第十一章恒星宇宙

数学推证，这不是一定可能的。如果这小滴的转动足够迅速，而至酿成分裂，

则分裂的结果可能是互相绕转的双星。所以双星很可能是恒星演化的一个正

常规程，其另一过程，则是孤独的单颗星。

但莫尔顿、张伯林与秦斯对太阳系的起源提出一些猜测性的说明。如果在某一早期阶段，两个气体星运行到彼此邻近时，则将发生潮汐波。及至两星接近到某一临界距离时，这潮汐波即将射出长臂状的物质，然后再裂成具有适当大小与特性的物体，而形成地球与其他行星。但这一事件发生的可能性很小，据秦斯计算，伴随象我们的行星系的恒星，大约在十万个恒星中才有一个。

恒星演化的新学说，可以概括叙述如下：恒星是旋涡星云的旋臂中所飞

出的大小相近似的气体团。它们发放辐射，其质量因而减少。又因其体积较

大的发出辐射的速度较快，所以它们的质量逐渐趋于相等。

无论其温度与压力为何，最年轻的星最重，而辐射也最多。如果它们全

由象地上的原子所组成，则温度与压力增高时，辐射也当随之而增加，情况

就与上面所说的不相同了，这一证据又表示辐射能量大部来自我们所未知的

几种类型的极端活跃的物质。这些物质当星衰老时即归于消逝，很可能是由

于原子的嬗变，使物质湮灭并转化为电磁辐射。这样释放的能量是很大的，

照相对论一节中所说：质量M 可以转化，mc2 的能量，这里C 为光速，每秒3

×l010 厘米，所以，一克质量的物质转化为辐射后，其能量等于9×l020 尔格。

由于物质湮灭或即使是适宜的嬗变，所释放出来的能量是很大的（见451

天体物理学上的这一个新理论，使人想到牛顿《光学》书中的质疑第30

所说的：“庞大物体和光不是可以互相变化的吗？物变为光与光变为物，是

同似乎乐于变化的自然程序十分符合的。”

恒星可能正在化为辐射，宇宙间物质的命运不是直接化为空间的辐射，

就是变成具惰性而不活动的东西，如构成我们世界的主要物质。地上的物质

含有92 个元素，自原子序数为1 的氢，至原子序数为92 的铀。如果还有别

的元素存在，它们不是同位素，便是有更高的原子序数，其结构必较铀更为

复杂。现在至少已经发现一个名叫钚①。它们必然富有强烈的放射性，所以不

会稳定，因而大多数可能早已失其存在了。从前以为光谱的证据说明物质的

演化由简单而趋于复杂，自老年星中的氢，而趋于青年星中的钙。可是今天

对于这事实的解释大不相同。人们认为这只表明，各种恒星中的情况，有利

于氢或钙在其大气之中与其上辐射的放出。有些天文学家以为在恒星的演化

中便伴有复杂原子的分裂，其中大部直接化为辐射，小部变为不活泼的灰分；

这些灰分虽是宇宙变化的副产品，但却是组成我们身体和我们世界的物质。

铀与镭或者是介于留在地上的这些活泼原始原子的最后残迹，与构成我们的

①周期表中原子序数大于92（即铀）的元素叫做“超铀元素”，是由人工方法产生的放射性元素。钚（Pu）即是其中的一种。——译注

不活泼元素两者中间的物质。

只有与我们所处的情况很相近的星球好象才有生命的可能。行星系可能是稀有的，我们的行星似乎不可能维持“别的世界上的生命”。

凯尔文的能量散逸原理指明了事物的最后的状态，在这种状态中，物质与能量都作均匀分布，而不再有运动的可能。现代理论虽然把其过程加以修改，但也得到相似的结论。宇宙所趋向的最后情况，乃是从活泼的恒星原子化作空间的辐射，与变成将熄的太阳中或凝冻的地球中的惰性物质而已。即令宇宙中物质全部毁灭，所产生的辐射也仅能使空间的温度增高几度罢了。

