当前位置: 在线阅读网 > 科普书籍 > 从一到无穷大 > 第十章 不断扩展的视野

第十章 不断扩展的视野

一、地球与它的近邻

现在,让我们结束在分子、原子、原子核里的旅行,回到比较

熟悉的不大不小的物体上来。不过,我们还要再旅行一趟,这一次

是向相反的方向,即朝着太阳、星星、遥远的星云和宇宙的深处。

科学在这个方向上的发展,也像在微观世界中的发展一样,使我

们离开所熟悉的物体越来越远,视野也越来越广阔。

在人类文明的初期,所谓的宇宙真是小得可怜。人们认为,大

地是一个大扁盘,四面环绕着海洋,大地就在这洋面上漂浮。大地

的下面是深不可测的海水,上面是天神的住所——天空。这个扁

盘的面积足以把当时的地理知识所知道的地方统统容纳下去。它

包括了地中海和濒海的部分欧洲和非洲,还有亚洲的一小块;大

地的北部以一脉高山为界,太阳在夜间就在山后的“世界洋”海

面上休憩。图 104 相当准确地表示出古代人关于世界面貌的概念。

但是,公元 3 世纪,有一个人对这种简单而被人们普遍接受的世界

观提出了异议。他就是著名的希腊哲人(当时这个名称是用来称呼

科学家的)亚里士多德(Aristotle)。

亚里士多德在他的著作《天论》里,表述了这样一个理论:

大地实际上是一个球体,一部分是陆地,一部分为水域,外面被空

气包围着。他引证了许多现象来证明自己的观点,这些现象在今

天的人们看来是很熟悉的,似乎还显得有些琐碎。他指出,一艘船

当消失在地平线上时,总是在船身已看不见时,桅杆还露在水面

上。这说明洋面不是平的,而是弯曲的。他还指出,月食一定是地

226

第十章 不断扩展的视野



图 104 古代人认为世界只有这么大

球的阴影掠过这个卫星的表面时引起的。既然这个阴影是圆的,

大地本身也应该是圆的。但是,当时并没有几个人相信他的话。人

们不能理解,如果他的说法确实不错,那么,住在球体另一端

(即所谓对蹠点,对我们来说是澳大利亚&*)的人怎么会头朝下走

路呢?难道他们掉不下去吗?为什么那里的水不会流向天空呢

(图 105)?

你瞧,当时的人们并没有理解到,东西的下落是由于受到了

地球的吸引力。对于他们来说,“上”和“下”是空间的绝对方

向,不论在哪里都是一样的。在他们看来,说把我们这个世界走上

一半远,“上”就会变成“下”,“下”就会变成“上”,这简直是

在说胡话。当时,人们对亚里士多德这种观点的看法,正像今天某

些人对爱因斯坦相对论的看法一样。当时,重物下坠的现象,被解

释成一切物体都有向下运动的“自然倾向”,而不是像现在这样解

释成受到地球的吸引。因此,当你竟然敢冒险跑到这个地球的下

面一半去时,就会向下掉到蓝天中去!对老观念进行调整的工作


* 这是对美国而言,中国的对蹠点是巴西。——译者

227

20&世纪科普经典特藏 从一到无穷大



图 105 反对大地为球形的论点

是异常艰难的,新观念遭到了极为强烈的反对,甚至到了 15 世纪,

即亚里士多德死后两千年,还有人用地球对面的人头朝下站着的

画片,来嘲笑大地是球形的理论。就连伟大的哥伦布&*(Christo-

pher Columbus)在动身前去寻找通往印度的“另一条路”时,也

未必意识到他自己的计划是健全的,而且他的行程也因美洲大陆

的阻挡而未能全部实现。直到麦哲伦&**(Ferdinand de Magellan)进


* 哥伦布(1451~1506 年),意大利航海家,于 1492 年发现“新大陆”美洲。——译者

** 麦哲伦(1480~1521 年),葡萄牙航海家,于 1519 年首次率船队完成环球航行,麦

哲伦本人于 1521 年死于旅途,但船员继续航行,于次年返回欧洲。——译者

228

第十章 不断扩展的视野


行了著名的环球航行后,人们对大地是球体的怀疑才最后消失掉。

当人们首次意识到大地是球体后,自然要给自己提出这样的

问题:这个球体底有多大?和当时已知世界相比情况如何?但是,

古希腊的哲人们显然是无法进行环球旅行的,那又怎么来量度地

球的尺寸呢?

