量度方法。這些差异也表現在各种恒星的光譜里。在這些恒星的光譜里可以尋找出一系列的譜線，不知不覺地逐漸過渡，而表現出各類恒星的特性，哈佛大學以O，B，A，F，G，K，M，N，R 去區別它們，這序列里前面的是比較藍色的星。 O型星的光譜，在暗的連續背景上，出現若干明線。在有些光譜里，氫与氦的譜線很強。B型星的光譜呈現暗線，氦線十分顯著。A型光譜中有氫譜線、還有鈣和其他金屬譜線，在F型光譜中，后面這些譜線加強。G型星包括太陽，呈黃色，其光譜在明亮背景上呈現暗線。碳氫化合物的譜線第一次出現于K型星中。M型星呈現寬的吸收譜帶，特別是氧化鈦的譜帶。N型星呈紅色，其光譜有一氧化碳和氰（CN）的寬譜帶。R型星雖不如N型那樣紅，但也有N型里的那些吸收譜帶。 這种關于光譜的觀察，被用來估計各型恒星的有效溫度。如果將一個黑体（它可以看做完全的輻射体）漸漸增高溫度，則其輻射的特性与強度也逐漸改變。就每一溫度而言，輻射能量与波長有一特殊的曲線關系，在某一特定波長上達到最大值。隨著溫度增高，這一最大值的位置向光譜的藍端移動，因而可以說明溫度。人們還用几种方法對能量的分布加以研究，例如采用照相法及研究輻射特性的變更等方法。不但如此，溫度和電离對于光譜的影響，還可以在我們所能控制的范圍內，在實驗室里加以研究。薩哈（Saha）在1920年、福勒（R.H．Fowler）和米爾恩（E．A．Milne）在1923年都曾經利用恒星光譜中若干吸收譜線的形態，來估計起吸收作用的原子的溫度。 各种估計巨星溫度的方法所得的結果，頗能互相吻合。則可看見的星大約是1650度，已知最熱的星達23000度。這些當然是輻射表皮層的溫度。星的內部必然較外層為熱，其溫度可達几千万度。 上面討論絕對星等時，我們說過，大多數的恒星分為“巨星”和“矮星”兩大類，前者光度比較后者大得多，可是也有一些中等光度的星。但可以注意之點是：這一分類只有對于K型星以下較冷的星（溫度不超過4000度）才顯著。對于較熱的星，分類便不顯著，及至B型星就完全混淆莫辨了。這些恒星都是巨星，其光度都是太陽的40至1600倍。 這些事實被人認為指明了一個确定的結論：即所有的恒星都經過一個大体相同的演化過程。每顆恒星最初是一較冷的物体，嗣后溫度漸漸增高，而達到最高溫度（視其大小而定），然后再漸趨冷卻，溫度漸次下降，經歷一個相反的過程。 當恒星溫度升高時，它發出大量的光，這意味著它的体積很大，因而歸類為“巨星”。但當其冷卻時，它的大气在溫度方面經歷一個与以前相反的過程，在冷卻時所經過的光譜型，雖然在細節上略有差异；但大体上与溫度升高時期所經過的相同。然而這顆星現在的絕對星等，換言之即其光度，卻比較以前小得多了。既然這時溫度与以前上升時期相同，這一事實就表示這顆星的体積較前為小，遂成為“矮星”了。 這是羅素所闡述的恒星演化過程，与勒恩和利特爾（Ritter）所闡明的互相吸引的气体團的動力學相符合。如果這團气的質量夠大，則重力必定使它收縮。它將放出熱量而變熱。但當其收縮時，其收縮的速率必逐漸減少。到了某一臨界密度時，這一龐大的熾熱气團所生的熱量，將小于其所輻射的熱量，于是這團物質開始冷卻。我們在討論太陽的年齡時說過，這過程不能解釋其所放出的全部熱量，那時已經認為或有他种能量的來源（如原子的蛻變）取決于溫度，并經過一种相似的過程。 這個恒星演化的理論，已經根据最近的研究加以修正，而將原子結构的新知識應用于天体物理學。人類靠了他處在原子与恒星中間的有利位置，可以利用由一方所得的知識，作為研究另一方的參考。 已知太陽或任何一顆星的大小与平均密度，并假定其整体都是气体，就可以計算其表面下壓力隨深度而增加的變率，愛丁頓便做了這個計算。對于气体的恒星，愛丁頓發現光度主要隨質量而變化，在某些限度內，光度粗略地与質量成正比例。