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在上编《太阳元素的发现》中我们讲了科学家们是如何发明了光谱分析方法，可以不离开地球就能够研究太阳的化学组成，并且先在太阳上发现了元素氦，后来又在地球上也找到了氦。在中编《打开原子的大门》中是从19世纪末的科学三大发现——X射线、电子和放射性的发现说起，讲到了20世纪科学家们是如何打开了原子的大门，并从中解放出巨大的能量——原子能。在本篇中我们将要沿着科学家走过的足迹，看看他们还研究了什么，发现了什么？而这次将把我们的眼光从地球、太阳、恒星一直延伸到宇宙的深处，也就是说要研究大宇宙的奥秘，然后再转回到小宇宙，进一步探究生命的奥秘。 如果说，比原子、分子更小的微观世界的大门是从上一世纪末开始到本世纪中期才打开的。那对于地球和地球以外的日、月、星辰的研究和探索，则是与人类文明的发展同时起步的。所以，天文学是一门最古老的科学。 在远古，人类为了生活和生产的需要就要观察天象。从日月星辰运行的规律，辨认方位，确定历法，了解季节变化……一些古代神话也大都和天文有关，例如中国就有，盘古氏开天辟地，女娲氏炼石补天，夸父追日，后界射日，嫦娥奔月……世界各民族也都有不同的创世纪的幻丽神话。 关于宇宙的构造，在中国古代就有浑天、盖天和宣夜三种学说，这都是根据当时积累的各种天文现象观测后提出的假说。其中浑天学说与欧洲古代的宇宙观类似。大意是“天如鸡子，地如卵中黄。孤居于天内。天大而地小，半覆地上，半绕地下，故二十八宿半见半隐”。后汉时期张衡根据浑天说制作了一个浑天仪，是在一个大球内刻画着日月星辰，用水轮机转动，人可以钻到里面去看，与实际的天象相合。当时的大学者蔡邕就说过他愿意终生躺在浑天仪内，由此可见这仪器之精巧，这可以说是世界上最早的天象馆。 在欧洲，一直流行着多重天的地心学说，地球在中心，外面有一层层的天球套起来，月亮、太阳和各个行星的天球，最外层是恒星的天幕，而天幕外面则是神居住的地方。张衡的浑天仪是用水轮机运转的，欧洲则设想天球外面有神的机械在运转各重天。这就是托勒攻的地心体系，为神保留了至高无上的地位。在欧洲中世纪传下来一幅画，画的是一个僧侣长途跋涉到了天边，钻出恒星天幕去窥探，看到了神的机械。 到了中世纪末，欧洲文艺复兴的浪潮冲击着各种旧思想。旧观念。哥白尼于1541年发表了“天体运行论”，提出了太阳中心说，从而把神在宇宙中的位置用科学推出去，让他们无容身之地。此后，天文家们观测行星的运动有了正确的坐标（地球和行星绕着太阳转），而后德国的刻布勒根据长期精密的观测确立了行星运动的三大定律，而牛顿正是在这基础上创立了他的万有引力定律（有不少人说牛顿是看到苹果落地从而发现了万有引力，这故事是骗小孩子的胡说）。所以牛顿说“我是站在巨人的肩上，才能比他们看得远些”。 天文学的进一步发展是由于望远镜的发现，这使人们的视野拓宽和延伸了。意大利的伽利略听说荷兰眼镜制造师发明了望远镜，于是在1809年自己设计制作了望远镜。他第一次观测就发现了月球上面的环形山，木星有4个月亮（卫星），土星似乎是3块（后来发现这是光环），金星有盈亏变化，银河是由无数密密麻麻的恒星组成的。 望远镜的发现使天文学发展到一个新时代。当时，各国的天文学家都在制作天文望远镜。天文望远镜越大，看到的恒星数目就越多，而当时人们再也不认为恒星仅仅是一块天幕了。宇宙是有限的还是无限的问题就摆在人们的面前。 什么是宇宙？我国汉代高诱注释《淮南子》一书时说：“四方上下曰宇，古往今来曰宙。”换句话说，宇宙就是空间和时间的连续体。至于宇宙有多大，汉代天文学家张衡说得好：“宇之表无极，富之端无穷。”也就是说时间和空间是无限的。 关于宇宙有没有尽头的问题，我们不禁想起我国古代《列子》一书中记录的一段对话。殷汤（王）问于夏革（大夫）：古初有物吗？夏革说：古初没有物的话，今天哪能有物。殷汤问：然而上下四方有极尽吗？夏革说：在无极之外复无无极，无尽之中复无无尽。无极复无无极，无尽复无无尽。所以我只知道是无极无尽，而不知道是有极有尽。所以天地大小相含，无穷无尽。你怎么能知道在天地之外不会有更大的天地呢？ 在《列子》中讲的是一段哲学推理，但清楚地说明了宇宙的无穷尽原理。这个思想远远地超过欧洲中世纪的宇宙模型。 望远镜的发明，成为天文学家的有力工具，望远镜的口径越大，观测到空间深处的天体越多，宇宙真是无边无际的。 在研究宇宙是否有穷尽的时候，有一位德国医生、业余天文爱好者奥伯斯（1758-1840，以发现小行星和彗星而出名），他在1826年提出一个十分有趣的问题：“夜间天空为什么是黑的？” 夜空是黑的，这当然是谁都看到的，但奥伯斯问：如果宇宙是无限的，那么天空将均匀地布满恒星，无论从哪个方向看天空都会看到星星，所以整个天空将显得很明亮，亮得像太阳一样。而实际不是这样，所以宇宙空间可能是不透明的，遥远空间的星光被不透明的星际物质吸收了。 奥伯斯的解释并不正确，被称之为“奥伯斯佯谬”。但他提出的问题标志着科学宇宙学的萌芽，围绕着这个问题的解决，使人们进一步加深了对宇宙的认识。 人们有了望远镜，就看到了宇宙深处，不仅看到越来越多的恒星，还看到了在宇宙间有众星簇成的星团，有弥漫的星云，有成为旋涡状的星云。