1.行星的誕生對於我們這些居住在七大洲（包括南極洲）上的人來說， “實地”這個詞可以說是穩固的同義語。當我們勘看我們所熟悉的地球表面時，無論是大陸還是海洋，山脈還是河流，它們都象是自開天辭地以來就存在著似的。當然，古代的地質學資料表明，大地的表面一直處於不斷的變化之中：陸地的大片面積可能被海洋淹沒，海底也可能升出水面；古老的山脈會被雨水逐漸沖刷成平地，新的山系也會由於地殼的變動而不時產生。不過，這些變化僅僅是我們這個星球的固體外殼發生了變動而已。 然而，我們並不難看出，地球曾有過一段根本沒有地殼的時代。那時候，地球是一個發光的熔岩球體。事實上，根據對地球內部的研究得知，地球的大部分目前仍然處於熔融狀態。 我們不經意地說出來的“實地”這個東西，實際上只是飄浮在岩漿上面的一層相對說來很薄的硬殼而已，要得出這個結論，最簡單的方法就是測量地球內部各個深度上的溫度。測量結果表明，每向下一千米，地溫就上升30°C左右（或每向下行一千英尺，“上升16°）。正因為如此，在世界最深的礦井 （南非的羅賓遜深井）裡，井壁是如此之燙，以至必須安裝空氣調節裝備，否則礦工們就會被活活烤熟。 按照這種增長率，到了地下五十公里的深度，也就是還不到地球半徑的百分之一處，地就會達到岩石的熔點（1200一 • 264+ 中
1800七）。在這個深度以下，地球質量的百分之九十七強都以完全熔融的狀態存在。 顯然，這種狀態決不會永遠持續不變。我們現在所觀察到的，不過是從地球曾經是一個完全熔融體的過去起、到地球冷卻成一個完全固體球的遙遠將來為止這樣一個逐漸冷卻的過程的某個階段，由冷卻率和地殼加厚速率粗略計算一下，可以得知，地球的冷凝過程一定還在幾十億年前就開始了。 透過估算地殼內岩石的年齡，也得到了同樣的資料。乍一看來，岩石好象並不包含有改變的因素，因此，人們才常用 “不渝如石”這句成語。但在實際上，許多種岩石中都有一種天然鍾，依靠它們，有經驗的地質學家可以判斷出這些岩石自熔融狀態凝固以來所經過的時間。 這種揭露岩石年齡的地質鍾就是微量的鈾和釷。在地面和地下各個深度的岩石裡，常常會有它們的蹤跡。在第七章裡我們看到過，這些原子會自發進行緩慢的放射性衰變，並以生成穩定的元索鉛而告終， 為了確定含有這些放射性元素的岩石有多大年齡，我們只要測出由於長期放射性衰變而積累起來的鉛元素的含量就行了。 事實上，只要岩石處在熔融狀態下，放射性衰變的產物就會因擴散和對流作用而離開原處。一旦岩石凝固以後，放射性元素所轉變成的鉛就會開始積累起來，其數量可以準確地告訴我們這個過程持續的時間。這種情況就和間諜從亂扔在太平洋兩座島嶼上棕潤林裡的空啤酒罐頭盒的數目，”就可以判斷出一隻敵人艦隊在這個地方駐紮過多長時間一樣。 近來，人們又應用經改進過的技術，精確地測定了岩石蟲的鉛同位素及其他不穩定同位素（如銣87 和鉀40）的衰變產物的積累量，由此算出最古老的岩石約存在了四十五億年。因 • 265
此，我們的結論是：地殼一定是在大約五十億年前由熔岩凝成的。 因此，我們能夠想象出，地球在五十億年前是一個完全熔融的球體，外面環繞著稠密的大氣層，其中有空氣和水蒸療， 可能還有其他揮發性很強的氣體。 這一大團熾熱的宇宙物質又是從哪裡來的呢？是什麼樣的力決定了它的形成呢？這些有關我們這個星球和太陽系內其他星球起源的問題，是字宙論（有關字宙起源的理論）的基本課題，也是多少世紀以來一直縈繞在天文學家頭腦中的一個謎。 1749年，著名的法國博物學家布豐首次試圖用科學辦法來解答這些問題。布豐在他的四十四卷鉅著《自然史》中提出，行星系統是由星際空間闖來的一顆彗星和太陽相撞的結果。他的想象力生動地為人們描繪出了這樣的情景：一顆拖著明亮長尾巴的“司命彗星”從當時現零零的太陽的邊緣上擦過，從它的巨大形體上撞下一些“小團兒”，它們在衝擊力的作用下進人空間，並開始自轉起來（圖117a）。 幾十年後，德國著名哲學家康德（Immanui Kant）提出了一個截然不同的觀點。他認為各行星是太陽自己創造的， 與其他天體無關。康德設想，早期的太陽是—個較冷的巨大氣體團，它佔據了目前的整個行星系空間，並繞自己的軸心援慢轉動。由於向四周空間進行輻射，這個球體逐步冷趣，從而使它自己一步步進行收縮，旋轉的速度也隨之加快，結果，由旋轉產生的離心力也隨之增大，從而使這個處在原始狀態的太陽不斷變扁，最後沿不斷擴張的赤道面噴射出一系列氣體環（圖117）。普拉多（Plateau）曾做過物質團旋轉時形成圓環的經典實驗：他使一大滴油（不象太陽的情況那樣是氣體） 懸浮在與油的密度相同的另一種液體裡，用一種附加機械裝 • 265
^ 置使油滴旋轉。當旋轉速度達到某個限度時，油滴外圍就會形成油環。康德假定，太陽以這種方式形成的各個環，後來又由於基種原因斷裂開來，並集中成為各個行星，在不同的距離上繞太陽運轉。 圖117 宇宙論的兩種學派 2．布豐的碰撞說； b．康德的氣體環說後來，這些觀點被著名法國數學家拉普拉斯（Pierre-Simon, Marguis de Laplace）所採納和發展，並於1796年發表在 《對世界系統的解釋》一書中。拉普拉斯是一位卓越的數學家，然而在這本書裡，他沒有使用數學工具，僅就太陽系形成的理論作了半通俗化的定性論述。 六十年後，英國物理學家麥克斯韋（Clerk Maxweil）首次試圖從數學上說明康德和拉普拉斯的宇宙學說。這時，他遇到了明顯而無法解釋的矛盾。計算表明，如果太陽系的這幾個行星是由原來均勻散佈在整個太陽系空間內的物質所形成的，這些物質的密度可是太低了。根本無從憑藉彼此間的萬 • 267