在恒星里任一層，其上面的壓力，為下面气体的彈力和輻射的壓力所支撐。据分子運動論，气体的彈性，是由于气体分子的碰撞造成的，而气体分子的速度隨溫度而變化。要支持太陽或其類似的恒星內部的巨大壓力，則其溫度當達四千万度至五千万度的數量級。如有一星比這個大得多，据愛丁頓推算，其內部的輻射壓必至過大，致使它變成不穩定，而趨于爆裂。這樣，星的大小有一自然的上限。 恒星內部的一個區域，甚至一大區域，實際是一個恒溫的包亮，其總輻射按絕對溫度的四乘方而改變。當溫度增高時，在光譜上能量最大的輻射，按已知定律，逐漸變為波長較短的波。當溫度高達數百万度時，則其最大能量便遠遠超過可見光譜的波段，而至X射線或波長更短的輻射區域，但這些輻射，在其行至恒星外層的途程中，不斷地受到原子的碰撞与作用，因而變成波長較長的輻射，最后仍以光和熱的形式發出。但有一引人注意的事實：即富有极大穿透力的射線（即“宇宙線”），已經為麥克倫南（McLennan）、米利根、科赫斯特等人所發現，這些射線，雖然份量很小，好象經過我們的大气，而來自空間。秦斯說：“在某一意義上，這种輻射是整個宇宙里最基本的物理現象，空間的大部區域合這种輻射遠較可見光和熱為多。我們的身体日夜被它穿過，……它破坏我們体內的原子每秒達數百万個。這可能是生命的要素，也可能在殺害我們”。有人說這种富穿透力的輻射是質子和電子互相湮滅時，或者氫聚合為重原子時所發出的，地點可能是在星云或空間里极度稀薄的物質里，因為由那里所射出的能量無須費力就可以穿過覆在恒星外部的物質。 我們知道X射線和穿透性更大的Y射線是极有效的電离劑。所以星內的原子當是高度電离的，即其外部電子都被剝奪了的；這個概念于1917年為秦斯所倡導，以后更為許多人研究。一個普通原子所占有的体積，即別的原子不能貫穿的体積，就是這些外部電子的軌道所占有的体積。如其外部電子遭到剝奪，則這原子的有效体積必大為減小，實際成為原子核与其最近電子環（其軌道較外部電子的軌道小得多）的体積。結果，恒星內部的原子既然小得多，則其相互干扰也必遠較我們實驗室的為小；因而恒星物質雖在高密度下，其性質也象“理想气体”，而遵守波義耳定律。 假設恒星是气体的，則我們可以數學計算一顆星的質量与其所發的光和熱之量的關系，換言之，即可知其光度為何。1924年，愛丁頓算得星的質量愈大則其輻射也愈大。他求得一個理論的關系，而且在把一個數字因子調整以后，使這個關系确与事實符合。就是對于某些恒星，這個公式也是适用的。因其密度很大，在1924年以前人們還認為它們是液体或固体的，而且以為這一理論不适用于它們。但愛丁頓認為，較水重的太陽，以及較鐵重的其他恒星，實際上都是气体；因其電子已被剝奪，所以這些恒星的原子体積較小，在大部時間內，彼此不相接近。 而且一個新發現使密度的可能范圍更加擴大了。1844年，貝塞耳發現天空最亮的天狼星運行在橢圓軌道上，于是他假設有一伴星圍繞天狼星運行，其質量約為太陽的4／5。十八年后，這顆星為克拉克（Alvan Clark）所發現；用現代望遠鏡不難看見這顆星，其所發的光約為太陽的1／360。當時曾認為這顆星是紅熱的、一個行將沒落的星。亞當斯在威爾遜山查得這顆星并非紅熱而是白熱的。其所發的總光量很小，是由于其体積很小；它不比地球大很多。從這個大的質量与小的体積，得知其密度約為每立方英寸一吨，這是一個駭人听聞的結果，在當時認為是不可信的。 但是不久新的證据出現了。根据愛因斯坦的理論，物体發出輻射的頻率，應隨其質量和体積而不同；因此譜線應按半徑除質量的比例向紅端移動。亞當斯測量了天狼伴星的光譜，也得著相同的高密度，約為鉑的密度的兩千倍。現在更發現另外几顆星，密度与此相似或更大。秦斯認為這些星中的物質不再是气体，而与液体相近了。