这时就产生了一种想法，恒星难道是同时产生的吗？就像我们走到森林中去，看到的树木有的年老，有的年轻，星星是不是也有生老病死呢？我们看到的星星肯定有不同的年龄。在这时有人假设，观测到的星云应该是刚刚形成的恒星。然而，那时的人们错了，错在当时还没有弄清楚各个天体离我们有多远，当然也不可能知道这些天体有多大了。 当时，我们能够研究的天体就是我们的地球，还有一些从天外飞来的不速之客——陨石。在分析它们的化学组成后，就发现天外来客与地球本身相比，并没有什么特殊之处。显然地球外面的天体的物质组成应该是与地球没有太大区别的。但是飞到地球之外去研究别的天体，在上一世纪只能是幻想。 对于地球我们可以研究它的成分，但是对于地球以外的天体呢？我们离不开地球，所以也就无从去研究它们的化学组成。 1825年，一位法国哲学家孔德在他的实证哲学讲义中说：“恒星的化学组成是人类绝对不能得到的知识。”后来，1860年，法国天文学家弗拉马里翁也说：“要想解决恒星世界上的温度高低，我们是永远得不到有关的数据的。”然而他们的结论都下得太早了，这些不能解决的问题不但解决了，而且解决得很好。这归功于光学的成就，那就是光谱分析，这在本书的上篇《太阳元素的发现》中已经讲过了。 光谱透露了太阳的秘密，同样也透露了星光的秘密，此后不仅望远镜，还有分光仪也成了天文学家手中有力的武器。1868年法国的詹森和英国的罗克耶几乎同时发现在太阳上有一条新的谱线，那就是氦（太阳的意思），这是在地球以外发现的新元素（后来在地球上也找到了氦）。当然科学家们利用分光仪在地球上到处搜索，又找寻到了更多的新元素。 于是，孔德的预言破产了。利用光谱人们可以在地球上研究恒星的组成。不仅如此，在打开了原子的大门以后，科学家们发现了光谱线形成的奥秘，并且还可以由光谱来测出恒星表面的温度等物理状态。于是就兴起了一个研究恒星光谱的高潮，并且把恒星按光谱分了类。 我们在夜空中可以看到无数的繁星，但是仔细观察就会发现，恒星有不同的颜色，有的红，有的黄，有的白，有的蓝。显然，这是由于恒星表面温度不同，红色的温度低，而蓝色的温度最高。在掌握了光谱分析这一武器后，就可用来研究所有能观测到的恒星。 天文学家们拍摄下来各个恒星的光谱图，这实际是恒星的物理和化学性质的档案。他们把恒星按光谱分了类，并分为O、B、A、F、G、K、M七大类。另外对有特殊情况的恒星还有R、N、S三个副类。大略地说恒星的表面温度按O～M次序减小，也就是说单位面积上发光的亮度减小。例如，参宿七是B型星，表面温度12000K；天狼星是A型星，表面温度约为10000K；织女星也是A型星，表面温度为9700K；心宿二是M型星，表面温度为3650K；参宿四是M型星，表面温度约3500K。我们的太阳表面温度为6000K，是一颗G型星。 过去我们把天上的大多数星星叫做恒星，这个“恒”字意味着永恒不变的意思。那只是人们夜观天象时发现它们在天空上的位置等似乎是永不改变。但长期观测后，就发现恒星也在运动，也在“自己行走”，这叫做恒星的“自行”。 有了望远镜，人们就能观测到越来越多的星，也发现了恒星的许多细节。除了颜色不同恒星的亮度也彼此不同，过去人们用肉眼去观测，根据恒星的亮度把它们分了等级，叫做星等，分为1～6等。6等星是人们肉眼能观测到的最暗的星，1等星则比6等星亮100倍。还有少数星比1等星还要亮，那可以推上去，定为O等、-1等、-2等、-3等……有了望远镜以后，人们观测到了更暗的星，那就推下去，定为7等、8等、9等、10等……也就是说星等的数值越大，星就越暗。反过来，星等的数值越小，星就越亮。如果我们假定所有的恒星的亮度都一样，那么亮星就离我们近，暗星就应该离我们远。但是当人们设法测量出某些恒星离我们的距离（以光年为单位，即光线走一年的距离，约等于946051亿公里）后，就发现亮星虽然离我们较近，但在距离上也有很大差异，而离我们最近的星并不是我们看到的最亮的星。例如，我们看到最亮的恒星是天狼星，距离我们8.65光年，而夏季在南部天空看到的红色亮星心宿二则离我们约410光年，织女星离我们26.3光年，冬季看到的猎户座中最亮的星参宿七则离我们约有850光年，参宿四则离我们约有600光年。而离我们最近的星则是半人马座α星（南门二），只有4.2光年远。 所以，必须推翻那种亮星就近的假定，要研究恒星就要求把所有的恒星都放在同样距离来比较亮度，这样才公平合理。天文学家们把这个距离规定为32.6光年，而这时恒星的亮度叫做绝对星等。把几颗我们看到的亮星摆到同样的标准距离后，离我们最近的南门二变得几乎刚能肉眼看出来（绝对星等为4.38）；天空中最亮的天狼星也降为一般的亮星（绝对星等为1.43）；而参宿四（绝对星等为-6）、参宿七（绝对星等为-7.1）和心宿二（绝对星等为-5.3）的亮度则增大到比最亮的行星——金星还要亮得多（金星最亮时日视星等为-4.4）。看来，恒星的形态大小确实有很大的差别。 本世纪初，天文学家们用恒星光谱类型（相当于表面温度）作横坐标，用恒星的光度（绝对星等）作纵坐标，把各个恒星标在图上，制成恒星的光谱-光度图。于是就发现恒星在图上主要分布在中间一条反7字形的叫做主星序的带上（在主星序上的星叫做主序星），此外在右上角有一些恒星，在左下角还有一些恒星。