1609年伽利略建造第一台天文望远镜时，他就开创了一种不断改进天文仪器的传统，这个传统一直继续到现在。伽利略以前最伟大的观测天文学家第谷 · 布拉赫（Tycho Brahe）以自己的眼睛这样精确地追踪行星运动，使开普勒（Johannes Kepler）能够用它们来论证他的行星运动三定律。伽利略用他的望远镜，通过观察金星的周相，通过显现一个按照哥白尼和开普勒的法则运行的微型行星系——围绕木星运行的若干卫星，证实了哥白尼的假说。空间、时间和运动，就这样成为一门精密的数学科学。

伊萨克 · 牛顿，在深思开普勒定律和伽利略关于下落物体的实验时，发展了动力学普遍定律和能够预言空间时间中运动的万有引力定律。理论物理于是被创立起来，并且用牛顿发明的微积分把他的理论表达为简洁的形式。在跟随这些发展时，科学家们通常习惯于采用理论物理和数学了解宇宙，天文学家还使用新发明的仪器来检验理论预言，建立了一种今天仍存在的范式。

对伽利略来说，把几千颗眼睛看不见的恒星显现出来，他的望远镜是够用的；但是，天文学家们很快就使用能以惊人精确度测定恒星位置的更好的望远镜，以便在地球转到恒星天底下时仍能使它们精确地保留测定时间。1838年，贝塞尔（Friedrich Bessel）对太阳之外一颗恒星进行了第一次距离测定，它就是天鹅座61，当地球从太阳系的一边巡行到另一边时，它显示了0.29弧秒的周年视差。通过这种方法测定恒星距离，从此一直是天文学的一个主要分支。

然而什么是恒星？即使尽望远镜之所能，它们看起来也是些分辨不清的光点，因而表面细节的检查也不可能。但在1823年，夫琅和费（Josef von Fraunhofer）在望远镜的焦点上用一个棱镜把一颗恒星的光一下子拆开为它的组成部分的各种波长，并且发现了许多暗的、横越光谱的“吸收线”。吸收线对恒星本性问题乃是关键。当代一个天文学家掌握的，一个高分辨力的光谱图告诉什么元素存在于恒星外部大气中（根据与实验室光谱相比较），那儿的温度和压力如何（根据热力学定律应用于原子的激发和电离），恒星的平移与转动，以及它的引力红移，如果有的话（根据谱线的波长移动），是否那儿现在有磁场（根据选择线的Zeeman效应）。

大约1895年，被称为天体物理学的关于恒星的物理研究处于高速发展中，《天体物理杂志》（Astrophysical Journal）也被创办出来发表成果了。做这种研究的仪器设备可能包括了棱镜和不断提高着分辨力的格栅分光镜以及这样一些较大的望远镜，它们可以提供足够的光，使得一颗恒星光谱的各个部分能够被研究。摄影底片使光谱以客观方式记录下来成为可能。原子和分子光谱的实验室研究，解释了按照日益复杂的模型所说的原子结构，使天文学家们有可能证认出太阳光谱中60种以上的元素。实际上，实验室测定和量子 - 力学计算会有可能测定元素相对的宇宙丰度。但是自然界中第二个最丰富的元素氦，是1868年，在实验室于1895年认出它之前很久，就在太阳色球层中第一次从光谱上发现的。

恒星物理学

这方面的研究完全是依据今天仍在应用的这种假定，即物理定律是普遍的，因而天文学的宇宙也是由那些在实验室中发现的相同定律所支配的。在验证这个由无数实例所表明的真理时，天文学增加了对浩瀚空间和时间区域的某些了解，这些区域不是太阳系居民能直接进去的。

