当代物理前沿专题之九.doc

当代物理前沿专题之九现代科学中的天文世界王绶琯 邹振隆9．1 天文学与天文世界9．1．1 天文对象在现代自然科学分工中，天文学的研究对象是宇宙中的大尺度目标和现象．按尺度的规模可以分为以下四个层次，见图 9－1．1．行星层次：地球、其它行星和太阳系小天体，太阳系以及其它行星系统（含行星际物质）．2．恒星层次：太阳、其它恒星和恒星系统（含星际物质）3．星系层次：银河系、各类星系和其它河外天体，星系群、星系团等系统（含星系际物质和星系团际物质）．4．“宇宙”整体．表 9.1 列出了各层次天体的大致规模．表 9.1各层次天体的尺度地球直径1.3 ×10-9 l. y.（光年） *太阳直径1.5 ×10-7 l.y.太阳系范围约 10-3 l.y.最近恒星距离约 4 l.y.银河系范围约 105 l.y.近处星系距离约 106 l.y.富星系团大小约 107 l.y.可测宇宙范围约 1.5 ×10 10 l.y.* 1 l.y ．（光年）约 9.46 ×10 12km．天文世界中的 “宇宙” 是一个有机的整体． 星系层次的天体是大尺度宇宙中的细胞，而恒星层次的天体则既是星系中的细胞， 又是行星层次的母体． 所有天体都在运动中保持它在群体中的相对平衡， 又在演化中不断改变它的内在结构和在群体中的作用．9．1．2 天文学科现代自然科学， 传统上分为 “数、理、化、天、地、生”．暂不论数学，“理、化、生”的研究涉及物质的基本结构和规律，属基础性科学．而天文学则是应用“理、化、生”的知识来认识天文现象，是一门以“理、化、生”为基础的自然科学。

但是直到目前， 天文学研究中的化学现象和生物学现象， 从探索方法到解释依据，都没有超出物理学的范围． 而天文学的三大分支——天体物理、 天体力学和天体测量，除天体物理当然地结合到物理学外， 力学本来就是物理学的一个部分，而天体测量所测的是天体的方位和运动，同样是属于物理学的内容．因此，现阶段的天文学，因义正名，应可以称之为“物理天文学”．从另一方面看， 浩瀚无际的宇宙空间中， 在犹如沧海一粟的地球上所能进行的“理、化、生”实验，无论是多么丰富和精确，在规模上，以及在内容和条件的多样化（和“极端化”！）上，都不可能代替大自然在天文世界中所“表演”的无数“实验”．去发现和理解与本身研究有关的这些“大自然实验”，是这几门基础性科学的当然要求．这必须借重于天文知识和天文手段．在这个意义上，天文学的发展带来了 “天文物理学” 、“天文化学” 和“天文生物学” 的开拓．这些开拓常常习惯地也被纳入天文学研究的范围．9．1．3 天文方法在“数、理、化、天、地、生”的分工中， “天”是相对于“地”而言的．作为一个行星， 地球本身也是一个天体． 在浩瀚无际的天文世界里， 当我们着眼于其中的研究对象时， “天”与“地”的界限并不分明．但如果我们着眼于天文世界的浩瀚无际，那么，对于居住在地球表层上的科学工作者， “地”是他们可以实地勘察、布置实验的研究目标，而“天”却是可望而不可即的遥远世界．人们不可能到那里身临其境地进行考察， 更不可能主动布置任何实验． 而考察和实验却正是现代科学实践的精华！ 这是天文学研究方法上的一大缺陷． 是这个缺陷划分了“天”与“地”的研究范围带着这个缺陷， 历代天文学家们执着地开拓以 “观测”为核心的天文方法， 使天文学能够在同时代科技发展的进程中， 始终与其它自然科学并驾齐驱．天文观测的“观”是远远地“看”，“测”是远远地测量．首先是“看”到天体发出的“光”，接着是测量“光”所带来的物理信息．所有信息中最直观、 也是最基础的是天体的亮度和方位． 自古以来就用天体的亮度和方位制成天图或星表，好比是登记了天体的“户口”．到目前，用“可见光”中几种颜色的光登记下的天体数目不下几十亿个．而近三、四十年里，射电、红外、紫外、以及 X 射线等各个波段的星表中，录下的天文目标约几万到几十万个不等．20 世纪中叶以前，探测到的天体的“光”限于肉眼看得见的“可见光”．而今天，由于射电天文和空间天文手段的发展，可探测的“光”的涵义已经扩大到遍及电磁波谱的全部波段．天文学家结合同时代技术的进展， 始终不渝地把各种波段的天文望远镜做得尽可能大，并且把探测器做到尽量灵敏， 用以探测到亮度尽可能微弱的天体； 把望远镜的 “分辨本领” 做到尽可能高， 用以精确地定出天体的方位并分清天体的细节．今天，有的天文手段“洞察幽微”的能力已超过了肉眼几十亿倍；有的设备的分辨本领已达到万分之一角秒， 相当于能够在北京分辨出放在天津的两根并在一起的头发丝．这些能力在跨进 21 世纪时可望再提高一个量级以上．天文技术上的这种努力使我们对天体的 “普查”和“成像”做到了精益求精．然而，所有这些愈来愈精的观测所“看”到的都只能是天体表面上发“光”的部分．天体的背面和侧面， 以及象恒星那样物质密集的天体的内部， 都非天文观测所能及． 这就是说，天文学只能从极其有限的局部信息出发， 来探讨天体的“物理总体”．于是较之其它学科，它不得不更多地结合物理理论，构造各种可供选择的 “物理模型” ．