经过这样排比，发现在右上角的星表面温度低而光度却大，所以恒星的体积一定很大，就名之为巨星。例如参宿四和心宿二就是有名的巨星，与太阳系相比，参宿四的半径可以超过太阳系中火星的轨道半径。而左下角则是炽热的、密度极大而体积很小的恒星，这类恒星名叫白矮星。例如，我们看到天空中最亮的恒星——天狼星就有一颗肉眼看不到的伴星，两颗恒星靠引力作用相互绕转。天狼星的这颗伴星的质量大约和太阳相等，但半径仅仅是太阳的0.73％，即比地球还要小，但表面温度竟高达26000K。白矮星的密度可以高达105～107克／厘米3。 为了了解恒星，天文学家们做了大量的工作，测定它们的亮度、距离、光谱、表面温度……然后进行分类，终于在恒星的光谱-光度图上找出了头绪，从而奠定了恒星演化研究的基础。 恒星肯定会像其他运动着的物质一样，也有生老病死。在恒星的光谱-光度图上，倒底哪些是年轻的星？哪些是年老的星？它们之间有什么关系？又是怎样演化的？这就有许多推测，也提出了不少假说。而真正解决这一重要的演化问题则是在爱因斯坦建立了广义相对论原理以后。 天文学家在拍摄恒星和天体的光谱时常常要和一个标准的光谱相比较，于是就发现了一些新的现象，那就是有的天体的光谱中的光谱线，例如氦的光谱线不在原来的位置，光谱线的波长似乎变长了，也就是向红的那边移动了（在可见光的光谱中红光的光波最长，紫光的光波最短），这叫作光谱红移现象。 1842年奥地利的物理学家多普勒曾经指出，光源和观测者之间如果有相对运动，光的频率会被压缩（相互趋近时光的频率向紫端移动）或被展宽（相互远离时光的频率向红端移动），相对运动的速度可以由光谱紫移或红移的量推算出来。这就是有名的多普勒效应。 我们可以在火车道边证明一下多普勒效应，当一列火车从远方向你开近时，你会听到声音频率很高的尖啸声向你走来，当火车离你远去时，声音频率就会降低，这是音频的多普勒效应。对光波的情况也是一样，这样一来，天文学家们就可以根据天体的光谱线的红移程度，来推算天体远离我们的速度。 研究和分析的结果是很令人吃惊的。原来越是离我们远的天体，光谱的红移越大，也就是说远离我们的速度越大。于是天文学家们得出了一个看法，那就是说今天我们观测到的宇宙正在膨胀着（请注意，不是以地球为中心在膨胀，而是整个宇宙在膨胀）。 著名的美国天文学家哈勃（1889-1953），认真地研究了光谱的红移规律，确定了根据红移的量来确定天体离我们的距离。是他首先确定过去观测到的旋涡状星云不是我们银河系内的天体，而是银河系外和我们银河系可以等量齐观的巨大的恒星体系。例如在仙女座肉眼可见的仙女大星云M31，就是一个离我们最近的恒星系，哈勃在1923年最早测定了仙女座大星云的距离（现在测定仙女座大星云距我们约220万光年）。它比我们的银河系还要大（我们的银河系内约有千亿颗恒星和大约等于百亿个太阳质量的星际物质。是个扁平的圆盘，圆盘的直径约为10万光年）。 哈勃还根据恒星特别是遥远星系的光谱，观察并测定出它们的视向速度，即它们都在远离我们，而且离我们越远的天体远离我们的速度就越大，并几乎成正比关系。这被称为哈勃定律。正是根据哈勃的观测，建立起大爆炸的宇宙起源模型。 所以，人们认为哈勃是现代宇宙学的奠基人。 随着科学的进步，人们进一步认识了光。原来光是电磁波，但我们肉眼能见到的光只是电磁波的一段，比光波更长的还有红外线、无线电波（通俗地说），比光波更短的有紫外线、X射线、γ射线等。为了收集来自宇宙空间的信息，补充眼睛的不足，人们开始用照相底片收集记录宇宙间的信息，进一步扩大了视野。 1931～1932年，美国新泽西州贝尔电话实验室的无线电工程师央斯基，在进行长期无线电通讯的过程中发现常有“嘶嘶”的噪音出现，他在天空中寻找噪音的来源，终于找到了！美国《纽约时报》在1933年5月5日头版发表了“来自银河中心的无线电波”的消息。可是在当时这只是一条新闻，并未引起科学家们的广泛注意。他们不知道观察宇宙的另一个窗口已经打开了。地球的大气层只能放一小部分波段的电磁波过来，而其余部分或是被吸收，或是被反射掉了。所以我们隔着大气层并不能观察到宇宙的全貌。 二次世界大战后，由于雷达技术的发展，可以精密地定向地收集无线电波，这很快就被用于天文学，就形成了一个新的天文学重要分支——射电天文学。 射电天文学的发展使人们看到宇宙中更多的奥妙。不仅仅发现了射电星，还完成了60年代被称为天文学的四个重大发现，那就是：星际分子、类星体、脉冲星、微波背景辐射。 在这些发现的基础上，人类对大宇宙的认识又迈进了一大步。 几乎各民族都有古老的关于宇宙万物起源和产生的神话。在我国就有盘古氏开天辟地的神话，封建社会的蒙学读本《幼学琼林》一开始就说：“混沌初开，乾坤始奠，气之轻清上升者为天，气之重浊下凝者为地。”这些都是关于宇宙起源的朴素观点。 正如上面所介绍的，人类对宇宙的认识不断拓宽，从肉眼到光学望远镜，从光学望远镜到射电望远镜，由于地球大气的阻碍，我们在地球上还是不可能收到全方位的信息。到了宇航已成为现实的时代，人们理所当然的把望远镜搬到地球之外，这就是世界上最新的望远镜——哈勃望远镜。这是1990年4月24日送到离地球613公里轨道上的最先进的望远镜。