秦斯算得：只有当温度增高到7.5×l012 度时，空间方能为辐射与再度沉淀的物质所饱和。活动物质的原子遗存的概率和辐射浓聚于一处，使物质再度沉淀的概率，都非常渺小。不管我们等候这机会的来临需要等候怎样久的时日，永恒总是更久的。霍尔丹（J.B.S.Haldane）曾经提出一种看法［据爱丁顿告诉我，汉堡的施特尔内（Sterne）教授在谈话中也曾提出过这种看法］，认为这种巧合的浓聚情形很可能在现有的宇宙消灭后，重新创造出一个新的宇宙——我们现在的宇宙或者就是在辐射弥漫的漫长年代以后，产生的。但是秦斯与爱丁顿都曾对我说，他们不相信这种说法。别种情况发生的机会更大，会防止那种很少可能的偶然情况发生。

在这些问题上，我们似乎不可能找到确实的证据。历史昭示我们需要谨慎从事。天体物理学的现代观点仅开始于数年以前，我们已经知道的比有待学习的实在还少得很。

相对论与宇宙

相对论提供的新的自然观，在其发展进程中，必然深刻地影响我们对于物质宇宙的观念。它在解释万有引力时，用引力场中呈现弯曲的自然路径的理论去代替吸引力的观念。这就不但在精密的实验中，导致稍有不同的结果，而且如我们以前所说过的，也完全改变了我们对于宇宙广袤的观念。

如果采用欧几里得的空间与牛顿的时间，则我们自然以为存在是无穷的。空间无限地伸至最远的恒星以外，时间则通达过去与未来，均匀而永恒地流逝着。

但是，如果我们的新时空连续区，由于物质的存在而表现弯曲，我们就进入另一思想境界了。时间或者仍然是无止境地从永久到永久地流逝着，而空间的弯曲则指示出一个有限空间的宇宙。设想我们以光速继续前进，则终将达到一个有限的境界，或重返回到我们的出发点。哈布耳估计整个空间约为威尔逊山大望远镜所可见到的那一部分的十万万倍，而这个望远镜能够看见我们星系以外的星云两百万个之多。这表明光线经行宇宙一周，约需千万万（1011）年。爱因斯但曾描绘过一个三维的空间，其弯曲的方式正如我们在二维空间所谓的圆柱面那样。时间则相当于圆柱的轴线。德·西特（DeSitter）则想象一个球面时空。如果我们向外旅行，去追寻更大的球，则我们终将达到一个最大的球。这里的时间，从地球上看去，好象停止不动。正如爱丁顿所说：“好象疯人的茶会，时间永远是六点钟，不管我们等候多久，总是看不到什么动静。”但是如果我们能够达到这个保守的天堂，则我们必定感觉在该处经历的时间，也依然流逝，不过其流逝的方向不同而已。

德·西特指出，这种从地球上所见的时间的变慢，有一轻微的证据。有

些旋涡星云是我们所知道的最远的物体。它们光谱中的谱线，与地球上光谱的同一谱线比较，位置颇有移动，如哈布耳所指出的，绝大多数都移向红端。

这现象经常被解释为由于旋涡星云具有很大的退行速度（比较其他任何天体的都大），这现象有时又被解释为宇宙的膨胀。十分可能，我们现在所观察的这一现象，就是从地球上可以看见的原子振动的变慢，即大自然的时计的速度的改变，或时间的尺度的变化。