嘿!有一个办法。这个办法是公元前 3 世纪希腊著名科学家

埃拉托色尼最先发现的。他住在希腊当时的殖民地,埃及的亚历

山大里亚城。当时有个塞-恩城,位于亚历山大里亚城以南五千斯

塔迪姆远的尼罗河上游&*。他听那里的居民讲,在夏至那一天正

午,太阳正好悬在头顶,凡是直立的物体都没有影子。另外,埃

拉托色尼又知道,这种事情从来没有在亚历山大里亚发生过;就

是在夏至那一天,太阳离天顶(即头顶正上方)也有 7°的角距

离,这是整个圆周的 1/50 左右。埃拉托色尼从大地是圆形的假设

出发,给这个事实作了一个很简单的解释,这很容易从图 106 上

看懂。事实上,既然两座城市之间的地面是弯曲的,竖直射向塞-

恩的阳光一定会和位于北方的亚历山大里亚成一定的交角。从地

球中心画两条直线,一条引向塞-恩,一条引向亚历山大里亚,则

从图上还可以看出,两条引线的夹角等于通过亚历山大里亚的那

条引线(即此处的天顶方向)和太阳正射塞-恩时的光线之间的

夹角。

由于这个角是整个圆周的 1/50,整个圆周就应该是两城间距

离的 50 倍,即 250 000 斯塔迪姆。一斯塔迪姆约为 1/10 英里,所

以,埃拉托色尼所得到的结果相当于 25 000 英里,即 40 000 公里,

和现代的数值真是非常相近。

然而,对地球进行第一次测量所得到的结果,重要的倒不在

于它是如何精确,而是它使人们发现地球真是太大了。瞧,它的

总面积一定比当时已知的全部陆地面积大几百倍呢。这能是真的


* 即现今阿斯旺水坝附近。——译者

229

20&世纪科普经典特藏 从一到无穷大



图 106

吗?如果是真的,那么,在已知的世界之外又是些什么呢?