从而摘掉了地球大气层这个遮眼罩。 根据现在的观测和理论，认为我们所在的宇宙起源于约150亿年前的一次大爆炸。在那时也可以说是混沌初开。而这大爆炸的起点的状态是当今天文学、物理学研究的热点。现代科学家认为在最原始状态下电磁作用、弱相互作用、重力作用都是统一的，在大爆炸的一瞬间开始，重力场、电磁场相继独立出来，此后才由原物质形成质子和中子，随着宇宙物质的进一步演变生成现有的原子核和原子。我们的银河系大约在100亿年前形成。关于以后宇宙物质的演化，下面我们将较详细地介绍。 现在我们已经知道我们的宇宙是一个阶梯式的宇宙，恒星组成星系，一些星系组成星系团，各星系团又组成我们观测到的宇宙——总星系。这种阶梯式的宇宙曾经解决了前面提出的奥伯斯的光度佯谬。而如今膨胀的大爆炸宇宙模型更好地解释了天空为什么是黑的。而奥伯斯问题的提出是建立在均匀的恒稳态的宇宙模型上的，这与实际观测的结果不符。 现在的问题是在大爆炸前宇宙是什么形态，如果在大爆炸的那一瞬间把时间作为0的话，那负时间宇宙会处于什么状态？再就是我们所处的宇宙膨胀有没有尽头。这就有两种模型，一是无限膨胀，终于完全散开了去；一是膨胀到了极限又会收缩，也许会又缩回到原始的致密状态。这一切还有待天文学家们进一步观察研究。 宇宙是有限还是无限的呢？是无限的。我们目前用哈勃望远镜已经观测到120亿光年远的天体！但这只是我们目前认识的前缘，并不是宇宙的极限。在我们的宇宙体系外肯定还有别的宇宙体系。正像古代哲学家说的：宇宙是大小相含，无穷无尽，宇宙之外还会有更大的体系。只是目前我们的认识暂时还难以达到而已。 打开元素周期表，可以看到，我们居住的地球上现已发现有110种化学元素；而且科学家们还在研制人造重元素。可是，大家也都知道，太阳主要是由氢这种元素组成的。为什么地球有这么多的元素呢？ 原来，万物都在运动、变化，都有自己的起源和演化规律，构成宇宙万物的各种元素也不例外。的确，在地球现今的条件下，我们还没有看到铁演化成金的过程。但是，一些放射性元素如铀、钍等，确实正在不断蜕变为铅。人们不禁要问：再经过一段长时间，铀、钍等放射性元素既然都会变成铅而消失，那在此以前，这些重元素又是如何产生的呢？这就是元素的起源和演化问题。这个问题和天体的起源和演化密切相关，同样是科学家们探索的重大问题。 早在1886年，英国著名科学家克鲁克斯曾发表了一篇论文《元素的产生》，提出：所有的元素都是由一种原始物质逐渐凝聚成的，这种在元素产生以前就存在的物质名叫“Protyl”。此后，人们关于放射性、核反应、核能的发现，使得人们对元素的认识更深了一步。但真要解决问题，只有跳出地球，到大宇宙去研究才有可能。也就是说，先要解答宇宙间的元素是从哪里来的。 尤里先生是美国人，谈到他总是把他和重氢的发现联系在一起。 前面我们已经讲过，老汤姆逊是怎么样称量原子核的，并且和他的学生阿斯顿一起发现空气中的氖有两种不同质量的原子，也就是说氖有两种同位素——20Ne和22Ne。后来阿斯顿又制成了质谱仪——称量原子和分子质量的仪器，发现大多数元素都有几种同位素。 但是，最轻的元素——氢有没有同位素呢？许多科学家都在找，但是一直没有找到。玻尔的学生尤里1931年底在蒸发了大量液体氢之后，把残留的液体氢用光谱检测，终于发现了原子核质量数为2的氢的同位素。因为这个同位素太重要了，所以得到单独的命名和符号，那就是氖（符号为D，音刀）。1934年，卢瑟福又人工制造了氢的质量数为3的放射性同位素，它也得到单独的命名和符号，那就是氛（符号为T，音川）。人们通常把氛叫做重氢，而把氚叫做超重氢，相应的氖和氧化合生成的水就名叫重水（分子式为D[[[2O）。 由于发现了重氢，尤里在1934年获得诺贝尔化学奖，当时他仅仅41岁。他所以能发现重氢，是利用了在波尔那里学来的知识，首先计算出原子核质量数为2的氢的同位素的原子光谱谱线的位置（谱线的波长），又参考了老汤姆逊和他的学生阿斯顿一起验证空气中的氖有两种同位素的实验方法，终于获得了成功。 重氢和重水是发展原子能事业的重要材料，1933年尤里在美国的老师路易斯利用电解水的方法得到了第一小滴纯重水，并且测定重水的密度是1.108，沸点是101.42℃。1934年挪威利用廉价的电力建成世界第一座重水工厂。二次世界大战期间，美国研制原子弹，尤里是重要的科学顾问，负责铀-235的分离和重水的工业生产。 第二次世界大战后，尤里转而研究宇宙化学。他对半个多世纪以来科学家们积累的关于地球、陨石、太阳、恒星、星云等各种宇宙体的元素和同位素分布的资料，进行了统计分析并于1951年第一次发表了元素在宇宙间的分布数据，1956年进一步修订后，作了一张元素在宇宙间的分布曲线图。这张图是以宇宙间元素的同位素的相对含量为纵坐标，以核的质量数为横坐标画出来的。概括地说，氢最多，氦次之，再次为碳、氮、氧，并且随相对原子质量的增加而迅速减少，但到了铁时有一个突然增多，而比铁更重的元素则又是逐渐减少。 这样，就进一步发展了元素起源和宇宙学理论。 尤里的宇宙元素相对含量分布图，和前面讲的恒星的光谱-光度图一样，对宇宙学的研究工作十分重要。科学家们必须对我们观测到的现在宇宙的元素分布作出科学的解释，还要说明其演化过程。 