有引力聚成各個行星。因此，太陽收縮時甩出的圓環將永遠保持著這種狀態，就象土星的情況那樣。大家知道，土星的外園有一個環，那是由無數沿回形軌道繞土星運轉的小微粒組成的，我們看不出它們有“凝縮”成一個固體衛星的傾向。 要想擺脫這種困境，唯一的出路是假設初始態的太陽所丟擲的物質要比現在行星所具有的物質多得多（至少多一百倍），這些物質中的絕大部分後來又回到太陽內，只有不足百分之一的一部分留下來，成為各個行星。 然而，這種假設也會導致新的矛盾，這個承盾的嚴重性並不亞於原先的一個。這就是：如果這一大部分物質—一它們當然具有與行星運動相等的速度—確實落到太陽上，必然會使太陽自轉的角速度變為實際速度的五幹倍。那麼，太陽就不會象目前這樣每四個星期自轉一週，而是一個鐘頭轉上七圈了。 上述考慮看來已宣判了康德-拉普拉斯假說的死刑，因此，天文學家們充滿希望的目光又轉向別的地方。在美國科學家錢伯忪 （Thomas Chrowder Chamberlin）、摩耳頓（Forest Ray Moul:oa）、以及著名英國科學家金斯的努力下，布豐的碰撞說又復活了。當然，隨著科學知識的不斷增長，對布豐原有的觀點所涉及的基本知識作了一定的修改。與太陽相撞的那顆彗星被擯棄了，因為這時人們已經知道，彗星的質量小到即使與月亮相比也微不足道的地步。這一回，假設的進犯者是大小和質量都與太陽相當的另一顆恆星。 但是，這個再生的碰撞假說，雖然避開了康德-拉普拉斯假說的根本性困難，它自已卻也難以立足。人們很難理解： 為什麼一顆恆星與太陽猛烈相碰時，磕出來的各個小塊物質都沿著近於圓形的軌道運動，而不是在空間中貓繪出一些拉再很長的橢圓軌道泥？ • 268
F 為了挽救這個失敗，人們又只好假設，在太陽受到恆星衝擊而形成行星的時候，它的周匿包圈著一層旋轉著的均勻氣體，在這種氣體包層的作用下，細長的橢圓執道就變成了正圓形。但是，在行星執行的這一片區域內，目前並未發現這種介質。因此，人們又得假設，這些介質後來逐漸散人星際空間， 目前人們在黃道附近看到的微弱的黃道光，就是這種往日的光輪的殘餘。這麼一來，就得到了一個雜交的理論，其中既宵康德-拉普垃斯的原始氣體展假設，又有布豐的磁撞假設。這個假說也不能完全令人滿意。但正如俗語所說，“兩書相權取其輕”，碰撞假設就這樣被接受為行星起源的正確學說，直倒” 不久以前還出現在所有科學論文、教科書和通俗小冊子中（包括我白己的兩本書《太陽的生與死》和《地球官傳》在內）。 直到1943年秋，才有位年輕的德國物理學象魏扎克 （Carl Friedrich von Weizsacker）把這個行星起源理論中的嫩結解開。魏扎克根據最新的天文研究資料指出，康德-拉普拉斯假設中所有的那些阻礙都很容易消除，關於行星起源的詳細理論是可以建立起來的，行星系的許多迄今為止未被原有理論接觸到的重要方面也得到了解釋。 魏扎克的主要論點是建立在最近幾十年中天體物理學家們完全改變了他們對宇宙化學成分的看法這一基礎之上的。 過去，人們普遍認為，太陽和其他一切恆星的化學成分的百分比與地球相同。對地球進行的化學分析告訴我們，地球主要是由氧（以各種氧化物的形式）、佳、鐵和少量其他重元素組成的，而氫、氮（還有氛、氬等所謂稀有氣體）等較輕的氣體在地球上只以很少的數量存在”。 1）在我們這個行星上，絕大部分的氫以它的氧化物—-水—-一的形式存在。 大家知道，水雖然量蓋了地球表面3/4的面積，但其質量與地球總質發相比懸很小的。 •2¢9•
當時，由於天文學家們沒有其他更好的證據，只好假設這些氣體在太陽和其他恆星內也是非常稀少的。然而，透過對天體結構所進行的詳細理論研究，丹麥天體物理學家斯特勞姆格怵（B•Stromgren）下結論說，上述假設大謬不然。事實上，太陽的物質中至少有百分之三十五是氫元素。後來，這個比例又增至百分之五十以上。此外，還有佔一定百分比的純氦，對太陽內部所進行的理論研究（這在史瓦西的重要著作中達到了登峰造極的地步）也好，對太陽表面所進行的精密光. 譜分析也好，都使天體物理學家們作出令人驚訝的結論說，在地球上晉遍存在的化學元素，在太陽上只佔百分之一左右，其餘都為氫和氮所分佔，前者稍稍多一些。顯然，這個分析也同樣適用於其他恆星。 人們還進一步知道，星際空間並非真空，而是充斥著氣體和微塵的混和物，平均密度為每1,000,000立方英里1毫克上下。顯然，這種瀰漫的、極其希薄物質具有與太陽及共他恆. 星相同的化學成分儘管這種物質的密度低得難以令人置信，它的存在是， 很容易得到證明的。因為，從遙遠恆星發來的光，在進人我們的望遠鏡之前，要走過幾十萬光年的空間，這就足以產生可以察覺的吸收光譜了。由這些“星空吸收譜線”的強度和位置， 可以相當滿意地計算出這些瀰漫物質的密度，並判斷出它們幾乎完全是由氫（可能還有氮）組成的。事實上，那各種“地球物質”的微塵（直徑在0.001毫米左右），還佔不到總質量的百分之。 現在，讓我們回到魏扎克的基本論點上來。我們說，對半物質化學成分的最新知識是言接有利於康德-拉普拉斯假說的。事實上，如果太陽外圍原有的氣體包層是由這種物質組成的，那麼，其中就只有一小部分，即較重的那些地球元素，能 •27①！- 用於構成地球和其他行星，其餘那些不凝的氫氣和銀氣，必定、 以某種方式與之分離，要嘛落到太陽上去，要嘛逸散到星際空間之中。我們在前面已經說過，第一種情況會使太陽獲得很高的自旋速度，所以，我們就應該接受第二種說法，即當 “地球元素”形成各個行星以後，氣態的“剩餘物資”就擴散到空間中去了。 這種觀點為我們提供了行星系形成的如下圖景：當太陽. 由星際物質凝聚生成時（見下一節），其中—大部分物質，大約有現在行星系總質量的一百倍，仍留在太陽之外，形成一個目大的旋轉包層。（產生旋轉的原因很明顯是由子星際物質向原始太陽集中時，各部分的旋轉狀態不同所造成的。）這個迅速旋轉的包層由不凝的氣體（氫、氮和少量其他氣體）以及各種地球物質的塵粒（如鐵的氧化物、矽的化合物、水汽和冰晶等）組成，後者被包含在前者之內，並隨之一道旋轉。大塊的 “地球物質”，也就是各行星，一定是塵粒互相碰撞並逐步會聚的結果。在圖118中，我們表示出了以隕星的速度進行碰撞所造成的後果。 在邏輯推理的基礎上，可以得出結論說，如果兩質量相近的微粒以這種速度相撞，當然會雙雙粉身碎骨（圖1188）， ｛ 118！ 271¢
它們非但沒有增大，反而變得更小了。與此相反，如果一塊小的與一塊很大的相撞（圖118b），顯然小的一塊會埋人大塊之內，形成一塊稍大一些的新物休。 很明顯，這兩種過程的進行將使小顆的微粒逐步減少，並形成大塊物體。越到後來，物體塊就越大，越能憑藉自己的萬有引力把周圖的微粒拉來與自己合併，這個過程也就越加速進行。圖118c畫出了大塊物體的俘獲效應增強的情況。 魏扎克曾證明，在當今行星系所佔據的空間裡，那些原來遍佈各處的細微塵粒，能夠在凡億年的時間內會聚成幾團豆， 大的物質——行星。 當這些行星在統太陽行進的路上吞併大大小小的宇宙物質而長大的時候，表面一定會由於這些新成員的持續轟炸而變得很熱。然而，一旦這些星際微塵、石粒和巖塊告馨之後， 行星的增長即告終止，表面也就會由於向空間輻射熱量而迅速變冷，從而形成一層固態地殼。隨著行星內部的緩慢冷都， 地充也變得越來越厚。 各種天體理論試圖解釋的另一個重要問題，是各行星與太陽的距離所呈現的特規律【叫做提丟斯-波得（TitusBode）定則了。我們來看看下面列出的那張表，表中所列的是太陽系的九大行星及小行星帶-與太陽的距離。小行星帶然是一群由於特待況而沒有凝聚成大行星的單獨小塊。 表中最後一欄數字特別令人感興趣。這些數字雖然有相當出人，但都和數字2相差不多。因此，我們可以建立這樣一條粗略的規律：每一顆行星的軌透半徑都差不多是前一行星軟道半徑的兩倍。 有趣的是，這條定則也適用於各行星的衛星。例如，下表中所列的土星的九個衛星與土星的距離就證實了這採範律。 •272