正如恒星中的原子都是在我们身旁我们看到的同样东西，支配恒星的热力学定律、引力定律和辐射定律也都是在地球上发现的。爱丁顿（Sir Arthur Eddington）把这些定律应用于恒星结构，在1924年说明了这样一颗更大的巨星，它那很高的中心温度应该会避免引力坍缩，因而它那很大的辐射总量会推到它的表面。他关于一颗恒星的发光度与其质量的3.5乘方成比例关系的理论预言是能够检验的；天文学家们通过所观察的各种恒星辐射总量，同时估算了它们的距离，以此推断出这些恒星的发光度。碰巧在相互间引力吸引下彼此遇上的恒星，它们的运动通过它们光谱中的多普勒移动显示出来，它们的质量通过应用牛顿定律1来测定。爱丁顿的质量 - 光度定律的验证是战前天体物理学的顶峰，它证明物理定律对宇宙每个方面的应用是正确的。

爱丁顿意识到，无情流出恒星的辐射能必须用某种能源去取代。威廉 · 汤姆逊（Willian Thomson，即凯尔文男爵，Lord Kelvin）和赫尔姆霍兹（Hermann von Helmholtz）提出，贮藏于太阳中的热，能维持它目前的发光度大约只有30百万年。另一方面，岩石的放射年代表明，地球至少已有30亿年了。这个明显矛盾，直到1938年，在贝特（Hans Bethe）找到一种新能源即核聚变之前始终没有解决。贝特关于核反应的序列（碳循环）在太阳中心15百万度的温度上起作用，随着巨大能量6.3×10¹⁸尔格/克的释放，氢转变为氦。这个发现使天体物理学家们有可能去计算太阳和恒星的自洽模型，在这模型中，核心中释放的原子核能量，补偿了恒星表面发光而失去的能量。

目前关于太阳的模型，具有如陨星的放射年代所表明的45亿年，与观测符合得很好，包括由吸收线的多普勒移动观测到的太阳自由摆动中的最新数据。然而，有一个令人烦恼的问题。这模型预言，精力旺盛的中微子是在太阳深处通过⁷Be+¹H→2⁴He+υ的反应产生的。这些中微子应该立即逃离太阳，并且当³⁷Ar回复到³⁷Cl时（它的质子之一由于俘获一个电子而回复到一个中子，留下的原子处子激发态），通过反应³⁷Cl+υ→³⁷Ar+e^-，中微子应该可以被探测到。然而通过戴维斯（Jr. Raymond Davis）在布洛克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）二十年的努力，测定了太阳发射的只是所预言的中微子流量的三分之一。这个“太阳中微子问题”还没有解决。

甚至核能有时也逃走。恒星模型表明，氦积聚在核心中；当它达到恒星质量的10%时，外层便迅速膨胀到形成了那类实际上已被观测到的红巨星包层。烧掉不到10%氢的恒星仍处于“主序”上，辐射光线与发光度之间的关系被罗素（Henry Russell）和赫兹普隆（Ejnar Hertzsprung）从经验上发现了。主序是各种质量恒星的轨迹，它们在引力作用下缩小到从氢到氦的聚变的这个比率上，恰好足以补偿由爱丁顿的质量 - 光度定律所命令的因为发光而损失的能量。理论与主序的观测符合得非常之好。

主要突破发生在第二次世界大战之后，当时光电管使快速和精确地记录稠密星团中的恒星流动和颜色成为可能，赫 - 罗图因而能够标绘出许多这样的星团。在每个星团中都可找到有一个离开主序的有特征的“拐点”在它上面，发光的恒星演化到形成红巨星。根据所观测的“拐点”与理论模型的比较，能够计算星团的年龄 · 疏散星团，上百或上千个浸陷于我们银河系星际气体和尘埃层内的恒星的松散会聚，具有范围从几百万年直到几十亿年的年龄。另一方面，一百万或者更多的球状星团，分布在星系中心周围的球形晕圈中，它们看起来全都具有大致相同的年龄，估计在90亿年到160亿年之间。