其原子很可能只余下原子核，甚至其最內層的電子也被剝奪。比較正常的星，如天狼星与太陽，可能為核外剩有一層電子的原子所組成。所以根据原子結构的理論，我們就可以解釋這一事實：恒星分為明顯的几類，而且每一類僅包括某些体積限度內的恒星。在那樣高的溫度下，地上的原子將會完全破裂。要維持這些不同的体積，恒星內部未知的深度的原子必較我們熟悉的地球上的原子為重，而類似地球上的原子的較輕的原子，必浮在表面，而成為輻射的表層。 有三個方法可以估計恒星的年齡：（1）雙星的軌道最初應為圓形，以后受到過路星的引力的影響，而逐漸變形，這种影響的可能頻率可以計算，因而由軌道的實際形狀，可以計算恒星的可能年齡。（2）明亮的星所組成的星團在空間運動時，逐漸失掉其小的成員，造成這些觀察到的分散情況所必需的時間，是可以計算的。（3）恒星的運動能量，也如气体分子一樣，必定有達到平均分配的趨勢；西爾斯（Seares）測得太陽附近的恒星差不多已經達到這個階段。由分子運動論，可以計算產生這种動能平均分配狀況所需的時間。這三种方法都一致表明，我們的星系中恒星的平均年齡可能是5万億至10万億（5至10×10[12]年。 要維持這樣長久的生命，必需大量輻射能量的供給，數量之巨，遠非引力的收縮，或放射性物質所能解釋的。愛因斯坦的理論很自然地引導人們形成一個觀念：這种能量的來源可能是由于陽性質子与陰性電子的相互湮滅，這是1904年秦斯用來解釋放射物的能量的說法。這理論已經詳細地完成。可以肯定，恒星在不斷損失質量。輻射造成定量的壓力，因而具有一個可以計算的動量，即質量与速度的乘積。太陽表面每平方英寸輻射出50馬力，這說明整個太陽每天損失質量3600万万吨，而質子与電子的相互湮滅可說明這种損失發生的机制。太陽在其体積更大、年齡更輕時，其質量的損失必當更速，于是我們可以給与太陽年齡以一個上限，大約是8万億（8×1012）年。這与其他方法所估計的恒星年齡相符合，但根据以后的研究來看又是可怀疑的。 星的演化 恒星的年齡既經估定，我們自然會問恒星是怎樣產生的？即使在最大的望遠鏡中，恒星也無可見的体積——最近的恒星也是太遠了。但是天空明亮的一片一片區域，所謂星云，早已為人發現。仙女座中的大星云，能被肉眼看見，在望遠鏡發明以前即已發現。而獵戶座內的另一星云，也于1656年為惠更斯所發現。 星云有三大類： （1）形狀不規則的星云，如獵戶座內的。 （2）行星狀星云，形狀有規則的較小的結构。 （3）旋渦星云，象似明亮的大旋渦。 數目最多的星云是旋渦狀的。我們已經說過，現代望遠鏡中可見的星云，約有二百万個。它們的光譜是連續的，而重合有吸收譜線，与F至K型的星（包括太陽在內）的光譜相似。有些星云是彌漫的熾熱气体團，有些含有定形的恒星。星云呈現有急速轉動的模樣。自軌道平面的邊上平視所見的星云，可以在光譜學上進行研究，另外一些与我們視線正交的，可在逐年的照片上看出其有可測量的轉動，每轉一周約需几百万年。這好象說明其運動的迂緩，但是我們觀測到它們有很高的線速度，所以其轉動周期的悠長，不是由于其運動的迂緩，而表現其体積的龐大。 如果假設不同的星云的轉動速度大略相同，則由以上所述，自軌道平面邁上平視所見的星云，可以由光譜學測得其線速度，而橫過我們視線的星云，也可以測得其每年的角速度，這樣比較這兩种速度，便可得其距离的一個估計值了。旋渦星云的旋臂中可以看出有造父變星，其光變的周期可假設与其絕對亮度有通常的關系，因而測量它們的視亮度，又可得距离的另外一种估計值了。由此所得的數字，約在几十万至几万万光年。因而大多數旋渦星云都很遠，而在我們的星系以外。 恒星演化的星云學說，最初為康德所提出，繼于18世紀末為拉普拉斯引用，去解釋太陽系的起源。