' 行星名稱水金星： 感火學小行星帝木星土星天王星海王星冥王星衛星名稱 •. 土衛！ 上 1、 衛四土衛五土六土八望九與太陽的距離 （以日地距離為標準單位） .3R7 0.723 1.004 1.524 2.5左右 5.203 9.534 19.191 30.07 39.52 電土星的距離 （以至產平徑為單位） 3.11 3.99 4.94 6.33 8.84 20.48 24.82 59.68 216.8 終行星與太陽的櫃離同前一行星與太陽距離的比 1.86 1.38 1.32 1.7 1.9z 1.83 2.001 1.56 1.31 相鄰兩顆衛星距離之比 （大數比小數） 1.28 1.24 1.28 •1.39 2.31 1.21 2.40 3.63 •273， ．
在這裡，我們也同太陽系中的情況一樣，遇到了很大的出人（特別是土衛九），但我們仍可堅信，衛星中也存在著同樣的規則分佈。 太陽外圍原有的這些微塵為什麼不形成一個單獨的大行星呢？這些行星又為什麼以這種特殊規律分佈著？ 為了解答這些問題，我們得對微塵的運動作一番較為細緻的瞭解。首先，我們都還記得，一切物體——微塵、隕石、行星等等—一都按牛頓定律沿橢圓形軌道運動，太陽則位於橢圓的一個焦點上。如果形成各行星的這些微塵是些直徑為 0.0001釐米的粒子”，那麼，在開始時一定有數量為10"的粒子在各種大小不同、圓扁度不同的軌道上運動。很清楚，在這種擁擠的交通下，粒子間必定經常發生碰撞。警個系統在這種不斷的撞擊下會逐漸變得整齊些。不難理解，這樣的碰撞嬰不是使“肇事者”粉身碎骨，就必定是迫使它移到不那麼擁擠的路線上去。那麼，這種“有組織的”（至少是部分有組織的）“交通”，是由什麼規律控制的呢？ 對於這個問題，我們先從一群繞太陽公轉而劇期相同的粒子人手。在這些粒子當中；有一些會在一定半徑的圓形軌道上運轉，另一些則在扁長程度不等的橢圓軌道上行進（圖 1198）。現在，我們從一個以太陽為圓心，以粒子公轉週期為週期的旋轉座標系（X，Y）來描述這些粒子的運動。 很清楚，從這種旋轉座標系上進行觀察時，沿圓形軌道運動的粒子1永遠靜止在某一點A'上，而沿橢圓形軌道行進的粒子B，它有時離太陽近，有時離太陽遠；近時角速度大，遠時偉速度小；因此，從勻速旋轉的座標系（X，Y）上看，B有時搶在前頭，有時又落在後面。不難看出，這個粒子從這個座標系 • 1） 這是星際空間瀰漫物質的平均大小。 • 274¢ ' •
圖 119 （a）從靜止座標系上觀察回形和橢回形運動：（b）從旋轉座標系上觀察廚形和橢國形運動看來是在空間描繪出一個封閉的蠶豆形軌跡，在圖119中以 B’表示。另一個粒子C的軌道更為扁長，在座標系（X,Y）上看來，它也描出一個蠶豆形的軌跡，不過要大一些，以C表示。 很明顯，要使這一大群粒子不致相撞，各粒子在勻速旋轉的座標系（X,Y）中所描繪出的蠶豆形軌跡必須沒有相交的可能才行。 我們還記得，具有相同執行週期的粒子，距太陽的平均距離是同的。因此，（X,Y）系中各個粒子軌跡不相交的圖形一定是象一串環繞太陽的“蠶豆項鍊”的樣子。 上面這些分析對讀者來說恐怕是太艱深了些，實際上它所表述的卻是一個相當簡單的過程，目的在於弄消一群與太陽的平均距離相同，因而旋轉週期相同的粒子不致相變的變通路線圖。我們會想到，原先繞太陽執行的那些粒子會有各種不同的平均距離，旋轉週期也隨之不同，因此實際情況還要複雜得多。“蠶豆項鍊”不會只有一串；而是有很多串。這些 •275•
項鍵以不同的速度旋轉著。魏扎克以細密的分析指出，為了達到這樣一個穩定系統，每一條“項鍊”必須包括五個單獨的旋渦狀系統，整個情況看來就是圖120所示的樣子。這種安排可以保證同-條鏈內的“交通安全”。但是，各串項鍊旋轉的速度是各不相同的，因而在兩條“項鍊”相遇的地方一定會有 “交通事故”發生。 在這些作為相鄰鏈環的共同邊界的地區， 大最的相撞必然造成粒子的會聚，因而在這些特定距離上會形成越來越大的物體。因此，隨著每一條鏈內物質的逐漸薄，在邊界地區物質會逐漸積聚，最後就形成了行星。 限 120 在早期的太陽包層中微塵的通道這段對於行星系統形成過的描述，簡單地解釋了行星軌道半徑所呈現出的規律。事實上，只進行簡單的幾何推斷，就能看出在圖120所示的圖樣中，每系鏈子的邊那半徑構成了一個幾何級數，每一項都是前一項的兩倍。我們還能看出為什麼這條規律不是精確成立的，因為事實上，決定這些微出 •276*
的運動的並不是嚴格的定律，而只是不規則運動所會達到的一種傾向而已。 這條規律也同樣適用於太陽系各行星的衛星系統。這種事實表明，衛星的形成基本上也遵循了同樣的途徑。當太陽四周的原始微塵分成各個單獨的粒子群以形成行星時，上述過程在各群粒子中都得到重複：各粒子群中的大部分粒子會集中在中心成為行星體，其餘的部分則會在外圍運轉，並逐漸聚成一群衛星。 在討論這種微塵的碰撞和會聚時，我們不能忘記考慮原來佔太陽包層99%上下的那些氣體成分的去向。這個問題相對地說是很容易回答的。 當微塵碰來碰去、越聚越大時，那些不能加入這個過程的氣體會逐漸彌散到星際空間中去。無黑作很複雜的計算就能求出，這種彌散過程所需的時間約為一億年，這和行星系生成所需的時間差不多。因此，在各行星產生的同時，太陽包層的大部分氫和氫都逃離太陽系，只剩下微乎其微的一部分，這就. 是我們以前提到過的黃道光。 魏扎克理論的一個重要的結論是：行星系的形成並不是偶然的事件，而是在所有恆星周國都必然會發生的現象。而碰撞理論則認為，行星的形成在宇宙歷史中甚為罕見。計算表明，在銀河系的四百億顆星中，在它幾十億年的歷史中， 充其量只能發生幾起恆星相撞的事件。 魏扎克的理論與碰撞理論截然相反。按照他的觀點，每顆恆星都有自己的行星系統。因此，就在我們這個銀河系內， 也一定有數以百萬計的行星，它們的各種物理條件都與地球基本相同。如果在這些“可供居住”的地方竟然不存在生命， 竟然不能發展到最高階段，那才是係事呢？ 事實上，我們在第九章中已經看到，最簡單的生命，如各 • 277、