巴德（Walter Beade）提出，我们的星系以及显然所有的螺旋星系，具有两种恒星布居。布居Ⅰ，包括疏散星团，由不断地从星际气体和尘埃中形成的恒星所组成；布居Ⅱ，包括球状星团，是在大约相同时间——很可能在星系本身形成的同时——形成的恒星。因为最老的恒星类似于所有星系，所以言外之意是大多数星系是在90亿年到160亿年之前形成的 · 太阳系已有45亿年，是布居Ⅰ的成员，因为它是相对新地从空间气体和尘埃中产生出来的。

星系和膨胀宇宙

二十年代曾争论了这样的问题，那些叫做“星云”的看起来模糊的物体是在我们自己星系之内的异常恒星团，或者相反，是像我们星系但离得很远的星系。辩论由哈勃（Edwin Hubble）在1925年作了调解，他使用夏普莱（Harlow Shapley）在1918年用过的同样技巧，表明从我们星系中心到太阳的距离是大约30，000光年；他用仙女座中的脉动变星，这些变星的脉动周期与它们的发光度一致，作为“标准烛光”而得到它们的距离。由于后来工作的修正，到仙女座的距离是二百万光年，远远大于我们整个星系。在这个超出太阳系尺度1011倍的距离之外的事例中，我们再次看到物理定律被普遍应用。

接近他退休的时候，哈勃已研究了距离大到20亿光年的星系。他在1929年发现了实际上所有星系的光谱都往更长的波长移动（红移），暗含了后退的意思。宇宙在膨胀中。然而，他发现一个星系后退的速度是与它的距离成比例的：v=这里H被称为哈勃常数。哈勃显然不知道宇宙膨胀已在1922年由俄国数学家弗里德曼（Alexander Friedmann）从理论上作了预言，弗里德曼把广义相对论应用于整个宇宙的演化。

哈勃的发现，被广泛转述于通俗刊物上，引起了轰动。与爱因斯坦相对论一道，向关于空间、时间和运动的常识观念提出了异议。牛顿曾提出，宇宙是一个均匀的、无限的、静态的构型。但英国数学家金斯（Sir James Jeans）却争辩说，任何大于称为“金斯长度”一定尺度的静态构型都会因为引力凝聚作用而不稳定，并且由于在一点或更多点上的坍缩而失去其静态性质。这与奥尔伯斯（Olbers）佯谬——如果宇宙是无限的话，则视线会在某个时刻碰到恒星表面，这暗示天空应该光辉夺目——一样激起了对牛顿模型的怀疑论。但有什么东西去代替它？

苦恼不是在于恒星，而是在于物理学。牛顿的引力与爱因斯坦1905年的狭义相对论是不相容的，因为它建立在对一个走得比光速还快的距离作用基础上。爱因斯坦狭义相对论可以根本不涉及引力，而在1915年，爱因斯坦导出了涉及引力的广义相对论。

相对性判定，既不是空间也不是时间，而只有事件的四维时 - 空，才是基本的。在广义相对论中，时 - 空几何学是曲线的，因为轨迹曲率是相对于物质/能量的轨迹密度。尽管这理论是复杂的，爱因斯坦1915年关于实验检验的预言却是可以被充分理解的。因为根据轨迹引力逃逸速度比光速的平方阶的总量，广义相对论不同于牛顿物理学，爱因斯坦提出的全部三个检验都要求非常高精确度的天文观测。

第一个检验即水星近日点按岁差向前运行应该比牛顿理论中说的每年要快0.43弧秒，已观测到但天文学家没有作出说明。第二，恒星冒出来的光应该在引力上移向较长的波长，后来得到高精密度的检验。第三即来自一颗刚好掠过太阳边缘的恒星的光应该弯曲大约1.75弧秒，这只有在太阳全食时才能够检验，因为这时恒星图像不会在阳光的炫耀中失掉。爱丁顿安排了一次在1919年南部美洲海岸日食时进行的检验。结果与理论一致，这个事实使爱因斯坦成为一位世界声望的人物。更近的是观测到了“引力透镜”，在其中，来自遥远的河外星系物体的辐射受到一个插入星系引力场的折射，在这情况下，物体形成了与第一个几乎完全相同的第二个图像。