拉普拉斯根据气体星云的概念，認為星云充滿海王星軌道里邊的空間，而且具有旋轉運動。它因其自身的引力而收縮。但因其角動量不變，故其旋轉速度漸增。在其收縮的各階段中，它遺留下環形的物質，經凝結而形成行星与其衛星，繞中心的物質轉動，這中心的物質即形成太陽。 這個學說有若干困難。1900年，莫爾頓（F．R Moulton）指出，由環形不會破裂變成球形。張伯林（T．C．Chamberlin）并證明在那樣大的气体團中，其引力并不足以克服其分子速度的擴散效應与輻射壓而使其縮小。秦斯以別的論据證明行星是不能由凝結而形成的。 但是旋渦星云比拉普拉斯所想象的大過百万倍，在這規模下，其整個的發展過程也大不相同。這時引力遠比气体壓力和輻射壓更為有效，星云不但不擴散，而且收縮，并且旋轉得比拉普拉斯所想象的還快。這個解釋，應用于小規模的太陽系遭到失敗，應用在龐大的星系上，卻頗有成功。 秦斯已經以數學證明：一個具有引力的气体團，或因其他物質團的潮汐作用而開始轉動，則將漸漸形成一雙凸透鏡的形狀。若其旋轉加快，則其邊緣將不穩定，而裂成兩個旋臂。旋臂上發生局部的凝結，每個凝塊具有适當体積，可以在我們所見的恒星的大小的狹小限度內形成恒星。這個由理論得出的預言已為哈布耳所證實。哈布耳根据觀察的結果，將星云分為秦斯所預言的類型。于是我們在旋渦星云里，發現在我們星系以外在遙遠空間里正在形成中的其他星系。 旋渦星云臂上的一小滴，是不是變成我們這樣的太陽系呢？根据秦斯的數學推證，這不是一定可能的。如果這小滴的轉動足夠迅速，而至釀成分裂，則分裂的結果可能是互相繞轉的雙星。所以雙星很可能是恒星演化的一個正常規程，其另一過程，則是孤獨的單顆星。 但莫爾頓、張伯林与秦斯對太陽系的起源提出一些猜測性的說明。如果在某一早期階段，兩個气体星運行到彼此鄰近時，則將發生潮汐波。及至兩星接近到某一臨界距离時，這潮汐波即將射出長臂狀的物質，然后再裂成具有适當大小与特性的物体，而形成地球与其他行星。但這一事件發生的可能性很小，据秦斯計算，伴隨象我們的行星系的恒星，大約在十万個恒星中才有一個。 恒星演化的新學說，可以概括敘述如下：恒星是旋渦星云的旋臂中所飛出的大小相近似的气体團。它們發放輻射，其質量因而減少。又因其体積較大的發出輻射的速度較快，所以它們的質量逐漸趨于相等。 無論其溫度与壓力為何，最年輕的星最重，而輻射也最多。如果它們全由象地上的原子所組成，則溫度与壓力增高時，輻射也當隨之而增加，情況就与上面所說的不相同了。這一證据又表示輻射能量大部來自我們所未知的几种類型的极端活躍的物質。這些物質當星衰老時即歸于消逝，很可能是由于原子的嬗變，使物質湮滅并轉化為電磁輻射。這樣釋放的能量是很大的，照相對論一節中所說：質量m可以轉化mc2的能量，這里c為光速，每秒3×10[10]厘米，所以，一克質量的物質轉化為輻射后，其能量等于9×10[20]爾格。由于物質湮滅或即便是适宜的嬗變，所釋放出來的能量是很大的（見451頁）。 天体物理學上的這一個新理論，使人想到牛頓《光學》書中的質疑第30所說的；“龐大物体和光不是可以互相變化的嗎？物變為光与光變為物，是同似乎樂于變化的自然程序十分符合的。” 恒星可能正在化為輻射，宇宙間物質的命運不是直接化為空間的輻射，就是變成具惰性而不活動的東西，如构成我們世界的主要物質。地上的物質含有92個元素，自原子序數為1的氫，至原子店數為92的鈾。如果還有別的元素存在，它們不是同位素，便是有更高的原子序數，其結构必較鈾更為复雜。現在至少已經發現一個名叫鈽。它們必然富有強烈的放射性，所以不會穩定，因而大多數可能早已失其存在了。從前以為光譜的證据說明物質的演化由簡單而趨于复雜，自老年星中的氫，而趨于青年星中的鈣。可是今天對于這事實的解釋大不相同。