现代天文学的历史正是一部记载着各种不同层次各类天体大大小小的物理模型的建造、 选择、发展和更新的历史， 而贯穿在其中的是天文观测技术和方法的不断创造和更新． 这种努力导致天文的信息数量的不断增加和信息层次的不断提高，使实测与理论的配合犹如“两条腿走路”，一级一级地攀上认识宇宙的螺旋阶梯．在建造天体的“物理模型”中，最重要的实测依据是天体的光谱．光谱拥有极其丰富的物理信息含量． 通过对光谱的测量和分析， 我们能够探明遥远天体上发光体的化学组成， 探明它所含有的原子、 分子、离子以及其它粒子的 “丰度”；了解它所在的局部物质状态：温度、密度、磁场、电场、 ；了解它的宏观速度场和微观速度场； 等等．光谱测量和光谱学是现代天体物理学赖以产生和发展的基础．由于光谱测量相对地很费时间， 处理上也更复杂， 迄今登记在星图上的天体大约每一万个中才有一个被测过光谱． 当然，这个数量也不算太少， 近几十万个．正是这“精选”的几十万个天体的光谱数据，建起了现代天文学实测这“一条腿”的主要支撑．9．1．4 距离、“视限”与“阶梯”天体距离的测定， 是天文研究的一个传统难题． 天体离我们那么远， 即使是最近的恒星， 乘目前最快的火箭， 走一趟也要化几万年， 天体的距离无法直接度量．于是采用了最直观的间接方法： 一是“三角视差” 法，二是“标准烛光” 法．图 9-2 表示了这两种方法．三角测量需要有很长的基线才能测到很远的距离， 地球绕太阳公转的行程提供了这种基线． 1837 年，斯特鲁维测完了织女星的“周年视差”（由于地球绕日公转而产生的天体方向周年变化），后来订定为 0.125 角秒，可算出它与太阳的距离为日地距离（约 1.5 × 108 km）的 165 万倍．尔后几代人积年累月，测出了数以千计的恒星三角视差．测定的范围达几百光年．对于更远的距离用 “标准烛光” 法．这需要有本身的光度为已知而又足够明亮的天体充当“标准”． 1912 年，勒维特发现了“造父变星”，其光变周期与光度之间存在着确定的关系． 于是可以通过测量它的光变周期来定出光度， 并对照实测的亮度以求出它的距离． 1924 年，哈勃测到了仙女座大星云中的造父变星，从而定出这个星系与我们相距 800000 l ．y．（后来订正为 2200000l ．y．）．这是两支“量天尺” ．一支的尺度是几百光年， 另一支是几百万光年． 在“中间地带”则使用了多种统计方法和间接方法，力求把它们连接起来．对于巨达百亿光年计的宇宙尺度，造父变星这支尺也难以胜任． 1929 年，哈勃发现了星系谱线“红移”与距离之间的线性关系，称为哈勃定律．目前，哈勃定律被用作度量远方星系和宇宙结构的“量天尺”．“量天尺” 和一切度量工具一样， 要有可靠的校准． 三角视差的基准建立在准确测量的日地距离上， 因而是可靠的． 理想的情况应当是造父变星所定的距离由三角视差校准， 而哈勃定律由造父变星或其它的标准烛光校准， 但是按目前的技术水平这些还很难准确做到． 这使得目前的天体以至宇宙结构的几何图象存在着大约两倍的不确定程度．由观测能力的限制引入的另一个不肯定因素是我们称之为 “视限”的现象．以地球为例，象地球这样可以被周密细致地研究的天体， 而又是繁衍着高级生命的星球，在天文世界中是绝无仅有的． 它是行星层次 “精测视限” 中的一个孤本．同样，在恒星层次中，太阳是一个可供“精测”到几百公里细节的孤本；在星系层次中，银河系是一个可以分辨出数以千亿计的恒星和大批星际弥漫物质的 “精测”孤本，对同一层次中的其它成员， 我们只能做到“粗测”它们的整体性质和行为．以恒星为例，即使是离我们最近的比邻星，看过去的直径也只有 0.1 角秒的量级，而哈勃空间望远镜的分辨本领仅约 0.05 角秒．所以，如果要精测比邻星表面上 1 000 km 的细节，可能要等到在月球上建立“光综合孔径”望远镜．但是，如果仅仅测量一颗恒星的整体物理性质和行为， 那么象太阳这样的光度， 用现有的手段，距离两、三百万光年还可能测到． 我们把几百万光年看作一般恒星目前的“粗测视限”．在这个“视限”之外，对这一层次的天体是一片空白区．我们注意到，宇宙的尺度为 100 亿光年级．这样的空白区是很大的！ 其它天文层次的情况同样可以依此类推．总的说来，天文世界中各个不同层次、 各种品类的天体， 实测所能取得的感性资料仅限于极少数“精测孤本”和在“粗测视限”之内的一批粗测样本． “粗测视限”之外是巨大的实测空白区． 在“精测视限” 与“粗测视限” 之间有着“精测空白区”．因此，必须在这些巨大的空白区中架设阶梯，在不同层次、不同品类天体之间牵线搭桥．这个阶梯和桥是用理论搭起的． 如此巨大的空白区， 梯和桥不可能只是 “视限”内的理论框架的简单外延，而是首先构建在居指导地位的“哲学原则”的基础上．空白区和与之对应的理论框架间的距离在“实测 - 理论”交叉前进中不断缩小（尽管我们认为这种空白区是无穷的） ，并将不断承受着进一步的实测和理论的考验．9．1．5 几条先验原则自然科学家研究自然的方法受到哲学观点的支配． 对于天文研究，如前所述，一。