種病毒，無非是些由碳、綏、氧、氮等原子組成的複雜分子而已。這些元素在任何新形成的行星體表面上都會大量地存在。因此，我們可以確信，一旦固態地殼生成，大氣中大險的水蒸汽降落到地面匯成水域後，遲早總會有一些這類分子在偶然的機綠下由必要的原子按必要的次序生成。當然，這些活分子的結構很複雜，因而偶然形成它們的機率極低，如同靠搖動一盒七巧板，就想正好得到菜個預定圖樣的可能性一樣低。但是另一方面，我們也不要忘記，不斷相撞的原子是那麼多，時間又是那麼長，遲早總會出現這種機會的。我們地球上的生命在地殼形成後不久就出現了，這個事實表明，儘管看起來好線不可能，但複雜的有機分子確實能在幾億年的時間內靠偶然的機會生成。一旦這種最簡單的生命形式在新行星的衣面上誕生，它們的繁值和逐步進化，必將導致越來越複雜的生物體不斷形成”。我們還不知道，在各個“可供居住”的行星上，生命的進化是否也遵循著同地球上一樣的過程。因此，對這些地方的生命進行研究，將使我們對進化過程得到根本的瞭解o 不久的將來，我們會乘“核動力推進的空間飛船”作進一步的琛險旅行，去火星和金星（太陽系中最為“可供居住”的行星）上對它們是否有生命存在進行研究。至於在幾百、幾千光年遠的世界上是否有生命存在，以及那裡的生命存在方式，則恐怕是科學上永遠無法解答的問題了。 2，恆星的“私生活” 對於恆星如何擁有自己的行星家族，我們已有了一定了解，現在該考慮一下恆星本身了。 1）關於地球上生命起源和進化的詳細論述，可參看本書作者的另一本著作地球自傳 • 278• ^
恆星的履歷如何？有關它們的誕生、長期的變化以及最後的結局，詳細情況又是怎樣呢？ 要研究這類問題，我們不妨先從太陽入手，因為它是我們這個銀河系的幾十億顆恆星中很典型的一顆。首先，我們知道，太陽的壽數很高，因為據古生物學的資料米判斷，太陽已經以不變的強度照耀了幾十億年，使地球上的生物得以發展了。 任何普通能源都不可能任這樣長的時間內提供這樣多的能堪，所以，太陽的能量輻射過去一直是科學上最令人惶惑的一個謎。直到不久以前，由於發現了元素的放射性嬗變和人工嬗變，才揭示出這種潛藏在原子核深處的巨大能量。在第七章中我們曾看到，差不多每一種化學元素都可以看作一種潛在的、具有巨大能量的燃料，這些能量會在這些元素達到幾百萬度高溫時釋放出來。 這樣的高溫，在地球上的實驗室裡幾乎是無法獲得的，然而，在星際空間都不足為奇。以太陽為例，它的表面溫度只有 6000°C，但溫度向內逐漸升高，直到中心部分達二千萬度高，這個數字並不難得到，根據測得的太陽表面溫度和已知的太陽氣體的熱傳導性質就可以求出。這正象我們知道了一個熱土豆的表皮有多熱，又知道士豆體的熱傳導係數，就可以推算出它內部的度，而無需把它切開一樣。 把已知的太陽中心溫度和各種核遭變的具體情況結合起米考慮，我們就能得知太陽內部放出的能量是由哪些反應造成的。這些重要的反應叫”碳迴圈”，是兩個對天體物理學感興趣的核物理學家貝蒂（Hans Albrecht Bethe） 和魏扎克同時發現的。 太陽所釋放出的能量，主要是由一系列互相關聯的熱核轉變共同產生的，而不是單靠一種。我們把這一系列轉變稱為一條反應鍵。這條反應鏈的最有趣之處，在於它是一條閒 • 279
合，它在進行了六步反應之後，又重新回到起點。從圖121 這幅太陽反應鏈的示意圖中，我們可以出，這個迴圈反應的主要參加者是碳核和氮核，以及與它們碰檢的高溫質子； 4 圖121 太陽的能雖是由這條循壞的核反應鏈產生的我們不妨從碳開始。普通碳（C"）和一個質子碰撞，形成「氨的輕同位素（N“），並以Y射線的形式放出一些原子核能。這一步反應是核物理學家們所熟知的，並已在實驗室中用人工加速的高能質子實現了。N“的原子核並不穩定，它會動進行調整，放出一個正電子（即p粒子），從而變成碳的比較穩定的重同位素（C'），煤中就含有少量這種元素。這個碳同位素的核再被一個質子撞上，就會在強烈的Y輻射中變成普通的氮 N。（從N•開始，我們也可以同樣方便地描述這個反應鏈。）這個N"核再和一個（第三個）熱質子相逢， 就變成了不穩定的氧同位素O”，它很快就放出一個正電子， •'280
變成穩定的N“。最後，N'再接受第四個質子，然後分裂成兩個不相等的部分，一•個就足開頭那個C”的原子核，另一個是氨核，也就是0粒子。 我們可以看到，在這個迴圈的反應鏈裡，碳原子和氮原子是不斷地重新產生的，因此，借用化學術語來形容時，它們只起催化劑的作用。這個反應喲實際結果是接連進人反應的四個質子變成一個氮原子核。因此，我們可以這樣來表還全過程：在高溫下，銀在碳和氮的催化作用下嬗變為氣。 貝蒂成功地證明了，在兩幹萬度高溫下進行的這種迴圈反應所釋放的能量，正好與太陽搞射的實際能量相粉」其他各種可能發生的反應，其計算結果都與天體物理學的觀測不符。因此，可以確定，太陽能主要是由碳、戴迴圈產生的。還應注意，在太陽內部的溫度條件下，完成圖121 所示的這樣一個迴圈，差不多要五百萬年的時間。因此，每當這樣一個間期結束時，碳（或氮）的原子核就又會以剛進人反應時的姿態重新出現。 原先曾經有入認為，太陽的熱量來自媒的燃燒。現在，在我們瞭解到碳在整個過程中所起的作用後，仍可以說這句話， 不過，這裡的“煤”不是真正的燃料，它扮演了神話中的“不死鳥”*的角色。 特別值得注意的是，太陽的這種釋能反應的速率主要由中心溫度和密度決定，同時也在一定程度上依賴於太陽內氫、 碳、氮的數量。由此我們可立即找出這樣一方法，即選擇不同濃度的反應物，使它所發出的光度與觀測相符，從而分析出太陽氣休中內各種成分來。這方法是史瓦西近年提出的。用這種方法，他發現太陽的一大半物質是純盆，氮略少於一半， *不死鳥是埃及神話中的一種神鳥，每活過五百年即投火自焚，然後由灰姆中再生。—一譯者 -281