天体物理学近况

现在已有许多证据表明，星际空间有稀薄物质的存在。猎户座δ星是一

对双星中的一个成员，与上述的别的双星一样，当其环绕其伴星旋转时，其

谱线表现有移动的现象。1904 年，哈特曼（Hartmann）注意到H 和K 两条钙

线，并不参加这种周期性的移动，而且在别的双星的光谱里钠的D 谱线也象

是驻定的。但是普拉斯基特（Plaskett）与皮尔斯（Pearce）发现这些谱线

并非真正固定，而表现有相当于我们的星系自转的运动。这些差不多固定的

谱线，只在1000 光年外的恒星光谱里才看得见，而且恒星距离愈远，这些谱

线愈强；它们显然是散布在空间的钙和钠所造成的，在有些地方，凝聚成宇

宙云或气体星云。这种星际物质的密度极小；就平均而言，这是10-24，即每

立方厘米内只有一个原子；即在一个典型星云（例如猎户座大星云）的中心，

也是10-20，只有实验室所能造的高度“真空”的密度的百万分之一。由于碰

撞的稀罕，宇宙云里的质点不会丧失很多的热量，其所能维持的温度达15，

000℃，而空间里陨星的温度可以降到－270℃，仅在绝对零度上3°而已。

气体星云不自发光，而是靠其范围内的极热星的光而发光。极热星所发的光激发星云的质点，使其射出不同周期的光线，换句话说，即造成荧光效应。还有所谓暗星云。这种暗星云阻碍其后面的远星的光透过。暗星云可能与亮星云具有相同的性质，只是在其范围内没有热星激发其发光而已。这些星云里的质点、大小和449 光的波长相似；它们具有很大的吸光能力。

亮星云光谱中有明线，主要是电离氢和氦的谱线，以及实验室里还没有见过的谱线，例如其中两条绿色的谱线，假想其起源于一未知的、名叫的元素。但是，1927 年包温（I.S.Bowen）发现这些奇怪的谱线是由双电离氧原子所造成的，所谓双电离氧原子也就是其卫星电子从一个轨道跃到另一轨道。在地球上比较扰攘的环境里这些轨道问的路径是不通行的，可是在安静的星云里，在长时间内这路径是敞开的。其他谱线生于单电离的氮，其卫星电子也遵循“禁戒跃迁”。可见空间里有氧和氮（我们熟悉的空气）以及钠和钙。

1869 年，勒恩假定太阳上的质点和理想气体中的质点一样活动，而且假定其内部的热量是物质的。他在这种假定下计算了太阳的理论温度。可是爱丁顿指出辐射的重要性，它从内部出来，被外层的原子和电子所捕获，由X射线降级到可见光，因而能量只是缓缓地逸散。所以近些年来人们觉察到在高温下，辐射的和物质的两种热量之比比较想像的大，事实上这两者大约是

相等的。在5000℃的温度，辐射压在每平方英尺上约为20英两，可是在太

①H.Spencer Jones，General Astronomy,London l934.Sir Arthur Ed-dington,The Expanding Universe,Cambridge,1933；New Pathways in Seience,Cambridge, 1935. Sir James The Universe Arourd Us,Cambridge,1933，1944.

阳中心两千万度的高温下，辐射压在每平方英寸上，高达三百万吨①。

我们考虑到太阳里自由运动的质点的压力，就可以估算出使太阳维持其

所观测到的体积所必需的内部温度，起初人们认为太阳里的自由运动的质点

是一般的原子和分子，但是现在我们要用新的原子理论去讨论这个问题。

纽沃尔（Ne wall）曾向爱丁顿表示，太阳或恒星里的高温必使原子电离，

或者说剥掉它外围的电子。例如就氧原子而论，它的原子量是16，其外围电

子有8 个，再加上一个核，质点的数目为9，因而其平均量为16/9 或1.78。

从锂的1.75 到金的2.46，这些量都接近于2，可是就氢而言，原子分裂为两

个质点：即质子与电子，质点430 的平均量为1/2，而不是2。因此，就温

度的问题而言，我们可将质点概括地分为氢和非氢两类，含氢愈多的星，其

理论的光度愈小。根据观测到的光度，好象1/3 氢和2/3 非氢的比例适合多

数恒星的观测到的性质。1929 年，阿特金森（Robert Atklnson）与霍特曼

斯（Fritz Houtermans）指出，在太阳里很高的温度下，原子核如果损失了

外围电子的保障，可能也遭到摧毁。

恒星物质电离的概念受到量子理论的支持。这一概念最初是埃格特

（Eggert, 1919 年）提出的，后经萨哈应用（1921 年）到恒星外层，因而

建立恒星光谱的现代理论。

天文学家考虑了新的有关原子的知识，复回到勒恩的理论，仍假设恒星的质点的作用如理想气体，即使在上述的致密的恒星里也是这样。在这些致密的恒星里，原子被剥掉了外围的电子，因而它们的核和脱离了的电子的作用，象独立伪质点一样。