说到天文学距离,找们先得熟悉一下什么叫视差位移(简称

视差)。这个名称听起来有点吓人,但实际上,视差是件简单而

有用的东西。

我们可以从穿针引线的尝试来认识视差。试试闭上一只眼来

穿针,你很快就会发现这么干并不怎么有把握:你手中的线头不

是跑到针眼后头老远,就是在还不到针眼时就想把线穿进去。只

凭一只眼睛是判断不出针和线离我们有多远的。但是,如果睁开

双眼,这件事就很容易做到,至少是很容易学会怎样作到的。当

用两只眼睛观察一个物体时,人们会自动地把两只眼睛的视线都

聚焦在这个物体上;物体越近,两只眼珠就转动得更接近一些。

而进行这种调整时眼球上肌肉所产生的感觉,就会相当可靠地告

诉你这段距离是多少。

如果你不同时用两只眼睛来看,而是分别用左、右眼来看,

你就会看到物体(在此例中为针)相对于后面背景(如房间里的

230

第十章 不断扩展的视野


窗子)的位置是不一样的。这个效应就叫做视差位移,大家一定

都很熟悉。如果你从来没听说过,不妨自己试验一下,或看一看

图 107 所示的左眼和右眼分别看到的针和窗。物体越远,视差位

移越小。因此,我们可以用这种效应来测量距离。视差位移是可

以用弧度表示出来的,这要比靠眼球肌肉的感觉来判断距离的简

单方式准确得多。不过,我们的两只眼睛仅相距 3 英寸左右,因此,

当物体的距离在几英尺开外时就不能量得很准了。这是因为物体

越远,两只眼睛的视线就越趋于平行,视差位移也就越不显著。

为了测量更远的距离,就应该该把眼睛分得开一些,以增大视差位

移的角度。不,这可用不着做外科手术,只要用几面镜子就行了。


图 107

在图 108 上,我们能看到海军使用的这样一种测量敌舰距离

的装置(在雷达发明以前)。这是一根长筒,两眼前面的位置上

各有一面镜子(A,A′),两端各有一面镜子(B,B′)。从这样

一架测距仪上,真能够作到一只眼在 B 处看,另一眼在 B′处看

了。这样,你双眼间的距离——所谓光学基线——就显著增大了,

因此,所能估算的距离也就会长得多。当然,水兵们是不会单靠

231

20&世纪科普经典特藏 从一到无穷大


眼球肌肉的感觉来下判断的。测距仪上装有特殊部件和刻度盘,

这样能极精确地测定视差。


图 108

这种海军测距仪,即使对于出现在地平线上的敌舰,也是

很有把握测准的。然而,用它来测量那怕是最近的天体——月

亮——效果也不那么好。事实上,要想观测月亮在恒星背景上出

现的视差,光学基线(也就是两眼间的距离)非得有几百英里不

行。当然,我们没有必要搞出一套光学系统,使得我们能用一只

眼在华盛顿看,另一只眼在纽约看。只要在两地同时拍摄一张位

于群星中的月亮照片就行了。把这两张照片放到立体镜&*里,就

能看到月亮悬浮在群星前面。天文学家们就从这样两张在地球上

两个地点同时拍摄的月亮和星星的照片(图 109),算出从地球一

条直径的两端来看月亮的视差是 1°24′5″,由此得知地球和月亮的

距离为地球直径的 30.14 倍,即 384 403 公里,或 238 857 英里。

根据这个距离和观测到的角直径,我们算出这颗地球卫星的

直径为地球直径的四分之一。它的表面积为地球面积的十六分之

一,这约等于非洲大陆的面积。


* 立体镜是一种观看图片立体效果的装置。把两张从两个适当角度拍来的同一物体的

照片放到里边,两眼分别观看其中一张,就能产生立体效果。——译者

232

第十章 不断扩展的视野



图 109

用同样的方法也能求出太阳离我们的距离。当然,由于太阳

要远得多,测量就更加困难一些。天文学家们测出这个距离是

149 450 000 公里(92 870 000 英里),也就是月地距离的 385 倍。

正是由于距离这么大,太阳看起来才和月亮差不多大小,实际上,

太阳要大得多,它的直径是地球直径的 109 倍。

233

20&世纪科普经典特藏 从一到无穷大


如果太阳是个大南瓜,地球就是颗豌豆,月亮则是粒罂粟籽,

而纽约的帝国大厦只不过是在显微镜下才能看到的顶小的细菌。

不妨顺便提一下,古希腊有个进步哲人阿那萨古腊(Anaxago-

ras),仅仅因为在讲学时提出太阳是个像希腊那样大小的火球,

就遭到了流放的惩罚,并且还受到处死的威胁呢!

天文学家们还用同样的方法计算出了太阳系中各行星与太阳

的距离。1930 年发现的最远的行星冥王星,离太阳的距离约为地

球和太阳的距离的 40 倍,准确点说,这个距离是 3 668 000 000 英

里。

二、银 河 系

再向空间迈出一步,就从行星走到恒星世界了。视差方法在

这里仍然可以应用,不过,即使是离我们最近的恒星,同我们的

距离也是很远很远的,因此,即便是在地球上距离最远的两点

(地球的两侧)进行观测,也无法在广袤的星际背景上找出什么

明显的视差。然而,我们还是有办法的。如果我们根据地球的

尺寸求出它绕日轨道的大小,那么,为什么不用这个轨道去求恒

星的距离呢?换句话说,从地球轨道的两端去观测恒星,是否可

以发现一、两颗恒星的相对位移呢?当然,要这样做,两次观测的

时间要相隔半年之久,但那又有什么不可以的呢?

怀着这样的想法,德国天文学家贝塞-尔(Friedrich Wilhelm

Bessel)在 1938 年开始对相隔半年的星空进行了比较。开始他并

不走运,他所选定的目标都未显示出任何明显的视差。这说明它

们都太远了,即使以地球轨道直径为光学基线也无济于事。可是,

瞧,这里有一颗恒星,它在天文学花名册上叫做天鹅座 61(也就

是天鹅座的第 61 颗暗星),它的位置和半年前稍有不同(图 110)。

再过半年进行观测时,这颗星又回到了老地方。可见,这一

定是视差效应无疑。因此,贝塞-尔就成了拿着尺子跨出太阳系进

入星际空间的第一个人。

234

第十章 不断扩展的视野



图 110

在半年间观察到的天鹅座 61 的位移是很小的,只有 0.6 弧

秒&①,这就是你在看 500 英里之外的一个人时视线所张的角度(如

果你能看见这个人的话)!不过,天文仪器是很精密的,就连这样

小的角度也能以极高的精确度测出来。根据测出的视差和地球轨

道直径的已知数值,贝塞-尔推算出这颗星在 103 000 000 000 000

公里之外,比太阳还远 690 000 倍!这个数字的意义可不容易体

会。在我们打过的那个比方中,太阳是个南瓜,在离它 200 英尺

远的地方有颗豌豆大小的地球在转动,而这颗恒星则处在 3 万英

里远的地方!