人們認為這只表明，各种恒星中的情況，有利于氫或鈣在其大气之中与其上輻射的放出。有些天文學家以為在恒星的演化中便伴有复雜原子的分裂，其中大部直接化為輻射，小部變為不活潑的灰分；這些灰分雖是宇宙變化的副產品，但卻是組成我們身体和我們世界的物質。鈾与鐳或者是介于留在地上的這些活潑原始原子的最后殘跡，与构成我們的不活潑元素兩者中間的物質。 只有与我們所處的情況很相近的星球好象才有生命的可能。行星系可能是稀有的，我們的行星似乎不可能維持“別的世界上的生命”。 凱爾文的能量散逸原理指明了事物的最后的狀態，在這种狀態中，物質与能量都作均勻分布，而不再有運動的可能。現代理論雖然把其過程加以修改，但也得到相似的結論。宇宙所趨向的最后情況，乃是從活潑的恒星原子化作空間的輻射，与變成將熄的太陽中或凝凍的地球中的惰性物質而已。即令宇宙中物質全部毀滅，所產生的輻射也僅能使空間的溫度增高几度罷了。秦斯算得：只有當溫度增高到7．5×10[12]度時，空間方能為輻射与再度沉淀的物質所飽和。活動物質的原子遺存的概率和輻射濃聚于一處，使物質再度沉淀的概率，都非常渺小。不管我們等候這机會的來臨需要等候怎樣久的時日，永恒總是更久的。霍爾丹（J．B．S．Haldane）曾經提出一种看法〔据愛丁頓告訴我，漢堡的施特爾內（Sterne）教授在談話中也曾提出過這种看法〕，認為這种巧合的濃聚情形很可能在現有的宇宙消滅后，重新創造出一個新的宇宙——我們現在的宇宙或者就是在輻射彌漫的漫長年代以后，產生的。但是秦斯与愛丁頓都曾對我說，他們不相信這种說法。別种情況發生的机會更大，會防止那种很少可能的偶然情況發生。 在這些問題上，我們似乎不可能找到确實的證据。歷史昭示我們需要謹慎從事。天体物理學的現代觀點僅開始于數年以前，我們已經知道的比有待學習的實在還少得很。 相對論与宇宙 相對論提供的新的自然現，在其發展進程中，必然深刻地影響我們對于物質宇宙的觀念。它在解釋万有引力時，用引力場中呈現彎曲的自然路徑的理論去代替吸引力的觀念。這就不但在精密的實驗中，導致稍有不同的結果，而且如我們以前所說過的，也完全改變了我們對于宇宙廣袤的觀念。 如果采用歐几里得的空間与牛頓的時間，則我們自然以為存在是無窮的。空間無限地伸至最遠的恒星以外，時間則通達過去与未來，均勻而永恒地流逝著。 但是，如果我們的新時空連續區，由于物質的存在而表現彎曲，我們就進入另一思想境界了。時間或者仍然是無止境地從永久到永久地流逝著，而空間的彎曲則指示出一個有限空間的宇宙。設想我們以光速繼續前進，則終將達到一個有限的境界，或重返回到我們的出發點。哈布耳估計整個空間約為威爾遜山大望遠鏡所可見到的那一部分的十万万倍，而這個望遠鏡能夠看見我們星系以外的星云兩百万個之多。這表明光線經行宇宙一周，約需千万万（1011）年。愛因斯坦曾描繪過一個三維的空間，其彎曲的方式正如我們在二維空間所謂的圓柱面那樣。時間則相當于圓柱的軸線。德·西特（De Sitter）則想象一個球面時空。如果我們向外旅行，去追尋更大的球，則我們終將達到一個最大的球。這里的時間，從地球上看去，好象停止不動。正如愛丁頓所說：“好象瘋人的茶會，時間永遠是六點鐘，不管我們等候多久，總是看不到什么動靜。”但是如果我們能夠達到這個保守的天堂，則我們必定感覺在該處經歷的時間，也依然流逝，不過其流逝的方向不同而已。 德·西特指出，這种從地球上所見的時間的變慢，有一輕微的證据。有些旋渦星云是我們所知道的最遠的物体。它們光譜中的譜線，与地球上光譜的同一譜線比較，位置頗有移動，如哈布耳所指出的，絕大多數部移向紅端。這現象經常被解釋為由于旋渦星云具有很大的退行速度（比較其他任何天体的都大），這現象有時又被解釋為宇宙的膨脹。