宇宙间元素的分布规律又与天体的演化态有关。一般说来，在早期形成的星中，金属／氢的比值很小，而年老的星这个比值则增大，在超新星爆发时，会生成放射性元素，甚至还发现有超铀元素。于是，元素的演化又成了宇宙学家研究的课题，他们先后提出了平衡过程假说，中子俘获假说，聚中子裂变假说等，但都难以圆满解释现有宇宙中元素分布的规律。成功的是1957年提出的恒星中生成元素的假说（这个假说由Burbidge夫妇、Fowler和Hoyle共同提出，所以简称B2FH学说），这个假说也是建立在大爆炸宇宙学的基础上的。 这个假说认为随着恒星的形成、演化和衰亡的过程，在恒星的核心分阶段地生成了由轻到重的各种元素。B2FH理论基本解释了尤里的宇宙间元素的分布曲线。 现代宇宙学认为：原始宇宙是完全由中子组成的非常炽热、非常稠密的大火球。后来，宇宙开始膨胀并变冷，这时中子蜕变为质子和电子。这种由中子、质子和电子组成的原始物质名叫“太素”（Yelm）。 当原始宇宙温度下降到109～1010K时，原始物质开始结合成氖和氦（当然绝大部分还是氢），这是原始的星际物质。根据B2FH理论，原始的星际物质靠引力收缩形成一些团块——原始恒星，同时内部温度逐渐升高，当恒星内部温度升到7×106K以上时，氢的核聚变开始，核反应的辐射膨胀与恒星的引力收缩相抵制，恒星发光并进人相对稳定状态，这时恒星内部的核聚变有质子-质子循环和碳-氮循环两种。这是恒星氢燃烧阶段，一般可稳定进行100万～100亿年。我们的太阳已进行了约46亿年，估计还将继续50亿年。这一阶段在恒星核心生成氦，同时还有一些碳、氮、氧等元素的形成。 当恒星核心的氢全部转为氦（约占恒星总质量10％～15％）时核反应停止，引力收缩占优势，结果使核心温度上升，恒星外壳膨胀，变成红巨星。当核心温度升高到108K，密度也骤增，开始了新的核反应——氦燃烧。这时恒星变成脉动变星（这类恒星有规律的膨胀和收缩像脉搏一样）。氦燃烧主要是三个氦原子核结合成碳核的聚变反应，然后再生成氧。 如果恒星足够大，那么还将继续收缩升温，发生碳和氧燃烧（聚变）过程，生成硅、钙等元素。更进一步则是硅燃烧（又名α过程），其核反应机理是硅核光解生成高能α粒子，α粒子又与别的核结合生成铁族元素。当恒星演化到这个阶段，核心的温度可以增高到4×109K，这就使核达到统计平均状态，生成元素周期表上铁附近的多种元素。这个过程是e过程（平衡过程），结果是生成铁质核心。到这时，恒星就进人风烛残年了。 据B2FH理论，比镍更重的元素不能靠聚变反应生成，而是由一些重元素核在恒星中连续俘获中子形成的。在大质量恒星（质量达到8～20个太阳质量）演化的末期，核心温度可以高达4×109K，铁会转为氦和中子，大量吸热，使核心处于爆缩状态，随之是超新星爆发。这时强密度中子流会陆续击人元素核中生成铀、钍，甚至超铀元素和超重元素。 根据爱因斯坦在20年代初提出的质能转化关系，贝特等在30年代末提出氢聚变为氦的热核反应是太阳发光发热的能源。通过对太阳内部结构的研究和分析，天文学家们进一步研究了恒星的能源和演化的关系。于是就产生了核天体物理学这样的一个天文学分支。由于恒星形成时的质量不同，发的光（能量）也不同。恒星越大发光越强烈（表面温度也高），在主星序内停留阶段也短，反而是质量小的恒星，能量消耗少，稳定发光的时间要更长。一般说来，高光度、大质量的O和B型星在主星序上停留只有几百万年、几千万年，而低光度、小质量的K和M型星则可以稳定发光长达几千亿年、几万亿年之久。太阳是G型星，据计算在主星序阶段可以停留100亿年左右，如今已过了50亿年，即已达到中年，估计还能维持50亿年或更长的寿命才进入晚年。 当恒星核心中氢的含量消耗到只剩1％～2％时，能量供应不足抵住引力，恒星开始收缩。收缩使核心温度进一步增高，这时恒星核心边层开始发生氢转变为氦的核反应，使得恒星外层温度增高而膨胀变成红巨星。而内部核心的温度升得更高，引发了氦的聚变，这时恒星会发生周期性的膨胀和收缩。 更进一步的情况是，小质量的恒星，因能源耗尽而收缩成红矮星。大质量的恒星，因引力收缩，使热核反应不断升级直到生成铁的核心。这时恒星的核心再进一步坍缩，外层就会爆发成为“新星”或“超新星”（“新”只是我们似乎观察测到一个新的星，而实际上是个快要老死的星），而其核心则变成为密度极大的白矮星或中子星。也有的爆发后就完全散开到宇宙空间去了。 例如，公元1054年在金牛座的超新星爆发，在我国的史书中有详细的记载。在今天我们还可以看到爆发时抛出的蟹状星云，和一颗中心遗留的中子星。新星和超新星爆发可以说是恒星晚年的回光返照。但这决不是一般的回光，一颗超新星爆发时光度可以达到107～1010个太阳的光度（相当于整个星系的光度），即光度突然增大千万倍甚至上亿倍，同时放出极大的能量。这是恒星世界中已知最为激烈的爆炸，而爆炸得到的产物是比铁更重的元素，直到超铀元素。 根据爱因斯坦广义相对论还预言了一种特殊的天体——黑洞。1939年奥本海默等作过计算，认为星球有可能坍缩到它的引力半径之内（引力半径r[[[g＝2GM／c2，式中G为万有引力常数，c为光速，M为恒星质量人对于晚期高密度的恒星来说，当恒星质量超过引力半径公式给定的M值时，就会形成黑洞。