在天文学上,往往把很大的距离表示成光线走过这段距离所

用的时间(光的速度为 300 000 公里每秒)。光线绕地球一周只用

1/7 秒,从月亮到地球只要 1 秒出头,从太阳到地球也不过是 8

分钟左右。而从我们在宇宙中的近邻天鹅座 61 来的光,差不多要

11 年才能到达我们这里。如果天鹅座 61 在一场宇宙灾难中熄灭

了,或者在一团烈焰中爆炸了(这在恒星中是常常发生的),那

么,我们只有经过漫长的 11 年之后,才能从高速穿过星际空间到

达地球的爆炸闪光和最后一线光芒得知,有一颗恒星已不复存在

了。


① 精确值为 0.600″±0.06″。

235

20&世纪科普经典特藏 从一到无穷大


贝塞-尔根据测得的天鹅座 61 的距离,计算出这颗在黑暗的夜

室中静悄悄地闪烁着的微弱光点,原来竟是光度仅比太阳小一

点、大小只差 30%的星体。这对于哥白尼(Copernicus)关于太

阳仅仅是散布在无垠空间中、彼此遥遥相距的无数星体中的一个

星体这样一个革命性论点,是第一个直接的证据。

继贝塞-尔的发现之后,又有许多恒星的视差被测出来了。有

几颗比天鹅座 61 近一些,最近的是半人马座&α(半人马座内最明

亮的星,即南门二),它离我们只有 4.3 光年。它在大小和光度

上都与太阳相近。其他恒星大都要远得多,远到即使用地球轨道

的直径作为光学基线,也测不出视差来。

恒星在大小和光度上的差别也很悬殊。大的有比太阳大 400

倍、亮 3600 倍的猎户座&α(即参宿四,300 光年)之类光辉夺目

的巨星,小的有比地球还小,并比太阳暗 10 000 倍的范玛伦星

(直径只有地球的 75%,距我们 13 光年)之类昏暗的矮星。

现在我们来谈一谈恒星的数目这一个重要的问题。许多人,

可能包括读者诸君在内,都以为天上星星数不清。然而,正如其

他许多流行的看法一样,这种看法也是大错而特错的,起码就肉

眼可见的星星而论是如此。事实上,从南北两个半球可直接看到

的星星加起来只有六七千颗左右;又因为在任何一处地面上只能

看到一半天空,还因为地平线附近大气吸收光线的结果使能见度

降低,所以,就是在晴朗的无月之夜,凭肉眼也只能看到 2 千颗

左右的星星。因此,以每秒钟一颗的速度勤快地数下去,半小时

左右就可把它们数完了。

不过,如果用普通的双筒望远镜来观测,就可以多看到 5 万

颗星,而一架口径为两英寸半的望远镜,则会显示出 100 多万颗

来。从安放在加利福尼亚州威尔逊山天文台的那架有名的 100 英

寸口径的望远镜里观测时,能看到的星星就会达到 5 亿颗。一秒

钟数一颗,每天从日落数到天明,一个天文学家要数上一个世纪

才能把它们数完!

236

第十章 不断扩展的视野


当然,不会有人真的通过望远镜去一颗颗地数数,星星的总

数是把几个不同区域内星星实际数目的平均值推广到整个星空而

得出的。

一百多年前,著名的英国天文学家赫歇耳(William Herschel)

用自制的大型望远镜观察星空的时候,注意到了这样一个事实:

大部分肉眼可见的星星都分布在横跨天际的一条叫做银河的微弱

光带内。由于他的研究,天文学上才确立了这样的概念:这条银

河并不是天空中的一道普通星云&*,而是由为数极多、距离很远、

因而暗到肉眼不能一一分辨的恒星组成的。

使用强大的望远镜,我们能看到银河是由为数很多的一颗颗

恒星组成的;望远镜越强大,看到的星星就越多。但是,银河的

主要部分依然处在一片模糊之中。然而,如果就此以为,在银河

范围内的星星比其他地方的星星稠密些,那可是大错而特错了。

实际上,星星在某个区域内看起来数目比较多的现象,并不真的

是分布比较集中,而是星星在这个方向上分布得深远些。在沿银

河伸展的方向上,星星一直伸展到目力(在望远镜的帮助下)所

及的边缘,而在其他方向,星星并不伸展到视力的界限;在它

们的后边,几乎是空虚无物的空间。

沿银河伸展的方向看去,就好像在密林里向远处张望,看到

的是许多重叠交织的树枝树干,形成一片连续的背景;而沿其他

方向,则能看到一块块空间,正如我们在树林里面,透过头上的

枝叶,可以看见一块块的蓝天一样。

可见,这一大群星体在空间里占据了一个扁平的区域;在银

河平面内伸向很远的地方,而在垂直于这个平面的方向上,相对

说来范围并不那么远。太阳只不过是银河中无足轻重的一员。

经过几代天文学家们的仔细研究,已得到了结论说,银河包含

有大约 40 000 000 000 颗恒星,它们分布在一个凸透镜形的区域


* 星云一般是稀薄的气体和尘埃在宇宙空间中形成的不规则巨团。——译者

237

20&世纪科普经典特藏 从一到无穷大


内,直径有 100 000 光年左右,厚度在 5000~10 000 光年上下。

我们还得知,太阳根本不处在这个大星系的中心,而是位于靠近

外缘的部分。对我们人类的自尊心来说,这可真是当头一棒啊!