银河系以外，在遥远的距离处，还有别的星系，以旋涡星云的姿态出现

在我们眼里。在威尔逊山100 时反射望远镜里，用抽样法估计，能够看见的

旋涡星云之数，当以千万计；其中最远的可能在五万万光年以外。现在制造

中的200 时反射望远镜能够探寻到两倍远处，因而可以显出八倍多的星云，

如果它们是均匀的分布，而空间里又无吸光的物质的话。这里可以提说一下：

以上所说的宇宙线来自这些外围区域，即星际空间或旋涡星云。

以上说过，旋涡星云的谱线和地面对应的谱线比较，是向红端移动的。

这表示星云有一种退行，这退行的速度是和距离成正比而增大的，现在认为这是宇宙在不断地膨胀的表现。德·西特的空间理论〔它通过弗里德曼（A.Friedmann）与勒梅特（C.Lemai-451tre）的数学研究，和爱因斯坦的理论联系起来〕也认为有这种膨胀的宇宙，所以我们可说观测与理论是符合的。

米耳恩指出，如果起初星系具有现今的速度，而密集在小范围内，其中

具有最大速度的，现在会离开得最远；我们应可得到所观测到的距离与退行

速度之间的关系。1932 年，爱丁顿估计这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。这样说来，宇宙的初

始半径就是328 个百万（3.28×l08）秒差距或10 万万6800 万（1.68×l09）..

光年；宇宙的总质量为2.14×l055 克，或1.08×l022 个太阳的质量，宇宙

的质子数或电子数为1.29×l079528 那个基本数字可能需要减小①。这个不可

逆或单向的过程的设想所引起的问题与热力学第二定律下熵的不断增长所引

①Eddington，In ternalConstitution of the Stars, 1927.

① 原书作“增大”是“减小”的误排。根据天文学上的新发现，528 这个数字，到1952 年改为349，1955年改为179，1958 年改为82，现尚未能确定。——译注

起的问题是相似的；两者都指出有一确定的开始，能量的供给量逐渐降低，以至于终于竭尽。有人说我们现今的热力学可能是膨胀宇宙的一种特性；事实上托尔曼（Tolman）就提出一种相对论栓的热力学，认为在不断收缩的宇宙里第二律是反向的。能量愈来愈多，从辐射再形成物质是可能的。在这些思路上，我们也可肩想有一种脉动的宇宙，我们碰巧正好生在它的膨胀阶段，这样便不需要一个开始或者终结了。

最终的问题是：太阳和恒星所辐射出的能量的来源是什么？既然内部的温度须维持几千万度，所以这能量不能从外面而来，似乎必须是某种原子内部的能量。爱因斯坦的质量与能量的关系（即1 克物质具有9×1054 尔格的能量）说明太阳所储蓄的总能量为1.8× 10 尔格。以现在的输出率计，这足够供给15 万亿（1.5×l013 ）年，但以质量变少，因而输出率逐渐变小，这时间可能还要长些。由计算得知太阳的年龄5 万亿（5×1012）年。这是在质子与电子互相452 湮灭的假设下得出的结果，但上面说过，由于阿斯顿的工作，由于正电子的发现，这个假设难能成立了。

1920 年，阿斯顿对于氢原子量的精密测定说明，氢嬗变为别的元素时，

可以得到大量的能量，这样便提供了能量的另外一种来源。在近几年来，这

个来源看来更加可能。这个过程进行的方式就是在碳和氮的催化作用下，氢

转化为氦①。

这样所获得的能量自然比由湮灭理论而得的少些，因湮灭用去太阳的全部质量，而由氢谊变为非氢只用去了质量的10％。于是太阳的辐射可以维持100 万万（1010）年，这样长的时间已足够满足地质学者，虽然比较湮灭说所说的万亿年要短些。恒星的年龄似乎也可能只是星系退行所需的时间的几倍，我们得出的数量级约为几十万万年，譬如说2×109年。如果考虑到引力收缩和放射物质所释放的能量，这数字还可能大一些。这个理论表明太阳和恒星具有稳定性。这是这一理论被人相信的原因之一。