只有很少一部分是其它元素， 村於太陽能鼠所進行的解釋，可以很容易地推廣到其他： 大部分恆星上去。結論是這樣的：不同質量的恆星，具有不同的中心溫度，因而能量釋放率也不同。例如，被江座0-C 的質量是太陽的五分之一，因此，它的光度只有太陽的百分之一左右：而大犬座。（通稱天狼星）比太陽重兩倍半，它的光比太陽強四十倍。還有更大的恆星，如天鵝座 Y380，它比太陽重四十倍左右，因此它比太陽亮幾十萬倍。上述各例所表現出的質量越大、光度越強的關係，都可用高溫下“碳迴圈”反應速率會增大這一點來滿意地解釋。在這類屬於所謂“主星序”的恆星中，我們還發現，隨著恆星質量的增大，它們的半徑也增大（波江座 O-C的半徑是太陽半徑的0.43倍，天鵝座 Y380則為太陽的29倍），平均密度則隨之減小（波江座0C 為2.5，太陽為1.4，天鵝座Y380為0.002）。圖122上列出、 了屬於主星序的一些恆星的資料。 •4 天船莊Y R+S.S $¥0.085 1-3000 沆江座ac M=02 R=043 $42$ 1500 火 M=！ R=！ 大減星 M=235 R-18 $=048 1＄29 圖172 屬於星序的恆星除了這些由質量決定其半徑、密度和光度的“正常”恆星之外，天文學家們還在天空中發現了一些完全不遵從這種簡單規律的星體。 •282、 ^
首先我們要提到所謂“紅巨星”和“超巨星”，它們具有與 #正常”恆星相同的質量和光度，但要大得多。圖123上畫出了幾個這樣的異常恆星，它們是著名的御夫座c，飛馬座p， 金牛座o，獵戶座o，武仙座“和御夫座。。 行武仙座d 瑾產座＆ 今牛座人圖123 巨星和超岜星與地球軌道的比較這些恆星之所以會有令人難以置信的大尺寸，顯然是由於某種我們還解釋不了的內部作用力所造成的。因此，這種星的密度才遠比一般星星為小。 與這種“浮腫”恆星適成對照的是另一類縮得很小的恆星，它們叫做“白矮星”。圖124 就畫出了一顆，同時還畫出地球作為比較。它是天狼星的伴星*，它的直徑只有地球的三倍大，卻具有太陽的質量；因此，它的平均密度一定是水的五十萬倍！沒有問題，這種白矮星正是恆星耗盡了所有可用的 1）“紅巨星“和“白矮星”這兩個名稱，來源於它們的光度和表面的關係。出於那些比重極小的恆星有很大的表面供釋放內部產生的能量，因此表面溫度較低，聖紅色；密度很高的恆星正好相反，表面必定有秘高的溫度，型而呈白內狀態 *恆星中有許多是兩個為一組、國繞共同的貢量中心運轉的，這樣的星叫雙星。人們往往雙星中較小（或較臘）的一顆稱為另一顆的伴照。—一評者 • 283•
爪猿星的伴星地球圖124 白矮星與地球的比較氫燃料後所達到的末期狀態。 我們已經知道，恆星的生命來自從氫到氦的緩慢的核嬗變過程。當恆星還年輕、剛剛從星際瀰漫物質形成時，氫元素的比例超過了整體質量的百分之五十。我們可以料到，它還有極長的壽命。例如，根據太陽的光度，人們判斷出它每秒鐘要消耗6.6億噸氫。太陽的質量是2×107噸，其中有一半為氫，因此，太陽的壽命將是15×1028秒，即五百億年！要知道，太陽現在只有三、四十億歲”，因此，它還很年輕，還能以和目前差不多的光度，連續不斷地照耀幾百億年呢！ 但是，質量越大，光度也就越強，這樣的恆星消耗氫的速度要快得多了。以天狼星為例，它的重量是太陽的2.3倍，因此它原有的氫燃料也是太陽的2.3倍；但它的光度，卻是太陽的39倍。在相同的時間裡，天狼星所消耗的燃料39倍於太陽，而原有的儲存量只2.3倍於太陽，因此，只消三十億年，天狼星就會把燃料用光。對於更亮的恆星，如天鵝座Y380（質量為太陽的17倍，亮度為太陽的30000倍），它原有的氫儲存 1）根據魏扎克的理論，太陽的形成不會比行星系形成早很久，而我們的地球正是這麼大年齡。 • 284
量不會支援到一億年以上。 一旦恆星內的氫終於耗盡以後，它們會變成什麼樣子呢？ 當這種長期支援恆星的核能源喪失以後，星體必然會收縮，因此，在以後的各個階段，密度會越來越大。 天文觀測發現了一大批這類“姜綻恆堂”的存在，它們的平均密度比水大幾十萬倍以上。它們至今仍然述是熾熱的， 出於表面溫度這樣高，它們會放射出明亮的白光，因而和主星序中發黃光或者發紅光的恆星有顯著不問。不過，由於這些恆星的體積很小，它們的總光度就極當低，比太陽要低幾幹倍。 天文學家們把這類處廣末期消化階段的恆星叫做“白矮星”， 這個“矮“字既有幾何尺寸上的意義，又有光度上的含義。再到後來，白矮星將逐漸失去自己的光輝，最後變成一大團冷物質——“黑矮星”。這種天體是普通的天文觀測所無法發現的。 還有，我們要注意，這些年邁的恆星在燒光自己所有的氫燃料而逐步收縮和冷卻的時候，並不總是安靜和平穩的。這些“風燭殘年”的恆星經常會發生極大的突變，好象是要反抗命運的判決一樣。 這類災變式的事件-—所謂新星爆發和超新星爆發—• 是天體研究中最令人振奇的題目之一。一顆這樣的值星，原先看起來和其他恆星並沒有什麼兩樣，但在兒天時間內，它的亮度就增加了幾十萬倍，表面溫度也顯著地升到極高溫。研究它的光譜變化，能看出星體在迅速膨脹，最外層的擴充套件速度可達每秒鐘2000公里。但是，光度的這種增強只是短期的， 在達到極大值後，它就開始慢慢地平靜下來。一般地說，這顆 •恆星會在爆發後一年左右的時間內回覆原有度。不過，在這以後很長一段時間內，它的輻射強度還會有小的變化光度是恢復正常了，其他方面都並不一定如此。爆發時隨星體 • 285
一起迅速澎脹的一部分氣體，還會繼織問外運動。因此，這顆星外面會包上一層不斷增大的發光氣體外殼。目前，我們只獲得了一顆這樣的新星在爆發前的光譜（御夫座新屋，1918 年），而且，即使這唯一的一份資料也很不完全，對它的表面溫. 度和原來的半徑都不能十分肯定。因此，關於這一類恆星是否在持續變化的問題，目前還缺乏確定的證據。 另一類星體是所謂超新星，對它們的爆發所進行的觀測使我們對這種爆發的後果有了較清楚的瞭解。這類巨大的爆發在銀河系內幾個世紀才發生一次（而一般的新星爆發則是每年四十次左右），爆發時的光度要比一般新星強幾幹倍。在光度達到極大值時，一顆超新星所發出的光可以抵過整個星系：第谷 （Tycho Brahe）在1572年所觀測到的可在白天見到的星“，中國天文學家在1054年記載的星**，也許還包括猶太早***，都是我們這個銀河系內超新星的典型例子。 第一顆河外超新星是1885年在仙女座星雲附近發現的， 它的北度比在這個星系中發現的所有新星都強上幹倍。這類大爆發雖然很少發生，但由於巴德（Walter Baade）和茲維基 （Fritz Zwicky）首先認識到了這兩種爆發的重大不同之處，並對各遙遠星系中出現的超新星進行了系統的研究，我們對這類星體的性質近幾年來已有了相當的瞭解。 超新星爆發時的光度比起普通的新星爆發來差別極大， 但它們在許多方面是相似的：由兩者光度的迅速增強和以後的緩慢減弱所決定的光度曲線形狀相同（比例尺當然是不同 *指仙后座超新屋。一譯者 **指金座超新裡，即現今的艇狀星雲（見圖版VIIT）。我國*宋史中有關幹這顆趕所星的準確記載：“耍花元年二月，閉滅監言：‘客星沒，客去之兆也。’初，至和元年五日晨出東方，守天關。晝見如太白，芒角四出，色赤 H，凡見二十三日。” 詳者 *** 指大座超新星。—一譯者 • 286