也就是说连光线也不能从黑洞中逃逸出来，这样外界就无法再观察到它了。黑洞也是恒星终极的产物，天文学家们极力设法找寻黑洞，首先在双星体系内寻找黑洞。天文学家们描绘了这样的图景，黑洞天体不断地把它的伴星的物质像长虹吸水一样的吞噬着，它们也许最终会合并成一个黑洞。 一般说来，恒星是由低密度的星际物质凝缩而成，这是形成恒星的原料——原始星云，质量大约是几十个乃至一万多个太阳的质量。在凝缩过程的同时，不仅密度不断增加，而且核心温度也不断增加，辐射压力和引力相互较量之后，终于平稳地收缩成原恒星。在这过程中，原恒星的核心温度继续增大，增大到700万度以上时，氢聚变为氦的热核反应开始，恒星发光发热，而核心产生的能量足以抵住引力收缩的压力和向外辐射掉的能量，于是变成一颗稳定的正常发光的恒星，进入了主星序成为一颗主序星，这是恒星的壮年时代。 恒星经历了生老病死的过程，在这个过程中把物质转化为能量，把氢和氦转化为更重的元素直到超铀元素，从而为宇宙向更深层次的演化奠定了基础。恒星死亡的残骸将混人星际物质中，准备生成更新一代的恒星。 以上概略叙述了元素在恒星中的演化。根据B2FH理论，放射性元素是在恒星演化后期形成的。如果我们选两个半衰期不同的放射性同位素例如铀-235和铀-238，假定它们同时形成，形成的比例可由理论推算，可以简单认为是1比1。那么，由地球或其他宇宙天体中这两种放射性物质的现今比例，就不难推算出经过了多少年了。 例如，在地球上铀-235对铀-238现今的比例已经是0.00725。而且科学家们已经测定：铀-235的蜕变常数是9.72×1010／年；铀-238的蜕变常数是1.54×1010／年，所以不难推算出铀元素生成到现在已经过了6.5×109年了（65亿年）。当然，这是元素的年龄下限，也就是说这是老一代恒星爆发为超新星到现在的年龄，再往前推算原始恒星的生成和演化的年龄，由之可以估算出银河系的年龄约为150亿年。或者说，这就是原始大爆炸到现在的年龄。 如果我们银河系的初始状态全部是氢，那么第一代恒星应当全部由氢组成；第一代恒星死亡后，生成的各类元素弥散开来，使银河系的组成发生变化，于是再凝聚成的第二代、第三代恒星的原始组成就复杂了。我们的太阳现处于氢燃烧阶段，但已有铁等重元素，可以肯定它不是第一代恒星。而地球也只能是由第一或第二代恒星的残骸形成，地球的铁核、地球上的各种元素和放射性物质，都说明了这一点。这就是地球上为什么有这么多种元素的原因。 在恒星中后期形成的重元素，实际上储存了恒星的能量，又以放射蜕变形式逐步释放，所以我们地球不仅享受着本代恒星——太阳供应的能，而且还在享受着前几代恒星留下来的“祖先遗产”。可以这样认为，地球是银河系物质演化高级阶段的产物。 关于元素的起源和演化的学说，实际上还处于假说阶段，还有不少重要环节不很清楚。在这方面，天文学上的新发现还在不断丰富其内容。 人类在对宇宙漫长的研究过程中不断地摆正了自己的位置。哥白尼以后，地球不再是宇宙的中心了，至于太阳则不过是我们太阳系的中心，太阳作为一颗恒星仅仅是我们所在的银河系——本星系中的一颗普通的恒星，而且也不在本星系的中央。 能够最先研究得较为详细的应当是太阳系本身——太阳和各行星的大小、距离、公转周期、自转周期……行星又各有几个卫星。当然，还有的行星有光环，还有一大群小行星，还有彗星……总的说来，它们都基本上处在同一平面上，按同样的方向旋转。在天文学中最先提出的一个问题就是太阳系是怎样形成的，太阳系在宇宙间是不是唯一的（如果是唯一的，那地球上的人类也将是唯一的宇宙精灵）。作为真正的天文学家来说，他们从来不相信太阳是宇宙间的唯一的行星系，当然像人一样的智慧生物，也会在宇宙间别的星球上存在。问题就在于要解决太阳系是怎样起源的。 在早期，太阳系的起源和当时的天文观察水平相适应，也和当时科学认识的水平相适应。最早人们用望远镜看到了不少星云，有的是烟雾一样弥漫的，也有的是呈各种各样的旋涡形的。当时还没有认识到这些旋涡状星云是庞大的离我们极远的恒星系，与我们的太阳系不是一个尺度。但由这些观测还是产生了较早的太阳系形成理论，康德于1755年、拉普拉斯于1796年分别根据刚刚建立的万有引力定律提出了星云说——即太阳系是由一团气体星云形成的，因引力收缩而旋转，由于离心力的作用形成扁平的螺旋状，最后中心形成太阳，周围凝聚成行星。 以后就又有各种灾变学说。布封于1745年提出是一颗大彗星碰撞原始太阳，于是就飞溅出一些物质块形成行星系。1916年英国天文学家金斯提出十分流行的潮汐学说：当两颗恒星匆匆行近时，由于引力作用，由两颗恒星上各拉出一条雪茄烟状的物质长条，而当那恒星又匆匆离去时，这雪茄烟状物质就再也没有落回到太阳去，而是分段形成了各个行星。 实际上，只是后来对恒星的演化过程有了较深刻了解，在拉普拉斯星云说的基础上不断补充修正后，才有可能在恒星形成的过程中研究行星系的形成过程。如果说过去天文学家着重的是力学问题（特别是角动量的分布问题，即占太阳系总质量99.865％的太阳只占太阳系的总角动量的0.6％不到，而占太阳系总质量0.135％的行星、卫星等却占太阳系的总角动量的99.4％以上），如今就不仅要考虑一个物理的（只从力学角度考虑）行星系，而且还要从化学的角度（化学组成、能源的产生）来考虑行星系。