在1915年论文中，爱因斯坦实际上已把他的理论应用于整个宇宙，但因为他假定宇宙是静态的，他发现，他把一个特定的“宇宙学常数”Λ引入他的方程，以便使这样的解成为可能。结果产生的一些模型体现了引力吸引与归因于Λ的“宇宙学斥力”之间的一种平衡。后来这样一些模型被证明是不稳定的；无论如何，它们显然是不必要的，因为哈勃在1929年发现，宇宙不是静态的，而是在膨胀着。爱因斯坦后来抛弃了他那特定的Λ。

弗里德曼的1922年模型以具有Λ=0的广义相对论为基础，预言了膨胀。均匀的和各向同性的，弗里德曼时 - 空的类空间截面，按照任何两物体间的速度与它们之间距离成比例关系而始终如一地膨胀，都与哈勃的观测相一致。弗里德曼方程有三类解，对应着三个不同的宇宙模型。开放模型在时间和空间上是无限的，按照双曲线空间几何而永远膨胀着。封闭模型在时间和空间上是有限的，按球面空间几何而膨胀，接着再坍缩。与这两个类型不相同的唯一模型永远膨胀但仅当所有后退物之间速度接近零时才达到无限；它的空间几何是平展的。在每一个模型中，1/H是对宇宙年龄的一种粗略估计。按照对H的粗略估计，25±8千米/秒/百万光年，估计年龄就在100亿到200亿年之间。

弗里德曼所有三个模型都具有在t=0时的奇异性，由于当t接近零时密度和曲率都接近无限大。在“普朗克时间”（近似10^-43秒）之前的宇宙历史，必须用量子引力理论来处理，这理论还不存在。但这仍然留下一大片有待探索的领域；对我们的宇宙来说，弗里德曼三个模型中哪一个是正确的问题，还可以通过经验研究去评说。

近几年宇宙学中最令人激动的发展之一，是把退离星系的非常大尺度的世界与粒子物理的非常小的世界联系起来。这个研究线索至少可以追踪到1940年代，当时伽莫夫（George Gamow）、阿尔弗（Ralph Alpher）和赫尔曼（Robert Herman）在他们对化学元素起源的研究中考虑了早期宇宙的条件。他们推论，如果宇宙具有有限的熵，则在压缩了的宇宙早期阶段中应该非常热，他们称之为“大爆炸”，他们还表明温度由1 MeV/t^?给出，t是以秒表示的宇宙年龄。由于1 MeV在能量区域中已为核物理了解得很好，看起来就容许往回推断这样的早期时间。

他们的计算，后来作了修订，预言了宇宙中的大多数重子（质子、中子和更奇异的核粒子）应该在¹H和⁴He中找，它们与总量很少的²H，³He和⁷Li一起，详细丰度依赖于宇宙中的熵。他们表明，为得到正常的丰度，宇宙就应该浸浴在温度大约5°K的黑体辐射之中。1948年的这个预言没有被穷追下去，但在1965年，彭齐亚斯（Arno Penzias）和威尔逊（Robert Wilson）发现了宇宙微波背景辐射，并且测定了它的温度是3.5±1°K。新近的工作已进一步证实，它的波谱像预言的那样是热的，温度已被更精确地测定为2.7±0.1°K。

宇宙的熵通过重子数与光子数的比率来测定。依靠对¹H，²H，³He和⁷Li丰度的观测提供最新装备，有可能推导出核合成时间（大约100秒）时的这个比率。因为比率守恒，并且重子数通过2.7°K背景来测定，那就可能推断出重子的质量密度现在大约是（1.7 ~ 5.5）×10^-31 g/cm³；这是与一个平展宇宙的理论密度（0.2 ~ 5）×10^-29 g/cm³（由于H=25±8）相比较的。这暗含了这样的意思，如果重子是对宇宙质量的主要贡献者，它们所突然下降的密度（由于1/100 ~ 1/10之间的一个因素）会要求通过它们彼此引力吸引作用而封闭宇宙；宇宙是开放的并将永远膨胀。然而，如我们将看到的，这个结果现在还是成问题。