的）；超新星爆發也產生一個迅速擴充套件的氣體外売，不過，這個外殼所含的物質耍多得多。但始；新星爆發所產生的外元會很快戀稀薄，並消失到四胃的空間內，而超新星所丟擲的氣體物質卻在爆發所及的範圍內形成了光度很強的星雲，例如， 在1054年看到超新星燥發的位置上，我們現在看到了“蠻狀星雲”。這個星雲肯定是由爆發時所噴出的氣體形成的（見圖 ^ 版 VII）。 在這顆超新星上，我們還找到了其他恆星爆發後殘留痕跡的證據。事實上，就在蟹狀星雲的正中心，我們可以觀測到一顆昏暗的星，據判斷，這是一顆高密度的白矮星。 這一切都表明，超新星爆發和新星爆發是類似的過程，只不過前者的規模在各方面都大得多就是了。 如果我們接受這種新星和超新星的“坍縮理論”，那就還得先問問自己：造成整個星體猛烈收縮的原因是什麼呢？根據目前看來頗為可信的一種看法，原因是這樣的：由大量熾熱氣體物質構成的恆星，它們之所以能處於平衡狀態，完全是靠本身內部熾熱氣體的極高壓力在支撐著。只要恆星中心的 “碳反應迴圈”在進行著，星體表面所輻射出的能量就會從內部深處所產生的原子核能得到補充。因此，恆星幾乎不發生什麼宏觀變化。但是，一且氫元素完全耗盡，再無能量可補充，星體就必然會收縮，並把自己的重力勢能轉變成輻射。不過，由於星體內的物質極不善於傳導熱能，熱能從內部傳到表面的過進行得很慢，所以，這種重力收縮是相當緩慢的。以太陽為例，討算表明，要使太陽的直徑收縮成現在的一半，需要一千萬年以上。任何能使收縮加快的因素都會馬上使星體釋放出更多的軍力勢能，引起內部溫度和壓力的增長，從而使收縮的速度減慢。根據這個道理，要想造成新星和超新星那樣的迅速坍縮，唯一途徑是從內部運走收縮時所釋放的能量。譬 •287
如說，如果星體內部物質的傳導率增強幾十億倍，它的收縮速度也會加快同樣倍數，因而在幾天之內，一顆恆星就會坍縮。 然而，目前的理論確切地表明：物質的傳導率是其密度和溫度的確定的函式，想要把它減小數百倍或甚至只是數士倍，都， 幾乎是不可能的事情。因此，這種可能性被排除了。 我和我的同事沈伯格（Scherberg）最近提出這樣一種看法：星體坍縮的真正原因是由於中徽子的大量形成。我們在第七章曾詳細討論過這種微小的核粒子，並且知道，整個星體對十它就如同一塊窗玻璃對於可見光那樣透明。因此，它恰好可以充當從正在收縮的恆星內部帶走多餘能量的理想搬運工人。不過，我們得搞清楚，在收縮星體的熾熱內部是否會產生中微子，以及中微子的數量是否足夠多。 有很多種元素的原子核在俘獲高速電子時會發射出中微子。當一個高速電子進人原子核時，馬上會放出一個高能中微子。原子核得到電子後，變成原子量不變的另一種元素的不穩定核。由於不穩定，這個新原子核只能存在一定的時期， 然後就會衰變，放出一個電子，同時又放出一箇中微子。以後，這種過程又可以從頭開始，並導致新的中微子的不斷產生（圖125）。 在正在收縮的星體內部，如果溫度很高，密度很大，那麼* Fa 文 M？ MH 圖125 在鐵原子核中發生的尤卡過可以無止境地產生中微子 • 288•
€ ｝ 中微子所造成的能量損失將是極大的。例如，鐵原子核在俘獲和發射電子的過程中轉換成中微予的能量，可達每克每秘 I01 爾格。如果換成成分為氧（它所產生的不穩定同位素是放射性氦，衰變期為9秒）的星，那麼，它所失去的能量可達每克每秒10"爾格之多。在後面這種情況下，能量釋放得如此之快，以致只需要25分鐘，恆星就會完全坍縮。 由此可見，採用在收縮恆星的熾然中心區域開始產生中微子輻射這種說法，就可以完全解釋星體坍縮的原因。 不過，我們還得說，儘管中微予所造成的能量損失可以比較容易地計算出來，但要研究恆星坍縮本身還存在著許多數學上的困難，因此，目前我們只能提出某些定性的解釋。 我們不妨這樣設想：H於星體內部氣體的壓力不夠大， 外圍的大量物質就會開始在重力作用下落向中心。不過，恆星一般都處於不同速度的旋轉之中，因此，坍縮過程進行得並不一致，極區（靠近旋轉軸的部分）物質先落入內部，這樣就會把赤道區物質擠出來（圖126） 這一來，原先藏在深處的物質就跑了出來，並被加熱到幾十紀度的高溫。這個溫度會造成星體光度的驟增。隨著這個過程的繼續進行，原先那顆恆星中收縮排去的一部分就濃縮成白矮星，而擠出來的那部分逐漸冷卻，它們繼續擴張，形成象蟹狀星雲那樣朦成的東西。 3.原始的混沌，澎脹的宇宙把宇宙作為一個整體來看：我們立刻就會面臨著它是否隨時間而演化這樣一個極為重要的問題。宇宙在過去、現在和將來都大致上永遠是目前我們所看到的這副模樣呢，還是經過了各個進化階段而不停地變化著呢？ 總結從科學的各個不同分支所得到的經驗，我們得到了 • 289
確定的回答。是的，我們這個字宙是在不斷變化的。它的久已酒沒的過去，它的現在，它的遙遠的將來，是三種大為不同的狀態。由各門科學蒐集來的大量事實還進一步表明，我們的字宙有過一個開端，從這個開端起，字宙經過不斷變化，發展成現在這個樣子。大家已經知道，行星系的年齡有幾十億歲了，這個數字在冬項不同的獨立研究中都頑強地一再出現。月亮顯然是被太陽用強大吸引力從地圖126j 超新星爆發的早烘和末期球上扯下來的一塊物質， 廚樣也應該是在幾十億年前形成的。 對一顆顆恆星的進化所進行的研究（見上節）表明，我們在天上所見到的大多數恆星也都有幾十億年的壽數。透過對值星運動的普遍研究，特別是對雙星、三星和更復雜的銀河星團相對運動的考查，使天文學家們得出結論說，這幾種結構的存在時間不會比幾十億年更長。 另一個獨立的證據是由各種化學元素，特別是釷、鈾之類級慢衰變的放射性元素的大量存在這個事實提供的。它們雖然在不斷衰變，卻至今仍然在字宙中存在著，這就使我們有根據假定說，要嘛這些元素目前還在由其他輕元素的原予核不斷形成，要嘛它們是大自然貨架上那些年代久遠的產物的存貨。 我們目前所具備的核變知識，迫使我們放棄第一種可能性。因為即使在最熱的恆星內部，溫度也未達到足以“炮 • 290*