我们想用图 111 来告诉读者们,银河这个由恒星组成的大蜂

窝看起来是什么样子。顺便提一下,银河在科学的语言中应该用

银河系这个名称来代替。图中的银河系是缩小了 1 万亿亿倍的。

而且,代表恒星的点也比 4 百亿少得多,这当然是出自印刷角度

的考虑。


图 111 一位天文学家在观察银河系。银河系被缩小了

100 000 000 000 000 000 000 倍。太阳的位置大致就在天文学家的头部

这个由一大群星星所组成的银河系,它的最显著的一个性质,

就是它也和我们这个太阳系一样,处于迅速的旋转状态中。就像

238

第十章 不断扩展的视野


水星、地球、木星和其他行星沿着近于圆形的轨道绕太阳运行一

样,组成银河的几百亿颗星也绕着所谓银心转动。这个旋转中心

位于人马座的方向上。因为在你顺着天河跨过天空的方向找去

时,会发现它那雾濛濛的模糊外形在接近人马座时变得越来越

宽,这表明你现在望见的正是这个凸透镜状物体的中心部分(图

111 中的那位天文学家正是朝这个方向看去的)。

银心看起来是个什么样子呢?我们现在还不知道,因为这一

部分不幸被浓云一般暗黑的星际悬浮物质所遮盖了。事实上,如

果观察人马座区域中银河变厚的那一部分&①,你起初会认为这条

神话中的河分成两支“单航道”。但这种分汊并不是真实情况,

这种印象是由悬浮在我们和银心之间的星际尘埃和气体的暗云块

造成的。它不同于银河两侧的黑暗区,那些暗区是空间的暗黑背

景,而这里却是不透明的黑云。在中间那片黑云上可看到的几颗

星星,其实是位于我们和黑云之间的(图 112)。


图 112 向银心看去,给人的感觉是这条神话中的河分成两汊

看不到这个神秘的、连太阳都绕着它旋转的银心以及其他数

十亿个恒星,当然是件太憾事。不过,通过对散布在银河之外的

其他星系的观察,我们也能够大致判断出我们这个银心的样子。

在银心中,并没有一个像我们这个行星系中的太阳一样的超级巨

星在控制着星系的所有成员。对其他星系的研究(以后我们要讲


① 这种观察在初夏的晴夜进行最为有利。

239

20&世纪科普经典特藏 从一到无穷大


到)表明,它们的中心也是由许多恒星组成的,不过这里的恒星

要比太阳附近的边缘地区拥挤得多就是了。如果把行星系统比做

由太阳统治着的封建帝国,那么,银河系就像是一个民主国家,

有一些星星占据了有影响的中心位置,其他星星则只好屈尊于外

围的卑下社会地位。

如上所述,所有的恒星,包括我们的太阳,统统在巨大的轨

道上围绕银心而运转。可是,这是怎么证明出来的呢?这些星星

的轨道半径有多大呢?绕上一周需要多长时间呢?

所有这些问题,都由荷兰天文学家欧尔特(Jan Hendrik Oort)

在几十年前作出了回答。他使用的观察方法与哥白尼用以考察太

阳系的方法很相似。

先看一看哥白尼的思考方式。古代巴比伦人和埃及人,以及

其他古代民族,都注意到木星、土星一类大行星在天空运行的奇

特路线。它们似乎先是顺着太阳行进的方向沿着椭圆形轨道前

进,然后突然停下来,向后走一段,再折回来朝原来的方向行进。

在图 113 下部,我们画出了土星在两年时间内的大致路线(土星

运转周期为 29.5 年)。过去,出于宗教偏见把地球当作宇宙的中

心,认为所有行星和太阳都绕着地球旋转,对于上面这种奇怪的

运动,只好用行星轨道是一圈一圈的环套连成的假设来进行解

释。

但是,哥白尼的目光却敏锐得多。他以天才的思想解释道:

这种神秘的连环现象,是由于地球和其他各行星都围绕太阳作简

单圆周运动的结果。看看图 113 的上部,这种解释就好理解了。

图的中心是太阳,地球(小一些的那个球)在小圆上运动,

土星(有环者)以相同的方向在大圆上运转。数字 l,2,3,4,

5 标出了地球和土星在一年中的几个位置。我们要记住,土星的

运行比地球慢许多。从地球各个位置上引出的那些垂直线是指向

某一颗固定恒星的。从地球的各个位置向相应时刻的土星上引连

线,我们看出这两个方向(指向土星和固定恒星)间的夹角先是

240

第十章 不断扩展的视野



图 113

增大,继而减小,然后又增大。因此,那种环套式行进的表面现

象并不意味着土星运动有任何特别之处,只不过是我们在本身也

在运动着的地球上观测土星时的角度不尽相同罢了。

欧尔特关于银河系中恒星作圆周运动的论点,可从图 114 弄

明白。在图的下方,可以看到银心(有暗云之类的东西),环绕

中心,整个图上都有恒星。三个圆弧代表着距中心不同距离的恒

星轨道,中间的那个圆表示太阳的路线。

我们来看八颗恒星(以四射的光芒标出,以别于其他恒星),

其中的两颗与太阳在同一轨道上运动,一颗超前一些,一颗落后

一些;其他的恒星,或者轨道远一些,或者近一些,如图 114 所

示。要记住,由于万有引力的作用,外围恒星的速度比太阳小,

内层恒星的速度比太阳大(图上用箭头的长短表示)。

这八颗恒星的运动情况,从太阳也就是从地球上看来,是怎

样的呢?我们这里所指的是恒星沿观察者视线方向的运动,这可

241

20&世纪科普经典特藏 从一到无穷大



图 114

以根据多普勒效应&①很容易地看明白。第一点,与太阳同轨道同速

度的两颗恒星(标以D和E的两颗)显然相对于太阳(或地球)

