天文学的第二次革命行将结束

发布时间：80年11月28日

И. Шкловский 编译廖吉甫

天文学的两次革命及其后果

天文学是一门最古老的科学，在它九千年的历程中，既有持久的，较为“平静”的发展时期，也有较短的，根本改变了固有观念的迅猛发展时期。这种迅猛时期，或准确地说，这种革命可以举出两次。天文学的第一次革命是在16世纪中叶到17世纪初，它与哥白尼和伽利略的伟大名字联系着。这次革命与文艺复兴、地理大发现紧密相关。它导致了（自然不是立即）经院哲学的地心宇宙观的崩溃和日心说的确立，对人类有巨大意义。

天文学得到了进一步前进的强大动力。以后的三百年以一系列卓越发现和成就著称。尽管这样，直到第二次世界大战前，天文学的状况却无论如何不能说是令人满意的（战后天文学的第二次革命就开始了）。首先必须看到当时天文学的一个根本缺陷：虽有个别例外，它还是静态的。天文学家好像在研究一幅凝固的、没有发展的宇宙图景。各式各样的宇宙天体没有从起源上联系起来。恒星内部结构的古典理论只是对实际的一级近似。只有引入核能的不可逆消耗这个概念，才能建立起恒星的演化理论。

银河系中恒星不断形成的过程问题更完全不能令人满意。关于这一过程的存在，是在查明恒星能源的核性质之后就立即清楚了的，当时发现，大质量高光度恒星的寿命不超过一千万年，比银河系寿命要小一千倍，因而它们应当不断“更新”，通俗地说，应当不断产生。但那是怎样产生，何处产生的呢？谅斯在其引力不稳定性的理论中就已奠定了这一过程的理论基础，但当时天文学还没有这方面的任何观测资料。

由于当时天文研究技术的不完善和局限性（既无射电天文学，也无X射线天文学），天文学家还不能深入到总星系足够远的范围。例如，红移的最大值只相当于不超过10000公里/秒的星系退行速度。因而，观测所及的宇宙那一较小部分，按其中天体的性质来看，实际上与我们银河系最邻近的区域没有任何区别。换句话说，这样小的红移无法揭示出任何稍微显著的演化效应。

战前天文研究技术的主要缺点是它的谱带局限性。天文学家在研究中只利用了可见光。在这方面，技术自古以来都没有变化。

战争刚一结束，天文学的情况就根本改变了。它开始了一次迅猛发展的时期，我们称之为“第二次革命”。这个时期与差不多同时开始的科学技术革命有着不可分割的联系。

新研究方法的闯入使这门古老的科学简直面目一新。这些方法立即带来了极为重要的成果，从而把天文学推到自然科学的前列，这种情况过去是明明没有的。天文学成了一门荣耀的科学，出现了物理学家向天文学“扩散”的有趣过程，他们在那里找到了比在他们习惯的知识领域广阔得多，有前途得多的活动场地，在地理大发现时代，那些与航海和天文相距甚远的人，不也是这样地选择了新领域，并获得了重大成就的么？

第二次革命的主要总结是，天文学成了全波的。可以毫不夸张地说，就其重要性而言，我们科学的这一历史阶段可以与日心说代替地心说的阶段相提并论。几千年来，人类获得宇宙信息所用的唯一谱带“窗口”是狭窄的（比一个八度音程还窄的）可见光带。现在则可以说，由于第二次革命，已经没有一个波长不是在天文学中得到了或多或少的使用，而且是最直接的使用（即直接在这个波长上观测）。

在光波频段以外，通向宇宙的头一个突破口是在无线电波段打开的。战后这方面的进展确实惊人。射电天文学的特长，是具有记录、研究猛烈释放能量的不稳定过程的特殊能力。这类过程有星系核活动、超新星爆发、红矮星爆发活性等等。