十分可能，我們現在所觀察的這一現象，就是從地球上可以看見的原子振動的變慢，即大自然的時計的速度的改變，或時間的尺度的變化。 天体物理學近況 現在已有許多證据表明，星際空間有稀薄物質的存在。獵戶座＆星是一對雙星中的一個成員，与上述的別的雙星一樣，當其環繞其伴星旋轉時，其譜線表現有移動的現象。1904年，哈特曼（Hartmann）注意到H和K兩條鈣線，并不參加這种周期性的移動，而且在別的雙星的光譜里納的D譜線也象是駐定的。但是普拉斯基特（Plaskett）与皮爾斯（Pearce）發現這些譜線并非真正固定，而表現有相當于我們的星系自轉的運動。這些差不多固定的譜線，只在1000光年外的恒星光譜里才看得見，而且恒星距离愈遠，這些譜線愈強；它們顯然是散布在空間的鈣和鈉所造成的，在有些地方，凝聚成宇宙云或气体星云。這种星際物質的密度极小；就平均而言，這是10-24，即每立方厘米內只有一個原子；即在一個典型星云（例如獵戶座大星云）的中心，也是10－20，只有實驗室所能造的高度“真空”的密度的百万分之一。由于碰撞的稀罕，宇宙云里的質點不會喪失很多的熱量，其所能維持的溫度達15，000℃，而空間里隕星的溫度可以降到-270℃，僅在絕對零度上3度而已。 气体星云不自發光，而是靠其范圍內的极熱星的光而發光。极熱星所發的光激發星云的質點，使其射出不同周期的光線，換句話說，即造成熒光效應。還有所謂暗星云。這种暗星云阻礙其后面的遠星的光透過。暗星云可能与亮星云具有相同的性質，只是在其范圍內沒有熱星激發其發光而已。這些星云里的質點、大小和光的波長相似；它們具有很大的吸光能力。 亮星云光譜中有明線，主要是電离氫和氦的譜線，以及實驗室里還沒有見過的譜線，例如其中兩條綠色的譜線，假想其起源于一末知的、名叫氧的元素。但是，1927年包溫（I.S．Bowen）發現這些奇怪的譜線是由雙電离氧原子所造成的，所謂雙電离氧原子也就是其衛星電子從一個軌道躍到另一軌道。在地球上比較扰攘的環境里這些軌道間的路徑是不通行的，可是在安靜的星云里，在長時間內這路徑是敞開的。其他譜線生于單電离的氮，其衛星電子也遵循“禁戒躍遷”。可見空間里有氧和氮（我們熟悉的空气）以及鈉和鈣。 1869年，勒恩假定太陽上的質點和理想气体中的質點一樣活動，而且假定其內部的熱量是物質的。他在這种假定下計算了太陽的理論溫度。可是愛丁頓指出輻射的重要性，它從內部出來，被外層的原子和電子所捕獲，由X射線降級到可見光，因而能量只是緩緩地逸散。所以近些年來人們覺察到在高溫下，輻射的和物質的兩种熱量之比比較想像的大，事實上這兩者大約是相等的。在5000℃的溫度，輻射壓在每平方英尺上約為1/20英兩，可是在太陽中心兩千万度的高溫下，輻射壓在每平方英寸上，高達三百万吨。 我們考慮到太陽里自由運動的質點的壓力，就可以估算出使太陽維持其所觀測到的体積所必需的內部溫度，起初人們認為太陽里的自由運動的質點是一般的原子和分子，但是現在我們要用新的原子理論去討論這個問題。 紐沃爾（Newall）曾向愛丁頓表示，太陽或恒星里的高溫必使原子電离，或者說剝掉它外圍的電子。例如就氧原子而論，它的原子量是16，其外圍電子有8個，再加上一個核，質點的數目為9，因而其平均量為16／9或1．78。從鋰的1．75到余的2．46，這些量都接近于2，可是就氫而言，原子分裂為兩個質點：即質子与電子，質點的平均量為1／2，而不是2。因此，就溫度的問題而言，我們可將質點概括地分為氫和非氫兩類，含氫愈多的星，其理論的光度愈小。根据觀測到的光度，好象1／3氫和2／3非氫的比例适合多數恒星的觀測到的性質。1929年，阿特金森（Robert Atkinson）与霍特曼斯（Fritz Houtermans）指出，在太陽里很高的溫度下，原子核如果損失了外圍電子的保障，可能也遭到摧毀。 