是静止的。这一点也适用于与太阳处于同一半径上的两颗(B和

G),因为它们与太阳的运动方向平行,在观测方向没有速度分

量。处于外围的恒星A和C又如何呢?因为它们都以低于太阳运

动的速度运行,从图上可以清楚地看出,A 会逐渐落后,C 会被

太阳赶上。因此,到 A 的距离会增大,到 C 的距离会减小,而从

这两颗恒星射来的光线则会分别显示多普勒红移效应和紫移效

应。对于内层的恒星 F 和 H,情况正好相反,F 会表现出紫移效

应,H 会表现出红移效应。

假定刚才所描述的现象是仅仅由于恒星的圆周运动所引起的,

那么,如果恒星确实有这种运动,我们就不仅能证明这种假设,

还能计算出恒星运动的轨道和速度来。通过搜集天空中各颗恒星

的视运动的资料,欧尔特证明了它所假设的红移和紫移这两种多

普勒效应确实存在,从而确凿地证明了银河系的旋转。


① 见第 314 有关介绍多普勒效应的部分。

242

第十章 不断扩展的视野


同样也能够证明,银河系的旋转也会影响到各恒星沿垂直于

视线方向的视速度。尽管精确测定这个速度分量要困难得多(因

为远处的恒星哪怕具有很大的线速度,也只能产生极小的角位

移),这种现象也被欧尔特和其他人观察到了。

精确地测定出恒星运动的欧尔特效应,我们就能够求出恒星

轨道的大小及运行周期。现在已经知道,太阳以人马座为中心的

运行半径是 30 000 光年,这相当于整个银河系半径的三分之二。

太阳绕银心运行一周的时间为两亿年左右。这当然是段很长的时

间,不过要知道,我们这个银河系已有 50 亿岁了;在这段期间

内,我们的太阳已带着它的行星家族一起转了 20 多圈。如果照地

球年这个术语的定义,把太阳公转一周的时间称为“太阳年”,

我们就可以说,我们这个宇宙只有 20 多岁。在恒星的世界上,事

情的确是发生得很缓慢的,因此,用太阳年作为记载宇宙历史的

时间单位,倒是颇为方便的。

三、走向未知的边界

前面已经提到过,我们这个银河系并不是唯一的在巨大的宇

宙空间飘浮的、孤立的恒星社会。望远镜的研究已经在空间深

处揭示出了许多巨大的系统,它们和我们这个太阳所属的星群很

相似。距我们最近的一个是著名的仙女座星云,它可直接用肉眼

看到。它的样子是一个又小又暗的相当长的模糊形体。图版Ⅶ的

a 和 b 是用威尔逊山天文台的大望远镜所拍摄到的两个这样的天

体,它们是后发座星云的侧观和大熊星座星云的正观。可以注意

到,它们有典型的旋涡结构,而在总体上构成了和我们这个银河

系一样的凸透镜形,因此这些星云被称为“旋涡状星云”。有许

多证据表明,我们的这个银河系也是这样一个旋涡体。当然,要

从内部来确定这一点是件很困难的工作,但我们还是了解到,太

阳非常可能位于我们这个“银河大星云”的一条旋涡臂的末端

上。

243

20&世纪科普经典特藏 从一到无穷大


在很长一段时间内,天文学家们并未意识到这类旋涡星云是

与我们这个银河系相类似的巨大星系,却把它们和一般的弥散星

云混为一谈,后者是散布在空间中的微尘所形成的巨大云状物,

如悬浮在银河内恒星之间的猎户座星云。但是,人们后来发现,

这些看起雾濛濛的旋涡状天体根本不是尘埃和雾气。使用最高倍

的望远镜,可以看到一个个小点,这证明它们是由单独的恒星组

成的。只过它们离我们太远了,无法用视差法求出距离来。

看来,我们量度天体距离的手段好像是到此为止了。但是,

不!在科学研究中,当我们在某个无法克服的困难前面停止下来

时,耽搁往往只是暂时的;人们总是有新的发现,从而使我们再