射电天文学在研究总星系最遥远的天体方面获得的成就特别惊人。类星体（具有超高活动性的星系核）就是射电天文学发现的。1965年发现了所谓“残余物辐射”（宇宙过去状态的残留），这有极其特殊的价值。这种充满全宇宙的辐射给了我们有关宇宙遥远的过去（当时宇宙的尺寸约比目前小一千倍，年龄小几万倍）的可靠信息。

X射线天文学也是科技革命的产儿，它完全以火箭技术、航天技术及与之有关的电子学、自控技术为存在的条件。我们可以举出X射线源的发现——这是紧密双星系统里的中子星，其X射线辐射比太阳大几十万倍。还发现某些星系核有强大的X射线辐射，这是它们具有很高活动性的重要证明。特别有意义的是，在星系团中发现了星系际气体——它原来是温度高达10⁸度左右的灼热等离子体！

在最“硬”的γ射线波段也有重要发现，这些发现才刚开始被领会。已发现银河系普遍存在γ辐射，它与充满银河系的宇宙线紧密相关。还找到了间断γ辐射源。

古典的光学天文学也没有被科技革命忽视。目前的光学望远镜已能得到22等星那样极弱天体的高质量光谱图，而在天文学第二次革命前，只能从亮几千倍的天体拍到光谱图。由于自控技术，特别是激光技术的卓越进步，望远镜结构本身也发生了根本改变。

天文学家（正确些说，是从事天文学的物理学家）目前正着手研究其他的场和不同于光子的微粒。说起来，早在研究原始（一次）宇宙线和太阳风微粒时，这个过程就已开始了。但只是在当代，才着手研究宇宙中微子，并已取得重要的科学成果。下一步是一个最难的问题，要从一系列极有趣的天体（如超新星爆发或紧密双星）发现引力波。

天文学第二次革命后的宇宙图景

天文学第二次革命结果，人类首次得到了宇宙及其组成物的结构和发展史的清晰图景，这样的图景过去是没有的。这个情况类似于人类对其居住区——地球的长达几千年的全面研究过程。甚至在地理大发现时代以后，地理学中还有许多东西没有搞清。本文作者以很大兴趣读了一本极有意思的书《地理学，或对我们居住的地圈之研究》，它是十八世纪中叶一位“光荣院士克拉夫特”著的，1762年在彼得堡出版。这部当时已算相当先进的著作仍有不少令人感动的错谬和迷误。例如，地球最高峰被认为是……加那利群岛的特纳里夫峰！迟至十九世纪中叶，地图上才消除了非洲和亚洲腹地的许多空白点。现今，地理学整个说来已是一门“完成科学”，其研究对象已转为对其固有分支（气候学、海洋学、冰川学等等）的详细考察。这些学科每一门自然都是可敬的，也自然都是不可穷尽的。但再要发现“新大陆”——呵哟！——却是不行了，珠穆朗玛（而绝非特纳里夫峰）是当今地质时代的地球最高峰这个断言，看来也是无法动摇的了。

在宇宙研究方面，如果借用地理学的比喻，我们离十九世纪中叶当然还远，但地理大发现时代却是已经跨过了。形象地说，我们已不至于把珠穆朗玛和特纳里夫弄混了。第二次天文学革命最伟大的功绩（同时也是其总结），就是使天文学在一级近似中成为如果不是“完成科学”（像今天的地理学），至少也是清晰可望的科学了。

现已可望的宇宙是个什么模样呢？我们强调一下，问题在这里不是从一般哲学或抽象理论的观点，而是从现实的天文学实践的观点提出的。照“儿童的”（亦即最深刻的）提法，问题可以这样表述：宇宙“实际上”是怎样构成，怎样发展的？