上. 制”出鶯原子核的極高程度。事實上，我們已經知道，恆星內部的溫度有幾千萬度，而要想從輕元素的原子核“炮製”出放射性的原子核，溫度得有八十億度才行。 因此，我們必須假設，這些重元素的原子核是在宇宙某個過去的年代裡產生的，在那個特珠的時候，所有的物質都受到極為可怕的高溫和高壓的作用。 我們能夠把這個寧宙的“煉獄”*時期大致地計算出來。 我們知道，釷和鈾238的半夏期分別是180億年和45億， 而它們迄今還沒有大量衰變，因為它們目前的數量還和別的穩定元素一樣多。歪於鈾235，它的半衰期只有5億年上下， 它的數量要比鈾238少140倍。釷和鈕238的大量存在說明， 這些元案的形成距今不會超過數十億年，同時，我們還能從含盤較少的鐘235進一步計算一下這個時間，因為這種元素每隔 5億年減少一半，所以，必須經過七個這樣的半衰期（即35億年），才能減少為原來數量的140分之一 1 1 1 1 × 2 × × 2 2 2 128/ 從核物理學角度出發對化學元素的年齡所進行的這種計算，與根據天文學資料算出的星系、恆星和行星的年齡，兩者符合得極好！ 不過，在幾十億年前，在萬物剛開始形成的早期階段，字宙是處在何種狀態之中呢？字宙又經歷了什麼變化，才達到現今這種樣子呢？ 對這兩個問題，最適當的解答是透過研究“宇宙膨脹”現象得出的。前面我們已看到，在字宙的巨大的空間中，散佈著大量的巨大星系，太陽所屬的包括幾百億個恆星的銀河只是 *基督教認為，在地下存在著永恆的地獄，那裡開騰著不熄的火焰。生前作惡多端的人將在地獄裡飽受火刑及其他各種酷邢的熬的。—譯者 • 291•
其中的一個，我們還看到，在我們視力所及的池圍內〔當然，這視力是由200英寸望遠鏡幫了忙的》，這些星系基本上是均勻分佈的n 威爾遜山的天文學家哈勃在研究來自遙遠星系的光線時，發現它們的光譜都向紅端作輕微移動；而且，星系越遠，這種“紅移“就越大。實際上，我們發現，各星系“紅移”的大小與. 它們離開我們的距離成正比。 對於這種現象，最自然不過的解釋莫過於假設一切銀河系都在離開我們，離開的速度隨距離的增大而增大。這個解釋建立在所謂“多普勒效應”。這就說，當光源尚我們接近時，光的顏色會向光譜的紫端移動；當光源離我們而去時， 光的額色會向紅端變化。當然，耍想獲得明顯的譜線移動，光源號觀察者之間的相對速度一定要很大才行。伍德（R.W. Wood）教授曾因在巴爾的摩*闖紅燈行車而被拘捕。他對法官說，由於我們上面所說的現象，他在駛向訊號燈的汽車內招訊號燈射出的紅光看成綠色了。這位教授純粹是在愚弄法官。如果法官的物理學學得不錯，他就會問伍德數授說，要把紅光看成綠光，汽車得以多高的速度行駛才行，然後再以超速行車的理由課以罰金！ 我們還是回到顯系的“紅移”題上來吧。這個問題年一看來有點蹊蹺：什麼宇宙間的所有星系都在離開我們的銀河系呢？難道銀河系競是一個嚇退一切的夜叉嗎？如果真是如此，我們的銀河系又具有什麼嚇人的性質呢？為什麼它看來竟會如此與眾不同呢？如果把這個問題好好思考一下，就很容易發現，銀河系本身並無特殊之處，別的星系實際上也並不是故意躲開我們，事實只不過是所有的星系都在彼此分開就是 *巴爾的摩，美國一城市名，在馬里蘭州。—一譯者 • 292
了。沒想有一個氣球，上面塗有-一個個小圓點（圖127）。如果向這個氣球裡吹氣，使它越來越脹大，各點間的距離就會增大。因此，採在任何一個圓點上的•只螞蟻就會認為，其他所有各點都在“逃離”它所的這個點。不僅如此，在這個膨脹的氣球上，各圓點的退行速度都是與它們和螞蟻之間的距離成正比的。 圖127 當汽球膨脹時，上面的每一個點都與其他各點逐步遠腐這個例子很清楚地說明，哈勃所觀察到的星系後退的現象，和我們這個銀河系所處的位置或它所具有的性質並沒有什麼關係，這個現象只不過足由於散佈著星系的宇宙空間在經歷著普適的均幻膨脹而已。 根據所觀測到的膨脹速寬和現今各相鄰星系間的距離， 可以很容易地算出，這個膨脹至少在五十億年前就開始了”。 1）哈勃的原始資料是：兩個怕鄰星系的平均離為170萬光（即1.6×10" 公里），它們之間相好退行的速度為每秒300公里左右）。假設宇宙是均勻膨脹的，它膨脹的時間就會是： 1.5×107 300 5X10 秒=1.8×108年。 根據目前新取得的資料所得到的值要比上面這個數字更大一些。 •293+
在這之前，當時的星雲（目前的各個星系）正在形成在盤個宇宙空間內均勻分佈著的恆星。再往前，這些恆星也都緊緊擠在-起，使宇宙充滿了連續的熾熱氣體。再往前，這種氣、 體越米越緻密，越來越熾熱，這個階段顯然應該是各種元素 （特洲是放射性元素）產生的時代。再往前去，宇宙間的物版都處於超密和超熱的狀態下，成了我們在第七章提到過的那種枝液體。 現在讓我們把這些情況歸納起來，按正常的順序來看一看字宙的進化吧。 在整個歷史的開端，在字宙的胚胎階段，所有用當今威爾遜山望遠鏡（觀察半徑》五億光年）看到的一切物質都被擠在一個半徑八倍於太陽的球體內”。但是這種極為緻密的狀態不會長期存在。只消兩秒鐘，在迅速的膨脹作用下，宇宙的密度就將達到水的幾百萬倍；幾小時後，就會達到水的密度。大概就在這個時候，原先連續的氣體會分裂成單獨的氣體球，它們就是如今的恆星。在不斷的膨脹下，這些恆星後來又被分開，形成各個量雲系統，它們就是現在的各個星系，如今仍在同著不可測的宇宙深處退去。 我們現在可以自問一下：造成這種宇宙膨脹的作用力是怎樣的一種力呢？這種膨脹將來會不會停止，並轉成收縮呢？ 宇宙是否有可能掉過頭來，把銀河系、太陽、地球和人類重新擠成具有原子核密度的凝塊呢？ 1）核液體的密度為10"克/釐米’，而目前空間物質的密度為10-30克/鳳米*，所以宇宙的線收縮率為 103 =5×10"。 5×105 因， ×101光年的距離在當時只有-今安10 =10~光年，即1000萬公里』 • 294•