前进下去。在这里,哈佛大学的天文学家沙普勒(Harlow Shap-

ley)又找到了一根新式的“量天尺”——所谓脉动星或造父变

星&①。

天上星,难数清。大多数星星宁静地吐着光辉,但有一些星

星,它们的光度则有规律地发生明暗的变化。这些巨大的星体像

心脏一样规则地搏动着,它的亮度也随着搏动而进行周期性变

化&②。恒星越大,脉动周期越长;这就像钟摆越长,摆动就越慢

一样。很小的恒星(就恒星而论)几小时就完成一个周期,巨星

则需要很多年。而且,既然恒星越大就越明亮,因此,造父变星

的脉动周期与平均亮度之间一定存在着相互关系。通过观测离我

们相当近、因而能够直接测出距离和绝对亮度的仙王座造父变

星,这种关系是可以确定下来的。

如果我们发观了一颗脉动星,它的距离超出了视差法的量程,

那么,我们只要从望远镜里观测它的脉动周期,就能知道它的真

实亮度,再把它与视亮度对比,就可以立即知道它的距离。沙普

勒就是用这种机敏的方法,成功地测出了银河内的极远距离,并

有效地估计出我们这整个星系的大小。


① 这种星的脉动变化现象是首先在仙王座的&β&星(造父一)上发现的,因而就以此命名。

② 不要和交食变星、即两个互相围绕对方转动的恒星的周期性掩食现象相混。

244

第十章 不断扩展的视野


当沙普勒用这种方法来测量仙女座星云中的几颗脉动星时,

所得到的结果使他大吃一惊:从地球到这几颗恒星的距离——这

当然也就是到仙女座星云本身的距离——竟达 1 700 000 光年。这

就是说,它比银河系的直径还要大得多。仙女座星云的体积原来

只比我们这个银河系略小一些。本书图版Ⅶ上的两个旋涡状星云

还要更远,它们的直径也和仙女座星云不相上下。

这个发现宣判了原先那种认为旋涡状星云是银河系内的“小

傢伙”的观点的死刑,并确立了它们作为类似于银河系的独立星

系的地位。如果在仙女座星云中数以亿计的恒星当中,有一颗恒

星所属的行星上有“人类”存在,那么,他们所看到的我们这个

银河系的形状,就和我们现在看他那个星系的形状差不多一样。

对此,天文学家现在已不再有什么怀疑了。

由于天文学家们,特别是著名的星系观测家、威尔逊天文台

的 E. 哈勃(Edwin Powell Hubble)的探索,这些遥远的恒星社团

已向我们披露了许多有趣而重要的事实。第一点,由强大的望远

镜所观测到的为数众多——比用肉眼能看到的星星还多——的星

系并不都是旋涡状的,而且种类还不少。有球状星系,它看起来

像个边界模糊的圆盘;有扁平程度各不相同的椭球状星系;即使

是旋涡状的,其“绕卷的松紧程度”也有所不同。此外,还有形

状奇特的“棒旋星系”。

把观测到的这各种星系类型排列起来,得到一个极为重要的

事实(图 115):这个序列可能表示了这些巨大星系的各个不同的

演化阶段。



图 115 银河系在正常进化中各个阶段

245

20&世纪科普经典特藏 从一到无穷大


关于星系演化的详细过程,我们还远远没有达到了解的地步,

不过,演化很可能是由于不断收缩而造成的。大家都知道,当一

团缓慢旋转的球状气体逐步收缩时,它的旋转速度会加快,形状

也随之变为椭球体。当收缩到一定阶段,即当椭球的极轴半径与

赤道半径的比值达到 7/10 时,就会在赤道上出现一道明显的棱,

成为凸透镜状的物体。再进一步收缩,旋转的气体物质就会沿棱

圈方向散开,在赤道面上形成一道薄薄的气体帘幕,同时整团气

体仍大体保持着透镜形状不变。

英国著名物理学家兼天文学家金斯(James Hopwood Jeans)