新技术

第二次世界大战导致了对天文学有重要意义的大量先进技术的产生。我们已经谈了光电管。雷达的发展要求灵敏的微波接收机和天线，它们在战后被用来探索星系射电的发射，这类发射是贝尔电话实验室詹斯基（Karl Jansky）在1932年发现的，并在1942年由雷伯（Grote Reber）绘制成图的。雷伯找到了这样的证据，除了出自我们星系微弱放射的漫射外，还存在单个的源，其中之一是后来被验明为“射电星系”的天鹅座A，距离700百万光年（如果H=25）。

射电观测很快在澳大利亚、英国和美国建立起来，后来遍布世界各地；射电观测打开了一个关于宇宙的新窗口。结果是，不仅做冷物体像行星和星际尘埃云放射的射电波工作，如人们根据普朗克热辐射定律会期待的那样，而且也做非常有劲的事情，诸如超新星、坍缩星和活动星系，等等。其理由，根据谢克罗夫斯基（Shklovskii）所推断的，就在于爆发中的恒星和星系能够把粒子加速到GeV能量；虽然当同步加速器辐射在射电带中放射相对论性电子和正电子，由于它们在弱磁场中回旋而出现在空间，但相对论性核子实际上因为距离还是看不见的（尽管在它们与周围物质接触时它们产生的伽马射线可以通过发射到空间的仪器来研究）。

战争期间在德国发展的火箭技术后来传播到美国，科学家们开始把火箭用来作为大气层之上的高空仪器，研究谱带中的辐射如X - 射线和不能穿透地球大气的紫外辐射。弗里曼（Herbert Friedman）在1956年证实，太阳耀斑放射X - 射线，1960年代他在美国海军研究实验室（US Naval Research Laboratory）的小组对太阳系外的X - 射线源紧追不放，使用一种由杰科尼（Riccardo Giacconi）和罗西（Bruno Rossi）小组所建造的仪器而第一次揭示了它。这个工作在发射携带着X - 射线望远镜的地球轨道卫星时达到了顶点，这种望远镜发现了大量的X - 射线源。

射电天文家和X - 射线天文学家测到了相同的物体：旋转中知中子星（脉冲星），来自超新星爆发的震荡波，以及，尤其在赖耳（Sir Martin Ryle）和他在英国剑桥的同事们的工作中，活动星系核的更不可思议的现象（大部分非常活跃的星系核是类星体）。类星体所放射的强烈辐射，有的相信是由于气体在一个具有10⁶ ~ 10⁸太阳质量的黑洞上的引力合生。

恒星的死亡与复生

脉冲星是射电天文学家贝尔（S. Jocelyn Bell）、赫威希（Anthony Hewish）和他们的同事在1967年发现的。极为规律地每1.33秒放射着急剧的辐射脉冲的第一个脉冲星（叫做CP 1919），看来是奥本海默（J. Ro-bert Oppenheimer）和沃尔科夫（George Volkoff）在1938年从理论上预言的那类快速旋转的恒星。他们推论，如果一颗已失去其全部核能供应的恒星处于生命终点时，它应该坍缩为下列构型之一：白矮星，由电子的简并压强来供养；中子星，由核子简并压强来供养（核子在这些条件下几乎就是中子）；或黑洞，压强在其中不足以抗拒坍缩为一个怪物。