可分两步回答这个问题。第一步，选择一个有足够“代表性”的宇宙体积，例如，侧边为5000万秒差距左右的一个立方体（所谓“代表性”，是说按其中天体的性质而言，该体积很典型）。这一体积内有几十个星系团，每个星系团包括几百个星系，每个星系包含几十亿颗恒星。我们这一体积内共有10⁴⁸克物质，大体集中在10¹⁵左右颗恒星内。这里要强调一下，在现代这个笼括了一大部分宇宙史的时期，绝大部分物质（如果不算星系团内灼热稀薄的星系际等离子体）都集中在恒星内。在这个意义上我们可以说，恒星是宇宙中基本的、主要的天体。而在宇宙发展史的最早阶段，情况却全然不是这样。

第二次天文学革命最伟大的成就，是根据实际观测而又被观测所证实，解释了恒星的一切演化类型。

特别有意义的是，把从赫歇尔时代就已知道的行星状星云的本质弄清楚了。原来，行星状星云是红巨星的分离外壳中产生的，同时红巨星的核心则相当迅速地（按宇宙标准）转变为白矮星。这种非常致密（比水密度大几百万倍！）的惊人小恒星是天文学家早已熟知的。但只是最近20年中才了解到，它们是在“正常”恒星内部的演化过程中“成熟”的。这样一来，99%的恒星“从生到死”的命运都追索清楚了。

但还有约1%的质量较大的恒星，其“死法”不是变成失去核能源从而实际上停止演化、逐渐冷却的白矮星，而要激烈得多。它们发生爆炸，短期内（一星期左右）光度增强几十亿倍。这就是天文学上极为重要的超新星爆发现象。这样爆发之后，照例剩下一个半径10公里，平均密度约10¹⁵克/立方厘米（即核密度等级）的惊人天体。这种性质极为特异的天体在射电天文学和X射线天文学中是作为脉冲星被观察到的。更为惊人的是，质量足够大的这类恒星最终可能变成“黑洞”。

有一点极为重要，即相当多的（如果不说大多数）恒星都是多重系统，即双星、三星系统的成员。而多重系统（尤其是紧密系统）内的恒星演化过程很特别，与单个的恒星完全两样。具有决定意义的是，一个成员星的物质会向另一个成员星流动。这类演化过程会产生最为独特的天体（天文学家称之为“特殊恒星”），如反复爆发、非常炽热的矮星（它们早就被命名为“新星”），以及X射线星——双星系统内的中子星。

不过，尽管质量较大（大于1.5个太阳质量）的恒星演化得相当快，银河系及其内部过程的总图景在好几十亿年中实际上是不变的。这就像一个复杂的生态系统（例如森林），虽然其组成部分的生命要短得多，而整个系统的外貌却实际上长期不变。但是，在星系中还是逐渐积累着不可逆的、脱出“星际气体——恒星——星际气体”这个循环的因素。此外，星系内不断形成的小质量恒星（质量小于太阳的红矮星）又演化得非常缓慢。这也导致矮星的逐渐累积。但是，要由此而显著改变星系的结构和性质，那还是几十亿年之后的事。

总括起来应当说，由于第二次革命的结果，我们周围的恒星世界的本质已经基本上清楚了。我们已接近于彻底了解导致恒星爆炸这一重大现象的各种过程，以及这一现象的众多后果，诸如重原子核的合成，宇宙线的产生，甚至对恒星形成的影响等。

总星系天体的本质也基本上弄清了。首先要大力研究出测定星系距离的方法。1963年发现的类星体原来是活动性极强的遥远的星系核。而就在不久前，流行的假说还认为这些天体比较近。结果，可观测的宇宙界限大大拓展了。现已观测到的最远的类星体和我们的距离以几十、上百亿光年计。在我们划出的总星系空间的立方体中，还没有一个较亮的类星体，但却有相当多的星系核活动性很强，而这与类星体是同一种现象，只是规模较小罢了。