恒星物質電离的概念受到量子理論的支持。這一概念最初是埃格特（Eggert，1919年）提出的，后經薩哈應用（1921年）到恒星外層，因而建立恒星光譜的現代理論。 天文學家考慮了新的有關原子的知識，复回到勒恩的理論，仍假設巨星的質點的作用如理想气体，即使在上述的致密的恒星里也是這樣。在這些致密的恒星里，原子被剝掉了外圍的電子，因而它們的核和脫离了的電子的作用，象獨立的質點一樣。 銀河系以外，在遙遠的距离處，還有別的星系，以旋渦星云的姿態出現在我們眼里。在威爾遜山100時反射望遠鏡里，用抽樣法估計，能夠看見的旋渦星云之數，當以千万計；其中最遠的可能在五万万光年以外。現在制造中的200時反射望遠鏡能夠探尋到兩倍遠處，因而可以顯出八倍多的星云，如果它們是均勻的分布，而空間里又無吸光的物質的話。這里可以提說一下：以上所說的宇宙線來自這些外圍區域，即星際空間或旋渦星云。 以上說過，旋渦星云的譜線和地面對應的譜線比較，是向紅端移動的。這表示星云有一种退行，這退行的速度是和距离成正比而增大的，現在認為這是宇宙在不斷地膨脹的表現。德·西特的空間理論〔它通過弗里德曼（A．Friedmann）与勒梅特（G．Lemaitre）的數學研究，和愛因斯坦的理論聯系起來〕也認為有這种膨脹的宇宙，所以我們可說觀測与理論是符合的。 米耳恩指出，如果起初星系具有現今的速度，而密集在小范圍內，其中具有最大速度的，現在會离開得最遠；我們應可得到所觀測到的距离与退行速度之間的關系。1932年，愛丁頓估計這速度是每百万秒差距每秒528公里，在15万万（1．5×109）年后，宇宙的大小便增加一倍。這樣說來，宇宙的初始半徑就是328個百万（3．28×108）秒差距或10万万6800万（1．68×109）光年；宇宙的總質量為2．14×1055克，或1．08×1022個太陽的質量，宇宙的質子數或電子數為1．29×1079。528那個基本數字可能需要減小。這個不可逆或單向的過程的設想所引起的問題与熱力學第二定律下熵的不斷增長所引起的問題是相似的；兩者都指出有一确定的開始，能量的供給量逐漸降低，以至于終于竭盡。有人說我們現令的熱力學可能是膨脹宇宙的一种特性；事實上托爾曼（Tolman）就提出一种相對論性的熱力學，認為在不斷收縮的宇宙里第二律是反向的。能量愈來愈多，從輻射再形成物質是可能的。在這些思路上，我們也可猜想有一种脈動的宇宙，我們碰巧正好生在它的膨脹階段，這樣便不需要一個開始或者終結了。 最終的問題是：太陽和恒星所輻射出的能量的來源是什么？既然內部的溫度須維持几千万度，所以這能量不能從外面而來，似乎必須是某种原子內部的能量。愛因斯坦的質量与能量的關系（即1克物質具有9×10[20]爾格的能量）說明太陽所儲蓄的總能量為1.8×10[54]爾格。以現在的輸出率計，這足夠供給15万億（1．5×10[13]）年，但以質量變少，因而輸出率逐漸變小，這時間可能還要長些。由計算得知太陽的年齡5万億（5×10[12]）年。這是在質子与電子互相湮滅的假設下得出的結果，但上面說過，由于阿斯頓的工作，由于正電子的發現，這個假設難能成立了。 1920年，阿斯頓對于氫原子量的精密測定說明，氫嬗變為別的元素時，可以得到大量的能量，這樣便提供了能量的另外一种來源。在近几年來，這個來源看來更加可能。這個過程進行的方式就是在碳和氮的催化作用下，氫轉化為氦。 這樣所獲得的能量自然比由湮滅理論而得的少些，因湮滅用去太陽的全部質量，而由氫嬗變為非氫只用去了質量的10％。于是太陽的輻射可以維持100万万（10[10]）年，這樣長的時間已足夠滿足地質學者，雖然比較湮滅說所說的万億年要短些。恒星的年齡似乎也可能只是星系退行所需的時間的几倍，我們得出的數量級約為几十万万年，譬如說2×10[9]年。