从数学上证明了上面这些说法对于旋转的球状气体是成立的。同

时,这种论述也可以原封不动地应用到星系这类巨大的星云上

去。事实上,让单个恒星扮演分子的角色,我们就可以把这样密

集在一起的亿万颗恒星看成一团气体了。

把金斯的理论计算和沙普勒对星系的实际分类对照一下,就

会发现两者完全吻合。具体地说,我们已发现,所观测到的最扁

平的椭球状星云,其半径之比为 7/10(E7);而且这时开始在赤

道位置上出现明显的棱圈。至于演化后期出现的旋臂,显然是由

迅速旋转时被甩出的物质形成的。不过,迄今为止,我们还不能

非常圆满地解释为什么会出现这种臂,它们是怎样形成的,以及

造成普通旋臂和棒型旋臂的差别的原因。

对这些星系的构造、运动和各部分组成的了解,还需要做许

多研究工作。例如,有这么一个有趣的现象:前几年,威尔逊山

天文台的天文学家巴德(Walter Baade)指出,旋涡状星云的中心

部分(核)的恒星和球状,椭球状星系的恒星属于同一种类型,

但是在旋臂内部出现了新的成员。这种“旋臂型”成员因其又热

又亮而和中心部分的成员不同,是所谓“蓝巨星”。在旋涡星系

的中心部分和球状、椭球状星系的内部找不到这种恒星。以后

(在第十一章)我们将看到,蓝巨星极可能表示新诞生不久的恒

星,因此,我们有理由认为,旋臂是星空新成员的产房。可以假

246

第十章 不断扩展的视野


设,从正在收缩的椭球状星系那膨胀的“腰部”甩出来的物质,

有一大部分是气体,它们来到寒冷的星际空间后,就凝缩为一块

块巨大的天体。这些天体以后又经收缩,变得炽热而明亮。

在第十一章中,我们还要再回过头来探讨恒星的产生和经历。

现在,我们应该考虑一下星系在广大宇宙空间内的大致分布。

先得说明一点:通过观测脉动星来测量距离的方法,在用来

判断银河附近的一些星系时得到了极好的结果。然而,当进入空

间的更深处时,这种方法就变得很不灵了,因为这时的距离已大

到即使用最强大的望远镜也不能分辨出单个星星的程度。这时所

看到的整个星系只不过是一团小小的长条星云。在这种情况下,

我们只能凭所见到的星系的大小来判断距离,因为星系并不像单

个恒星那样大小有别,同一类型的星系是同样大小的。如果所有

的人都是一样高矮,既无侏儒,又无巨人,你就总是可以根据一

个人的视大小来判断出他的远近。这两者是同样的道理。

哈勃用这种方法估计了远方的星系,他得出了在可见(用最

大倍率的望远镜)的空间范围内,星系或多或少均匀地分布的结

论。我们说“或多或少”,是因为在许多地方,星系成群地聚集在

一起,有时竟达上千个之多,就好像许多恒星聚成银河系那样

挤在一起。

我们的这个星系——银河系——看来显然是属于一个比较小

的星系群的,它的成员包括 3 个旋涡状星系(包括银河系和仙女

座星云)、6 个椭球状星系及 4 个不规则星云(其中有两个是大、

小麦哲伦星云)。

不过,除了这种偶而存在的群聚现象外,从帕洛马山天文台

的 200 英寸望远镜看去,星系是相当均匀地散布在 10 亿光年的可

见距离内的,两个相邻星系的平均距离为 500 万光年,在可见的

宇宙地平线上,包容有几十亿个恒星世界!

如果还采用前面用过的比喻,把帝国大厦看作细菌那么大,

地球是颗豌豆,太阳是个南瓜,那么,银河系就是分布在木星轨

247

20&世纪科普经典特藏 从一到无穷大


道范围内的几十亿个南瓜,而许许多多这样的南瓜堆又分布在半

径略小于从地球到最近的恒星这样一个球形空间内。是啊!实在

难找出一种表示宇宙间各种距离所成比例的尺度来啊!瞧,即使

把地球比成一颗豌豆,已知宇宙的大小还是个天文数字!我们试

图用图 116 告诉大家,天文学家们是如何一步步地勘测宇宙的:

从地球开始到月亮,然后是太阳、恒星,然后是遥远的星系,一

直到未知世界的边界。

现在,我们准备来解答宇宙的大小这个根本问题。宇宙是无

限伸展的?还是有限的(虽然相当大)体积?随着望远镜越制越

大,越造越精密,我们探询的目光到底是总能发现一些新的、未

被勘查过的空间呢,还是与此相反,我们终将至少在理论上审视

到最后一颗恒星呢?

当我们说宇宙可能是有“确定大小”的时候,当然并不是想

告诉大家,在远到几十亿光年的地方,人们会碰到一堵大墙,上

面写着“此路不通”的字样。

事实上,我们在第三章里已经讲过,空间可以是有限而没有

边界的。这是因为它可以是弯曲的,并且“自我封闭”起来。这

样,一位假想中的空间探险家,尽管他笔直地驾驶着飞船,却会

在空间描出一条短程线,并回到他出发的地方来。

这当然就像是一个古希腊探险者, 从他的家乡雅典城出发一

直向西走,结果在走了许久之后,却发现自己从东门进了这座城

一样。

正如同我们无需周游世界,只凭在一块相对来说很小的部位

上搞搞几何测量,就可以测定地球的曲率一样,我们也可以在现

有望远镜的视程内,测定出宇宙三维空间的曲率。在第五章中,

我们曾看到,有两种不同的曲率:相应于有确定体积的闭空间的

正曲率,和相应马鞍形无限开空间的负曲率(参看图 42)。这两

种空间的区别在于:均匀散布在闭空间内的物体,其数目的增长

慢于距离的立方;而在开空间内则恰恰相反。

248

第十章 不断扩展的视野



图 116 勘测宇宙的里程碑距离是用光年表示的

宇宙空间内“均匀散布的物体”就是各个星系。因此,要想

解决宇宙曲率的问题,只需统计不同距离内单个星系的数目就行

了。

哈勃曾作了这种实际统计,他发现,星系的数目很可能比距

离的立方增长得慢一些,因此,宇宙大概是个有确定体积的正曲

249

20&世纪科普经典特藏 从一到无穷大


率空间。不过一定要记住,哈勃所观察到这种效应非常不显著,

只是在威尔逊山上那架 100 英寸望远镜视线的尽头才刚刚有所觉

察。至于用帕洛马山上那架新的 200 英寸反射式望远镜在最近进

行的最新观测,还没有对这个重大问题作出更明确的答复来。

现在还不能对宇宙是否有限这个问题作出肯定回答的原因还

在于:远处星系的距离只能靠它们的视亮度来确定(根据平方反

比定律)。使用这个方法,需要假设所有的星系都具有同样的亮

度。然而。如果星系的亮度随时变化(即与年代有关),就会导

致错误的结论。要知道,通过帕洛马山望远镜所看到的最近的星

系,大多都在 10 亿光年的远处,因此我们看到的是它们在 10 亿

年前的状况。如果星系随着自己的衰老而变暗(大概是由于有些

活动的恒星成员熄灭所致),那就得对哈勃的结论进行修正。事

实上,只要星系的光度在 10 亿年里(它们寿命的 1/7 左右)改

变一个很小的百分数,就会把宇宙有限这个结论颠倒过来。

因此,大家都看到了,为了确定我们的宇宙到底是有限的还

是无限的,还有许许多多的工作等待我们去做哩!


250


在线阅 读网:http://wWw.yuedu88.com/