宏伟壮阔的（从力能学看来）星系核活动现象是天文学上的一个全新事物。这个现象有权称为第二次革命的产物。现在越来越清楚，这里除了万有引力规律以外，不可能有其他任何原因。引力规律使某些星系的核心区域最终形成极为致密的星团。恒星分布密度达到如此之大（比太阳附近大几十亿倍），以至可能产生甚至必须产生恒星之间的碰撞而造成恒星的破坏。这团由恒星和等离子体构成的物质集合体再进一步收缩，就可能形成超重“黑洞”，这种“黑洞”再把周围的气体“拉到身上”，开始一个猛烈爆炸的过程。自然，在星系核活动现象中还有许多地方没弄清楚，但是主要之点现在已经明白了：这一过程是宇宙间万有引力规律作用的必然结果。

这样，自有天文学以来，我们第一次对现阶段在—个有足够代表性的宇宙体积中所发生的事有了完整的概念。所谓“现阶段”，是指这个体积在距当前±50 ~ 70亿年左右的时间区间内的状况。我们现在有根据认为，在这一阶段内，我们这一片宇宙的平均性质不会有显著变化，尽管其中会有大量天体（如恒星、星系核）将在这一阶段内诞生和死亡。

但如果我们转向遥远得多的那部分宇宙，事情就两样了。这种情况下，宇宙的总体演化将，完全表现出来。现已无可动摇地证实，100 ~ 200亿年前，宇宙的状况和现在根本不同。

战前记录到的星系最大红移相当于其退行速度为10000公里/秒。现已记录到极其遥远的类星体，其退行速度超过250000公里/秒，即为光速的80%！同时又发现，和我们的距离越是增加（即在宇宙发展的较早阶段），换算为确定数量物质的类星体分布密度也越是迅速增大。

这表明，如果现在每10⁹个“正常”星系能摊上一个类星体，那么在早期阶段，只要100个星系就能摊上一个类星体。这是宇宙总体演化的直接证据。星系和类星体红移的大量观测资料的积累，不但给半世纪前就已发现的哈勃定律提供了极重要的支持，而且还试图找出过去未知的、在大距离上发生的对于哈勃定律的微小偏离——假如宇宙的膨胀已经开始“制动”的话。暂时还难于确认已发现了这种制动（它对了解宇宙未来的命运有极大意义，因为这表示膨胀状态将代之以收缩状态）。但是完全有根据认为，这个最重大的问题将在最近5 ~ 10年内彻底弄清。由残余体辐射的分析可知，宇宙年龄在仅为几十万年时，它是一团温度约为5000°的氢氦等离子体，其中充满了同样温度的均衡辐射。这种等离子体的密度适中，和天文学家熟知的行星状星云相同。

星系和恒星是在宇宙膨胀的晚得多的阶段形成的，当时宇宙的尺寸比目前小10倍左右。

这样，就用直接观测查明了宇宙从最简单的等离子云到现在这样有着丰富的结构细部和天体的宏伟发展图景。

自然也就产生了一个问题：我们能否根据实际观测事实来研究宇宙发展的更早期阶段呢？看来是能够的，不过要用间接的方法。例如，已经知道，宇宙中氦的主要部分是“原生”的，少部分则是在晚得多的时期内由氢在恒星内部的热核聚变过程中产生的。但后来又发现，在宇宙最初存在的几分钟内就已经有氦（看来还有氘）的初始合成。不需太久，迅速发展的中微子天文学就能对宇宙年龄只有几微秒时的情况进行实验研究。

到悠远的未来，宇宙会是什么样子呢？要答复这个问题，首先得知道宇宙是封闭的，还是开放的。换句话说，它将无止境地膨胀下去呢（“开放”宇宙模型），还是有朝一日膨胀将代之以收缩。预言“封闭”模型的宇宙比较简单。这种情况下，宇宙好比是在用反溯的方式重演自己的历史，到一千亿年后最终收缩为一个点。它又会开始膨胀吗？新的一轮“胀一缩”循环会不会完全重复以往的（即现在的）循环？这些问题暂时还没有断然的答案。