如果考慮到引力收縮和放射物質所釋放的能量，這數字還可能大一些。這個理論表明太陽和恒星具有穩定性。這是這一理論被人相信的原因之一。 我們可將這些數字和地球的年齡比較，這年齡是根据各种岩石里放射元素鈾和釷与其蛻變后的產物兩者的相對含量測定的。由這一研究求得地殼的形成當不晚于16万万（1．6×109）年以前。 根据相對論，空間，或者時空，有某种自然曲率，這曲率在物質附近或在電磁場里便會增加。這自然曲率是与宇宙斥力等价的相對性。在單位距离，這宇宙斥力是一個宇宙常數，常寫為Y。這個常數的值，可由星系的退行速度并同時考慮万有引力而估計之。取愛丁頓的數字，星系的退行速度与距离成正比，這速度是每百万秒差距每秒500公里。在15000万（1．5×108）光年處，這速度是每秒15，000英里。在19万万（1．9×109）光年處，它是每秒190，000英里，但是這個數字大過光速，顯然是有錯誤存在。也許愛因斯坦的或德·西特的閉合的時空（其中沒有任何距离超過某一數量），可以拯救我們的理論免于毀滅。 地質學 近年來，地質學的最重要的進展，是通過研究地球物理學而取得的。以物理學的方法研究的結果說明，地球不恰是一個類球体，而是一個不規則的形狀，名叫“大地水准面”（geoid）。由物理學的方法也獲得一些海陸表面下的知識。 在地面各處精确測量重力的結果，有一些异常的情況。杰弗里斯（Jeffreys）認為，這些异常的情況想必說明山岳不只為其下面的岩石所支持，而且部分地為地殼的力量所支持。地殼有時受到很大應力。明內茲（Meinesz）等人在東印度附近乘潛水艇觀測，發現地殼上有一窄帶，在不穩定的平衡狀態下，向下發生顯著的彎曲。布拉德（Bullard）指出，非洲大裂谷一帶底部有重力反常現象；說明地殼的較輕物質，因變山谷兩側的向內推力，而被擠下去。 地震觀測，包含近震与遠震兩种地震的觀測。近震波主要在地球表面或地殼內傳播，而遠震波才經過地球的深層，有些甚至通過他心附近。杰弗里斯認為，地震的研究，說明地殼是相當薄的一層（大約只有25英里），地殼里不同的物質分布在不同的地層之中。除了熟悉的凝結波与畸變波之外，現在又發現別的低速波。對這些波的觀測說明，不同地區上有反射与折射現象，表明地殼內物質分布的不連續情況。經過地球內部的遠震表明，地核的半徑大于地球的半徑之半。需要固体介質傳播的畸變波并不重新出現于地核之外；因此地核可能是液体的，据杰弗里斯說，可能是鐵或鐵鎳的熔液。 地面下几英尺的強烈火藥爆炸，可以激起類似天然地震的波動。用地震儀在若干選定地點對各种波到達時刻加以記錄，可以測量其傳達的速度。有些波向下通過未凝固的結构在比較凝固的層上反射回來，形成“回聲”，由其反射所需的時間，可以求得這些層的深度。類似的方法可用以探尋油層，并用于海底地質學，以繪海底的地貌圖。美國地質調查學會發明一种方法，從一個固定浮標上測量船只的距离：一個小炸彈由船上擲出，并記錄其時刻，聲音在海面傳播，使浮標上的一個揚聲器与一具無線電發射机開始工作，揚聲器和發報机所發出的信號也在船只上加以記錄；由這兩种記錄之間的時間差便可推算距离。大部分美國沿海地貌是這樣繪成的；在大陸架与其外面的斜坡之間常有鮮明的界限。靠了觀測波在岩層分界面處的反射，也獲得一些有用的知識，在軟的岩層中間波行較慢，在硬的岩層中間波行較速。不列顛群島陸地是火成岩和早期水成岩的結构，但其附近的海底是較軟和新形成的水成岩的結构，這些岩石在距岸150哩外，以百噚（600呎）的測索測量，深度差可達8000呎之多。 ------------------ 素心學苑 收集整理 |
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