白矮星已经在1931年为钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）所预言了，并且也已由光学天文学家大量观测过。中子星是如此之小（10公里）而密（10¹⁵ g/cm³），以致它们似乎不可能被观测到，除非，由于某种理由，来自伴星的物质被合生到它们之上并且被加热到X - 射线温度；事实上，这些都是由X - 射线天文学家发现的案例。射电脉冲星不同，戈尔德（Thomas Gold）和帕西尼（Fraaco Pacini）在1969年各自提出，射电脉冲星是具有超强磁偶极子场的中子星，它产生的相对论性粒子作为电场的结果产生是与它们的快速旋转相联系的。这些粒子在磁场中放射旋转的同步加速器辐射的射束，造成了像观测者所转向的射束那样的爆裂。

巴德（Walter. Baade）和兹威基（Fritz Zwicky）1934年的早先意见认为，一颗巨星的核心坍缩为一颗中子星时，会释放出足以把恒星外层喷射每秒几千公里的能量，这样说明十亿个太阳当量的叫做超新星爆发，在1968年，当发现了金牛座一个快逨膨胀的蟹状星云中心有一颗周期0.033秒的脉冲星时，就进一步证实了；这个蟹状星云处于由中国宫廷天文学家在1054年7月4日观察到的一颗超新星爆发的遗址上。

即使中子星内部处于几百万度的温度，中子星物质也形成了超流体，而少量离子对仍然形成超导体。对这种前所未知的物质状态的洞察，是通过细心安排测定射电脉冲星时间来提供的。一般说来，它们的旋转率在减小，大概因为旋转能量转换给活跃的粒子，但有时，它们又突然快起来，显然因为一种“恒星颤抖”弄裂了固体表面，减弱了转动惯量。

超新星对星系演化是有决定性意义的，因为在核心坍缩中释放的中微子都淀积在恒星的邻近各层里，使这些层热到十亿度，并创发一种把外层吹到空间去的震荡波。在这过程中，某些原子核光致蜕变，释放的自由中子与其他核一起对周期表上从头到尾的全部元素的形成起反应。计算机模拟表明，反应产品的丰度显然与那些在太阳和陨星中观察到的非常一致，恰如同位素之比那样。这清楚地暗含的是，那些比氮更重的元素（氮是在低质量恒星中非爆发地形成的）主要归因于星系生命期普遍发生的超新星爆发。超新星在1054年，1572年和1604年在我们星系组成部分中观察到，从其他星系研究中推测，它们大约每个星系每个世纪发现一次。

新产生的天体元素会遇到什么呢？用种种技巧对星际空间的气体和尘埃的研究（与紫外辐射中亮星相对照的吸收线光谱学用空间望远镜，星际层区热量的电离和热的放射线光谱学，以及星际分子的射电光谱学）表明，尽管超新星残迹通常富有天体元素，正如所期待的那样，但这些残迹很快与周围气体相混合，以致丰度的分布相当均匀。许多天体元素如铁、硅和镁形成为超微观尺度的尘埃粒子，通过对我们所接受的来自遥远恒星的光线的消光，它们是可以观测得到的。红外区中独特的吸收线和放射线使人联想到，尘埃是由镁 - 铁硅酸盐所组成的，它在较密的星际空间层区中积_聚了许多层挥发物质，包括冰、甲烷、氨，以及更复杂的有机分子。

射电天文学家已发现了超过50种的星际分子，它们大多数是由碳、氮、氧、氢和硫所组成的——全是最富于化学活力的元素。显然，星际空间中一个复杂的化学存在物，它在高度非平衡条件下产生了某些分子，其中有一些像HCO⁺，它们所具有的射电波谱是过去从不知道的。根据紫外辐射离解和以H₂⁺发端的离子 - 分子反应建立的反应设计，似乎提供了一个对观测到的分子丰度的很好说明。

类似太阳的布居Ⅰ恒星，是由星际气体和星系中存在的尘埃，以及由此结合到先前超新星产生的天体元素而形成的。它们当中的大多数巨星很快耗尽了自己的核燃料（依据质量 - 光度定律），许多像超新星那样爆发，进一步丰富了星际间的养料并留给后来的中子星和恒星黑洞。质量稍低的恒星则膨胀到红巨星并相当缓慢地丧失能量，终于暴露了一个热的核心，核心冷却成为白矮星。甚至较低质量的如太阳一类仍处于主序阶段上的恒星，也稳定地把它们的氢转换为氦并把它们周围环境温暖到可能生活的程度。