在“开放”模型的情况下（目前大多数宇宙学家支持这种模型），宇宙及其组成物质在无止境的膨胀中，在辽远得无法设想的未来就将发生一系列质的变化。必须强调，这里所说的是极端巨大的时间间隔，同它相比，初始爆炸后经过的100 ~ 200亿年不过是短短的一瞬。在离开我们如此遥远的未来，一个“开放”的、空间和时间上都无穷无尽的宇宙会怎么样呢？

首先，经过大约1014年（这比现代宇宙的年龄大成千上万倍），所有质量大于太阳百分之几的矮星在耗尽自己的核燃料之后，都会“冷却”。

这类恒星将变为白矮星，并在冷却中成为大小与地球相似而密度很高的“黑”矮星。尽管恒星相互靠近的事很少发生，但经过10?年后，行星终究会因此而“脱离”自己的“母星”。由于同一原因（恒星的偶然靠近），在1019年后，全部恒星中至少有90%都会脱离自己的星系，而星系的中央区域则将收缩，形成质量极大（109个太阳质量）的“黑洞”。到那时，由于宇宙的不断膨胀，相邻恒星间的距离将以好几十亿光年计。而到了遥远得无与伦比的未来，我们还要估计到物质的结构本身将会发生崭新的质变。例如，在大约10⁶⁵年内，任何固体甚至在绝对零度下都会变成液体！再经过大约10¹⁵⁰⁰年这样骇人听闻的漫长岁月之后，具有任何化学成分的任何物质都会变成铁。所以，在如此不可思议的遥远的未来，物质的基本部分——过去的恒星——都将变成行星般大小的球状铁液滴。这还不算完1在时间超过10²⁶年后，这些铁滴不是将变成中子星，就是将变成“黑洞”。虽然，这一过程还有许多地方目前尚未弄清。

不过，对待这类极端遥远的预测还得慎重些。比如尚不清楚，质子能否保持这样长久的稳定？或者它将逐渐变为量子和中微子？现代物理实验保证质子至少在10³⁰年内是稳定的。但以后呢？自然规律不会变化吗？人类多半将在下几次天文学革命之后得到这些动人心魄的问题的答案。

总结和前景

我们现在有一切根据认为，天文学中被称为“第二次革命”的、迅猛发展的“英雄”时期行将结束。是什么根据使我们得出这样极端的结论呢？首先应当记住，实际上，有关宇宙的全部信息都是从各种宇宙天体的不同频率电磁辐射的观测中取得的，这种情况还不知会继续多久。既然由于第二次革命天文学成了全波的，宇宙天体实在也就“无处藏身”，休想滑过天空研究者大军的注意了。自然，这里指的是在某一频段上有足够强的辐射功率，因而其辐射流能被我们的仪器记录下来的天体。当然，也可能宇宙中还有异常重要而有趣的现象，由于其能量辐射流的微弱而暂时（未到相当时期以前）滑过了天文学家的注视。比如，直到现在还解决不了如何在最邻近的恒星附近发现行星的问题。极弱的行星辐射简直就“淹没”在其中心恒星的强大辐射中了。不过可以有充分根据推断，几年后即将发射的大型轨道望远镜就会解决这个问题。

但是，问题并不在于宇宙的结构和发展中还有许多未被弄清、应当弄清的地方，而在于宇宙的“总图”、天体的相互联系、主要是宇宙的发展史都已被了解并且进入了绝对真理的范畴。我们可以说，在我们周围的宇宙中，已没有一个未被我们发现而又决定着宇宙天体的物理条件的基本因素了，只有与“奇异性”有关的问题，即目前尚不了解的、宇宙在其存在的最初瞬间的特殊状态（奇态）问题是例外。