1952年尤里等不仅考虑了物理的因素，更进一步提出以化学为基础的行星本身演化的假说，从而为行星上进一步的生命起源和演化的研究打下了基础。 关于太阳系（行星系）的起源和演化是与恒星的形成和演化过程同步进行的，200多年前康德-拉普拉斯的星云说所提出的模型和现代的理论基本是符合的，只是随着科学的发展而不断修正和补充，而且今后还将进一步修正。 在前面讲到恒星由原始星云形成的过程，在初始阶段还有些细节未能讲到。主要分为快收缩和慢收缩两个阶段，一开始引力占绝对优势，原始星云很快向内部收缩，中心的密度增加很快，大约要几万年到上百万年就可以形成原恒星（质量越大，形成越快）。这时核心开始变得不透明，而温度也逐渐升高。当温度升高到2000K时，氢分子开始分解成原子，吸收了大量的热量，又使得中心压力骤降，于是就塌陷成密度更大的内核。同时外部形成强烈的星风，阻止外围物质进一步落向核心。接下来就是慢收缩阶段，这阶段所经历的时间是几万年到十几亿年，直到核心温度升高到上万度，引发了核反应，这时恒星就形成了。而在星云坍缩成恒星的过程中，盘旋于星核外围的物质碎块平展成太阳星云，接下来太阳星云中的物质聚集形成行星体，这就是行星的前身，根据对地球和陨石的研究，这几个过程大约需要1.7×108年，而地球和陨石的年龄是4.7×109年。 天文学家应用电子计算机模拟计算了太阳星云中行星的吸积过程，曾经计算出许多不同的“太阳系”模型，结果都是太阳内侧的行星较小，而太阳外侧的行星较大，与我们太阳系的行星的实际分布情况基本符合。 我们看到，随着科学的进步和观测资料的日益精密，行星系的起源和演化的假说也就更加与实际相符合。在上述理论的基础上人们将会认识到有行星系的恒星决不是偶然现象，因为只要条件具备，恒星在生成的过程中就同时生成了行星系。我们的银河系中具有中等质量的恒星大约有1010颗，保守的估计在它们当中1％有行星系，假如每个行星系有10个行星，则在银河系中约有109颗行星。那么将会有多少颗行星上会有生命存在？其中又有多少颗行星上会有高级的智慧生命？这就要研究更高层次的起源和演化问题——生命的起源和演化问题了。而在探讨这个问题之前，我们还应该研究行星的演化和它们上面的物理和化学条件，实际上在这中间还有一个重要的进化问题要探索，那就是化学进化。对行星大小和距离的理论计算。在这些计算机实验中，模拟了太阳星云中行星的吸积过程。过程是随机的但服从有关的物理定律。计算机中的许多实验算出了许多不同的“太阳系”。它们都是在太阳系外侧有较大行星，在内侧有较小行星。计算出的资料可以和下面一行的实际太阳系相比较。 上面我们已经讲述了从恒星到行星系的演化问题。根据演化的观点来看，生命应该是物质演化的高级阶段，同时也应该是普遍的现象。问题是生命是怎样产生的，这又是一个最重要的演化问题。 我们居住的地球上已经有由低级到高级的多种生物生存。这些生物是怎样产生的？显然这是在地球发展到一定阶段才产生的，并且是不断进化的。在这过程中，生命经历了从低级到高级的演化，一些新的物种产生了，另一些老的物种消失了。 要了解生命的起源，还应该从地球本身的起源和演化说起。而要考虑这演化过程，正如上面所说的不能仅仅考虑力学，更重要的是化学的演化。一般说来，原始太阳星云物质分为三大类：“气”、“冰”和“岩石”。“气”主要是氢和氨，约占原始太阳星云重量的98％；所谓“冰”，包括碳、氮、氧、氖、硫、氩、氯等（大部分以氢化物形式存在，如甲烷、氨、水、硫化氢、氯化氢等），约占总重量的1.5％；所谓“岩石”包括钠、镁、铝、硅、钙、铁、镍等（大多以硅酸盐和氧化物形式存在），约占总重量的0.5％。 在太阳系形成的过程中，核心因引力坍缩，基本保持了原始太阳星云的成分。内行星（水、金、地、火）因质量小，温度高，丢失掉了绝大多数的“气”，外行星（木、土、天王、海王、冥王）质量大，温度低，但也丢失了一部分的“气”。 根据上面所说的观点认为：地球由太阳星云中俘获了氢、氨、甲烷和水而组成了还原性大气。尤里和他的学生米勒在1953年做了一个很有名的实验，即在烧瓶中充装了“原始的还原性大气”（氢、甲烷、氨、水），在加热循环的情况下进行了几天到一星期的放电，结果生成了甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸等8种氨基酸，此外还有各种有机酸类、尿素等等。在这个实验之后有更多的科学家进行同类实验。他们改变着“原始大气”的成分，并且除了放电外还换用了紫外线或辐射射线来进行照射，结果都生成氨基酸，而且种类更多。另外还有人在高温下使“原始大气”通过二氧化硅（作为催化剂）从而合成出氨基酸。米勒等人的实验是在还原性气氛中进行的从而得到了各种氨基酸。后来又有一个著名的实验，是把氨与氰化物在烧瓶中进行回流反应竟然生成了含量较高的腺嘌呤，这是当代生物化学的中心分子。这许多科学家投入大力进行的科学实验，目的是企图证明在地球的原始气氛中和地球的原始条件下会合成生命的基础——氨基酸以及更复杂的有机分子。 到了60年代，人们对早期地球的认识又有了发展。天文学家们研究后认为原始地球形成后因引力收缩和放射能的积累而升温，地球处于熔融状态，这时原始的星云大气被驱散了，地球不会有含甲烷和氨很多的还原性大气。