太阳系

迄今为止唯一知道的行星系是我们的太阳系，它有九个行厘，大量卫星，无数的小行星和数不清的彗星。大多数理论家相信，太阳是由密集的星际云坍缩而形成的，3为它赋予未来太阳系的角动量是适度湍流的。这引起了远离中心的物质形成一个与太阳自旋方向相同的圆盘似的绕日轨道。导致行星的步骤必须发生在100百万年之内；它们可能包括一场下到圆盘中间平面的尘埃粒子雨；由于引力不稳定性，尘埃层浓缩形成了像我们已知道的微星那样的小固体；微星的碰撞和结块，形成了内行星以及外行星的核；在外圈圆盘的较冷部分中气体的引力合生则形成巨大行星木星和土星。

像行星运动那样飞近天体的宇宙飞船、沿轨道飞行的宇宙飞船和着陆器，都已提供了大量关于一门太阳系科学能够可靠建立的信息。已经有引人注目的见识，例如为什么地球保留了次级大气，它通过加热除气而生成、演化了一个适合于健康的环境，其中温度保持在形成一个温和的玻璃暖房效应的边界之内，而这时火星却失去它大部分大气，水星上的玻璃暖房效应也失去控制，由于它的表面变成像熔化的铅那样热。

为什么地球上存在生命？对这个问题的回答仍然是模糊的，似乎关系到某些事实。适当的气候让水保持液态，正如我们知道的，这看来对生命是基本的。因而做碳化学，尽管不明说为什么，碳存在于地球，而不存在于月亮上。行星形成的初步图像在这样的预言上绘制了轮廓，即碳被甲烷和一氧化碳锁住了，在形成地球的物质正在累积时的主导温度下，这两者都是气态的。由于观察到惰性气体被庞大因素所耗尽，认为碳也会被众多因素所弄光。这是为什么？安德斯（Edward Anders）提出一个看法，认为太阳星云中硅尘埃粒子表面上的CO与H₂之间的Fischer-Tropsch反应产生了重的和低蒸发压强的高分子碳氢化合物，因为这些高分子化合物保持固态，它们就在地球从微星中累积起来时结合到地球中来。后来，内部放射性引起的热把挥发物吹出来，包括形成了甲烷和一氧化碳的碳，使得生命成为可能。安德斯的假说对戈尔德（Thomas Gold）的推测提供了支持，戈尔德提出，大量的甲烷可能仍留在地球内部，等待着未来一代去轻轻地叩门。

彗星可能也是通过太阳系生命早期的大量碰撞而获得了碳的化合物。碳的球状陨石，它包含碳的质量高达4%，在Fischer-Tropsch有机分子形成中有许多，可能就是彗星的衍生物。现在对哈雷彗星的观测提供了 · 一个检验这个假设的机会。

彗星是有迷惑力的，因为它们提供了行星与星际空间深处之间的一种联系，从而对我们早期历史也提供线索。大多数是在半径比太阳与地球之间距离大约大10，000倍的巨大的“奥特云”（Oort Cloud）中迭生的。我们观测的少数彗星是那些由于所经过的恒星引力吸引作用而摄动进入短周期轨道运行的。分光镜分析表明，彗星是由大量与硅的微粒在一起的挥发物如冰水、甲烷、氨等组成的。在地球上层大气搜集的“Brownlee粒子”也许是彗星的起源；它们类似天文学家所相信的星际尘埃。简单说来，彗星也许是由星际尘埃组成的，这些尘埃累积了伴随未来太阳系坍缩的高密度条件下的挥发性覆盖物。