我们可将这些数字和地球的年龄比较，这年龄是根据各种岩石里放射元

素铀和钍与其蜕变后的产物两者的相对含量测定的。由这一研究求得地壳的

形成当不晚于16 万万（1.6×l09）年以前。

根据相对论，空间，或者时空，有某种自然曲率，这曲率在物质附近或

在电磁场里便会增加。这自然曲卒是与宇宙斥力等价的相对性。在单位距离，

这宇宙斥力是一个宇宙常数，常写为λ。这个常数的值，可由星系的迟行速

度并同时考虑万有引力而估计之。取爱丁顿的数字，星系的退行速度与距离

成正比，这速度是每百万秒差距每秒500 公里。在15000 万（1.5×l08）光

年处，这速度是每秒15，000 英里。在19 万万（1.9×109）光年处，它是每

秒190，000 英里，但是这个数字大过光速，显然是有错误存在。也许爱困斯

坦的或德·西特的闭合的时空（其中没有任何距离超过某一数量），可以拯

救我们的理论免于毁灭。

近年来，地质学的最重要的进展，是通过研究地球物理学而取得的。以物理学的方法研究的结果说明，地球不恰是一个类球体，而是一个不规则的

①G.Gamow，The Birth and Death of theSun, London，1941。

①H.Jeffreys，TheEarth，Cambridge, 1929; EarthquakesandMountains.

形状，名叫“大地水准面”（geoid）。由物理学的方法也获得一些海陆表面下的知识。

在地面各处精确测量重力的结果，有一些异常的情况。杰弗里斯（Jeffreys）认为，这些异常的情况想必说明山岳不只为其下面的岩石所支持，而且部分地为地壳的力量所支持。地壳有时受到很大应力。明内兹（Meinesz）等人在东印度附近乘潜水艇观测，发现地壳上有一窄带，在不稳定的平衡状态下，向下发生显著的弯曲。布拉德（Bullard）指出，非洲大裂谷一带底部有重力反常现象；说明地壳的较轻物质，因受山谷两侧的向内推力，而被挤下去。

地震观测，包含近震与远震两种地震的观测。近震波主要在地球表面或地壳内传播，而远震波才经过地球的深层，有些甚至通过地心附近。杰弗里斯认为，地震的研究，说明地壳是相当薄的一层（大约只有25 英里），地壳里不同的物质分布在不同的地层之中。除了熟悉的凝结波与畸变波之外，现在又发现别的低速波。对这些波的观测说明，不同地区上有反射与折射现象，表明地壳内物质分布的不连续情况。经过地球内部的远震表明，地核的半径大于地球的半径之半。需要固体介质传播的畸变波并不重新出现于地核之外；因此地核可能是液体的，据杰弗里斯说，可能是铁或铁镍的熔液。

地面下几英尺的强烈火药爆炸，可以激起类似天然地震的波动。用地震仪在若干选定地点对各种波到达时刻加以记录，可以测量其传达的速度。有些波向下通过未凝固的结构在比较凝固的层上反射回来，形成“回声”，由其反射所需的时间，可以求得这些层的深度。类似的方法可用以探寻油层，并用于海底地质学，以绘London, 1935.O.T.Jones,“Geophysics"，Proc.

Inst. Civil Engineers,1936.E.C.Bullard, “.. Geophysical study ofsubmarine geology",Nature， 1940, p.764。E.G.R.Taylor,HistoricalAssocion Pamphlet, No.126。海底的地貌图。美国地质调查学会发明一种方法，从一个固定浮标上测量船只的距离：一个小炸弹由船上掷出，并记录其时刻，声音在海面传播，使浮标上的一个扬声器与一具无线电发射机开始工作，扬声器和发报机所发出的信号也在船只上加以记录；由这两种记录之间的时间差便可推算距离。大部分美国沿海地貌是这样绘成的；在大陆架与其外面的斜坡之间常有鲜明的界限。靠了观测波在岩层分界面处的反射，也获得一些有用的知识，在软的岩层中间波行较慢，在硬的岩层中间波行较速。

不列颠群岛陆地是火成岩和早期水成岩的结构，但其附近的海底是较软和新形成的水成岩的结构，这些岩石在距岸150 哩外，以百呎（600 呎）的测索测量，深度差可达8000 呎之多。