根據目前最可靠的情報，這種事情是決不會發生的。很久以前，在宇宙進化的早期，字宙沖決了一切束縛自己的鎖鏈—這鎖鏈就是阻止了宇宙間物質分離的重力—膨脹了，因此，它們就會遵照慣性定律接著膨脹下去。 我們舉一個簡單例子來說明這種情況。從地球表面向星際空間發射一枚火箭。我們知道，過去所有的火箭，包括著名的V-2火箭*在內，都沒有足夠的推動力以進入空間；在它們上升的路途中就會被重力所停止，並落回地球上來。不過，如果我們能使火箭具有足夠的功率，使它的起始速度超過每秒鐘11 公里，這枚火箭就可以排除重力的拉扯而進入自由空間，並且不受阻擋地執行下去。每秒鐘11公里的速度通常稱為克服地球重力的“逃逸速度”。 設想有一發炮彈在空中爆炸了，它的碎片向四面飛去（圖 128）。爆炸時產生的力抵抗了想把它們拉到一起的引力，而使彈片互相飛離。不用說，在這個例子中，各彈片之間的引力作用極為微弱，根本不足以影響它們在空間中的運動，因而可以忽路不計。但是，如果這種重力很強，就會使各彈片在中途停住，再轉回頭來落回它們的共同重心（圖128b）。它們倒底是落回來，還是無限制地飛開，這決定於它們的動能和重力勢能的相對大小。 把炮洋片換成星系，就會得到前面所說的膨脹字宙的圖景。不過，這時各星系的巨大的質量造成了很強的重力勢能， 與動能不相上下”，因此，有關宇宙膨脹的前景，只有在仔細研究這兩種能量以後才能得出。 根據目前所掌握的最可靠的星系質量的資料來者，各個 *媳國在第二次世界大戰期間使用的一種以液體燃料推動的中程火箭。一一賀 1）動能與運動物體的質量成正比，勢能卻和質量的平方成正比。 • 295•
圖128 互相離開的星系所具有的動能是其重力勢能的好幾倍。因此，大概可以這樣說，字宙會無限地膨脹下去，而不會被它們之間的引力重新拉近。不過要記住，有關宇宙的資料總的說來都不很準確，將來的進一步研究很可能把整個結論顛倒過米。 不過，即使宇宙真的會停止膨脹，並且迴轉來進行收縮，那世得聚要幾十億年的時間。因此，黑人詩歌生所須言的那種“星星開始墜落”、我們在坍縮星系的重壓下粉身碎骨的景象，眼下還不會發生。 這種造成宇街各部分以可怕速度飛離的高爆炸力物質究竟是什麼東西呢？對這個問題的解答可能會使你失望：事尖上，很可能從來就不曾有過所謂爆炸。宇宙現在之所以會澎脹，只是因為在這之前它曾從無限廣闊的地域收縮成很緻密的狀態（當然，這段歷史是沒有任何記錄保留下來的》，然後又反彈回來，如同被壓縮的物體具有強大的彈力一樣。如果你走進一問球室，正好看到一隻乒乓球從地板上眺到空中，你當然會得出結論（根本不用怎麼思考）說，在你進人這間屋子之前，這個球一定是從某個高度落到了地板上，並由於彈性再次跳起來的。 .： 現在，我們不妨讓想象力白由馳騁，設想一下在這個字宙的壓縮階，一切事物是否都會與日前進行的順序相反。 • 296。 ｛
如果是在八十億年或一百億年前，你是否就會從最後一頁讀起，把這本書讀到第一頁？那時的人是否會從自己嘴裡扯出一隻油炸雞，在廚房裡使它復活：再把它送到養雞場；在那裡，它從一隻大雞“長”成一隻小雞，最後縮排一隻蛋殼裡， 再經幾周的時間變成—-枚新鮮雞蛋呢？這倒是很有趣的。不過，對於這類問題，是不可能從純粹的科學觀點進行解答的， 因為在這種情況下，宇街內部的極大壓力會把一切物質擠成一種均勻的核液體，從而把以前的一切痕跡完全抹掉。 + 297•
圖版1 放大140,000,000倍的六甲苯分子：292；
^' B 圖版II A.開始於雲室外壁和中央鉛片的宇宙線射。任徽場的作用下，簇射產生的正、負電子向相反方向偏轉。B.宇宙線粒子在中央隔片上引起核衰變 •300•
圖版1 人工加迷的粒子所造成的原子核嬗變 A.一個塊氘核擊中雲室中重氫氣體的一個氘核，產生一個氚核和一個普通的氫核（D＋D ＋、H）。 B.一個快質子擊中硼核後，硼核裂成三個相等的部分（B"'+ H' 3He）。 C.一個看不見的中子從左方射來，把氮核裂成一個硼核（向上的徑跡）和一個核（向下的徑跡）（N*+ '—*，B"+ He） •301
< 圖版IV 在雲室裡拍攝的鈾核裂變照片。一箇中子（當然是看不見的）擊中橫放在雲室中的薄鈾箔的一個鈾核。兩條徑邊表明，兩塊裂變產物帶著一億電子伏的能上離 •302
• 56 困版v A和B.果蠅唾液腺體中染色體的顯微照片。從圖中可以不到倒位和相互易位的現象。C. 雌性果蠅幼體染色體的顯微照片。圖中標有X的是緊緊挨在一起的一對X染色體， 21. 不i 2R 是第二對染色體，3L.和3& 是第三對，標有4的是第四對 •303～
圖版V！ 這是活的分子嗎？放大26，100倍的菸草花葉病病毒體。這幅照片是用電子顯微鏡拍攝的 • 304
…•； H 圖版VII A.大熊座中的旋渦星系。它是一個遙遠的宇宙島 （正檢視）。B.后髮座中的旋渦星系：NGC4565（側檢視） •305
圖版VI 蟹狀星雲。中國古代天文學家在1054年在這個星雲的位置上觀測到一顆超新星燥！，這個星雲是潔發時丟擲襯氣體膨脹而成的包層 •＄！！； 譯後記科學普及工作是科學事業的一個重要組成部分。好的科普讀物可以啟發人們的思考能力，可以激發人們對科學的濃厚興趣，可以引導人們深入地瞭解科學思維的本質及其哲學意義。在科學技術以空前速發展、並以空前未有的深度和廣度進人人類生活的一切領誠的今天，更需要有大量優秀的科普讀物。正因為如此，許多著名科學家都積極地參與撰寫科普讀物的工作。 《從一到無窮大》一書的作者是俄國血統的美國科學家喬治•蓋莫夫。他是一位卓越的理論物理學家，同時又是天體物理學家。他還不問斷地寫了二十多本科普讀物，在廣大群眾、科學愛好者和科學工作者中間廣為流傳。 《從一到無窮大》是蓋莫夫的一部有代表性作品，自問世以來，多次再版，並被譯成許多國家的文字。許多第一流科學家都高度評價這本節，認為它很值得一讀乃至於一讀再讀。 這本書除了具有內容生動、通俗易懂這些科普讀物所共有的特點外，還其有內容豐富、圖文井茂等特點。特別應該指出的是，一般科普讀物，往往怕數學太“枯燥”和“艱深”而不敢使用，只侷限於作定性的概念描述。這本書則恰恰相反，全書都用數學貫穿起來，並講述了許多新興的數學分支的內容。 正因為使用了數學工具，本書才達到了相當的深度。 不過，對於此書所涉及到的內容，有一點是必須提及的。 由於此書的選材大都是近代科學的內容，因此，正如書名的副題所表明，有一些觀點是作為科學家們的臆測向讀者介紹的； • 337¢
例如，節中提到的基本粒子的不可陣分、宇宙膨脹理論，太陽系起源等一系列觀點，都只不過是“百家爭鳴”中一派的看法。讀老們幹萬不要把它們作為定論全盤接受下來。 由於我國與美國在中學課程的內容上，在課外閱讀的題林上，乃至在生活習俗上，都有許多不同之處，這樣，書中有些內容對我國廣大讀者會顯得生疏些。因此，譯者作了一些腳註加以說明。但限於譯者自己的水平，在譯文和註文中都難免有不妥之處，祈請廣大讀者批評指正。 暴永寧 1978年5月 • 308+