在影响生物学演化方面小行星或彗星碰撞的作用如何，是现在正在研究的。地质学家发现，与65百万年前物种的大规模灭绝有关系的白垩第三纪边界层的岩石，包含异常的高数量的铱，一种在陨石中很丰富的元素，这导致了下面的看法，即，像彗星这样遍及地质时间的物体的冲击，已周期性地打断甚至刺激了生物的演化。这样的碰撞可能产生了在冲击后立即出现密集的尘埃云，还可能有范围很广的火灾引起了煤烟，于是切断了阳光并改变了行星的气候。这个剧情解说是得到新近在白垩第三纪边界层中煤烟似的碳的发现所支持的。这是否可能，大量植被由于阳光不足而死亡，为闪电燃起全球大火提供了燃料呢？

宇宙的演化

天文学探索已引导我们从大爆炸到生命的出现。大多数天文学家今天的工作都带有这样的假设，即地球上的生命是那些同样贯穿于宇宙的物理定律所支配的有规则过程的一个结果。大爆炸产下了轻元素和那个构成宇宙黑体辐射的熵。在宇宙起源之后大约100，000年，当冷到4，500°K时，辐射就不再妨碍小方位角而是在早期宇宙规定密度下的大尺度变差。在本身引力下，变差开始缩小，形成星系。星系范围内引力坍缩的类似过程就导致第一批恒星，其中一些恒星像超新星那样爆发，使天体元素进入周围气体中，因而后来的一代恒星包含这些元素。在太阳方面，这使得行星能够形成，并在其中一颗行星上，生命发源和发展到这一程度，即宇宙现在能够在称为科学的过程中反思自己。

我们相当随便地涉及到了宇宙起源，但事实上，这是天文学提出的最深奥的问题。究竟“宇宙的起源”作何解释？此外，究竟有深究下去的希望吗？粒子物理的新近发展已推动我们更接近这个问题。三种力——电磁、弱和强——的统一，已在GUTs或“大统一理论”中作了尝试。根据盖思（Alan Guth）的说法，这些理论的各种版本都会预言，当宇宙有10^-35 秒年纪并处于10¹⁵ GeV温度时，由于在重新开始其正式的弗里德曼膨胀之前的至少10²⁶的一个因素而快速膨胀。如果这情况发生，则宇宙应该是非常接近平展模型，因为实际的宇宙在膨胀之后会比观测得到的宇宙大得多。但这个预言与根据核合成计算出来的不一致，核合成计算仅仅给出1/100 ~ 1/10总质量，需要通过引力吸引作用来封闭宇宙。确实，也与可归属于星系的平均密度测定不一致，甚至修正了星系外层部分中未被看见的物质时，其产量也趋向于需要封闭宇宙的仅仅1/10左右物质。坦白地说，宇宙似乎是重子配制成的，并且似乎是开放的，与膨胀模型的预言相反。然而，可能是GUTs所容许的奇异粒子——诸如大量的中微子、轴子和光子——已在看不见的、迄今仍检验不了的“幻影星系”（shadow galaxies）中形成了。只有更大范围的观测和理论研究会告诉。

在10¹⁵ GeV和10^-35秒之前发生了什么？不确定性原理告诉我们，在那之前的条件将不是可理解的，直到懂得一门引力的量子理论为止。不管最近整整十年的巨大努力，如上述的一门难倒物理学的理论，新近却存在一个希望的浪涛，它集中于一种高维的超弦理论，按照这种理论，时 - 空的四维是在其他六维卷曲成小于厘米横截面的弦之后所剩下的。要说这样的理论是否将告诉我们“无”如何变成“有”——或者它们在暗地里是否真的是相同的东西，还为时过早。

（参考文献略）

[American Scientist，Vol. 74，1986年3 ~ 4月]

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* 作者George Field是史密逊天体物理观测台工作的一位资深的物理学家，也是哈佛大学应用天文学的罗伯特·惠勒·威尔逊讲座教授。