让我们用一个例来解释上面的话。千百年来，人们欣赏着星空的景色，沐浴着太阳（地球上万物之源）的光辉，但同时，他们对恒星（尤其是太阳）辐射的本质是全然不懂的。实际上，宇宙间每个稍为重要的现象无不与核过程直接或间接相关。可是天文学却在料想不到这点的情况下发展起来并取得了卓越的成就！这样的事还会重演吗？对此我们可以斩钉截铁地回答：不会了。物理学、首先是基本粒子物理学未来的任何发现都不会从根本上改变由天文学第二次革命的伟大发现所建立起来的宇宙结构和发展的图景了。这个断言是完全负责的，作者清楚记得那个现已被人忘却的约里教授的记入史册、让人腻烦的例子，他劝告其学生普朗克不要把生命献给物理学这种“没有前途”的科学。但是第一，类比绝非论证，第二，我们也绝未以为进一步加深对宇宙的知识是件无意思、无前途的事。事情完全相反。

我们断言，物理学目前在物质结构上所达到的认识水平，原则上已足够解释宇宙间几乎所有的（如果不是全部）现象——奇异性问题除外。这些现象或是发生于原子、分子及辐射量子相互作用（星云、星系核）的层次，或是发生于核相互作用（恒星内部、恒星爆炸、星系活动核内的过程）的层次。所有这些情况涉及的都是物理过程，这些过程都已建立了与大量实验极为吻合的理论。这里也包括宏观磁流体动力学过程，其物理机制大体上已经明白并研究过了。

物理学的下一个未知领域是亚核领域，是夸克、胶子、层子*等等开始统治的领域。没有疑问，该领域的研究将把对物质本质的认识推到一个性质全新的阶段，但这种研究（照样除了宇宙的奇异性问题和恒星爆炸及星系核活动问题的某些方面之外）将不会使天文学根本改观了。

问题在于，这些新粒子是在相互作用能量超过几十亿电子伏的条件下产生和变化的。但这样的能量在现实宇宙条件下没有得到实现。

而跟宇宙奇异性有关的那类问题就不同了。在这方面，没有对物质结构的更加深入的认识，就根本谈不上会有重要进展。这是天文学第二次革命后才提出的基本问题。其中也包括宇宙（当然指封闭型）可能产生的振动问题，即当它膨胀到最大尺度时就要收缩，直到再出现一次奇态。这里还可以包括中子星内部结构的某些问题。如果撇下这些基本问题，那么，总结天文学第二次革命的成果，现可断言，以后再不会由于物理学的某项发现而使我们对世界的当前看法完全改观了。这是天文学以往几十年发展的最重要结果。

这是不是说，用诗人形象化的语言，“星星全部点清”，“世界彻底查明”的时代已经来到了？绝不是。这不过表示，（天文学）这门最古老的科学已经度过了自己过分拖长的少年时代而进入成年期了。大家知道，在认识过程之初，花较小的气力就能得到很有分量的成果，往后，认识真理就会困难得多了。这是任何一门科学发展的必然道路。牛顿墓志铭的作者就很懂这个道理，他写道，牛顿不仅是最伟大的，也是最幸运的科学家，因为宇宙的规律只能发现一次。所以，我们有充分根据认为，天文学中与第二次革命相关的“风暴与冲击”时期就要结束了。由于这次革命，我们的科学提高到一个性质全新的阶梯。首先需要做大量工作把第二次革命所绘出的世界图景详细化和精确化。科学的详细化是无穷尽的，对那颗极为有趣的天王星所作的全面研究就是一个实例。未来的“天王星学”可能比全套地球科学还要丰富得多。要知道，天王星有四颗大卫星，有一道尘环，有特殊的轴向旋转，还有其他许多特殊性质，全面研究这些，是一件最有兴味而重要的事。从天体物理学的观点看，任何一个不稳定的红矮星都比太阳“有趣”得多，而太阳物理学已是天文学中很受敬重、发展迅速的一个分支。那么，天文学家在研究总星系天体时，将面临何等巨大、何等充满意外的工作，这还用说吗！