物理欣赏(广工选修论文)

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天文学的三次历史飞跃及启示

摘要：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．

关键词：开普勒定律、赫罗图、哈勃定律

1 行星层次——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．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高精确度的资料，接着是开普勒，他在处理、分析第谷的资料中，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．这里以这段历史为典范阐明一些天文研究的规律：

第一，牛顿利用了天体运行上所“演出”的“实验”，总结出了物理（力学）规律．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，使天文学从单纯探讨天体运行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．

第三，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．

2 恒星层次——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——赫罗图，使我们对恒星世界的认识产生了从现象到本质的飞跃．

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．横坐标正比于恒星表面温度的对数，纵坐标正比于恒星光度的对数．在图中的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．

这个模型还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．这一理论模型对自然界的两个基本现象作了简单、统一．

这种“元素合成”理论算出的，除氢和氦外，元素的“丰度”与实测相符．但氢和氦之比存在着矛盾．

3 星系层次——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，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．

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．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，星系弥散很大，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”．

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．