现在地球的大气是所谓次生大气，是在地球的地幔在漫长时间内形成的过程中排出来的气体，主要是水、氮和二氧化碳。一个行星要能支持生命就要由地慢中排放出水，生成水圈，而我们地球也正符合这个条件。水形成后，变成浓厚的水蒸气在上空冷却成为雨，暴雨下在刚刚形成的热的地面上又蒸发到上空，就这样水的循环开始了，水侵蚀着地表溶出了各种可溶的物质，形成了原始的海洋。空中的二氧化碳也溶解到水中，与水中的钙离子反应生成碳酸钙沉淀，沉积下来成为水成岩。但是要形成当前的地球的大气则是在生命产生以后，特别是发生植物的光合作用以后，二氧化碳才被转化成为氧，使大气层变为氧化型的大气，这时高等动物才有了生存的气氛。 在地球演化的模型进一步发展时，同时就出现了一些新的问题，即在原始的还原气氛中形成的有机分子，在热熔的地幔上能否继续存在。 这时，认识又有了突破。50年代开始打开地球大气的另一个窗口，开始了对宇宙空间的射电天文学观测。60年代天文学的三大发现之一就是观察到星际分子。而最早发现的星际分子是氨，后来是甲醛，接下来有氰化氢、丙炔腈等等，当然还有水、碳氢化合物的自由基等。 另一项研究是对碳质球粒陨石的研究，这是一种含有碳化物的陨石。早期的研究发现其中含有泥炭、铵盐，甚至碳氢化合物，后来对陨石的分析又发现有多种有机化合物。于是就提出生命物质是由陨石带到地球上来的。但是对这些有机化合物是陨石本来就带来的，还是落到地球上以后被“污染”上了的，说法不一，引起了不停的科学争论。所谓“污染”既包括与地球环境接触后吸附上的有机物，也包括陨石中碳化物与水等反应生成的碳氢化合物。而我们由月球上，和由火星上多次取样（严格防止“污染”）分析的结果目前都没有发现生命痕迹。但是，陨石会带来外空间的有机分子已成为地球上生命起源的假设之一。研究陨石、彗星的化学成分也是探索生命起源的重要途径之一。 根据对地球上的岩石以及化石研究，地球的年龄约为46亿年，大约在40亿年前出现最早的生命——原核类生物，又过了约20亿年，才发展为真核生物，以后进一步演化为无脊椎动物、维管束植物、脊椎动物，直到灵长动物。 至于初始的几亿年，如何由无生命的有机分子形成能自我复制的复杂的有机体——生命。这至今还不是十分清楚，一直是科学家们研究的重要课题。 总之，在地球的形成过程中产生了有机分子，可能是在原始气氛中自动形成的，也可能是地球在吸积陨石物质时，由陨石带来的，也可能是碳质球粒陨石投人到地球的原始海洋中，通过化学反应生成的。而这些有机分子在地球的原始气氛中相互组合，终于发展成生命。 上面我们已经提到前生命的各种有机分子，包括氨基酸都可以在地球演化的早期自然合成，这就奠定了生命起源的化学基础。虽然最关键的问题目前我们还若明若暗，但不管怎样说，生命在地球上形成并发展了。在这里不可能详尽地研究生物的进化过程，以及先有鸡还是先有蛋，恐龙为什么会灭绝，今天的猴子为什么不变成人，等等。在这里还是要从宏观和微观世界的规律来看生命的过程。 正如上面所说，生命是宇宙物质演化高级阶段的产物。这首先就提出了构成生命的基本元素。生命的元素的分布情况：C、O、N、H、S占生物体的95％以上，再加上Ca、P、Na、K、Cl、Mg、Fe共占99.9％以上。此外生物体中还有一些微量元素，主要有B、F、Si、Mn、Cu、I、Zn、Co、Mo等。 如果我们回到宇宙间元素分布的情况看，那就是H最多，He次之，然后是C、N、O、S、P、Fe，这也正是形成生命最重要的元素，也是宇宙间丰度最高的元素。 从微观世界来看，H是最基本的元素也是最原始的元素。He是最稳定的元素核（α粒子）。以下的最丰富的元素大多是He的倍数。C是3个He形成的，O是4个氦形成的，S是8个氦形成的，Ca是10个氦形成的……这些稳定的元素核名叫α粒子核。实际上，最稳定的（从核能的角度来看）铁也是α粒子核，它相当于14个氦核组成的。 所以从微观来看，组成生命的基本元素，其核特征也是相对最稳定和最丰富的。 前面我们一再提出生命是宇宙物质演化高级阶段的产物。如果我们的太阳仅仅是第一代恒星，也就是说基本上完全是氢组成的，那它周围是否能形成行星都要成问题。因为这时的行星没有高级元素作原料，如果能形成也不过是小的氢的团块，很难凝聚，并会被太阳风所驱散，所以第一代恒星是不可能同时形成行星系的。我们现在的太阳是第二代甚至第三代恒星，所以它具有丰富的元素内容。而我们太阳系的行星，则完全是上一代或上几代太阳（恒星）残骸组成的。上一代老死的恒星破碎散漫在宇宙空间，就形成铁质以及其他元素的粒子，上一代爆炸的“超新星”形成比铁更重的元素以及放射性元素。它们结聚起来形成我们太阳系的行星。我们的行星有一个致密的铁的核心，我们的行星有丰富的矿藏（各种元素组成的），我们的行星有自己的能源，主要是天然放射性元素蜕变供给的能量。这一切说明我们正在享用着上一代太阳的遗产。是在上一代太阳的残骸上建立了行星系，包括我们的地球。我们的能源主要依靠于今天的太阳，但我们在地球上开发出来的核能则是上一代超新星爆发时积累的能源。没有这众多的元素，没有必需的能源，生命就不可能产生。 生命由海洋中产生。动物的血液（包括人的血液）就其元素组成来说与海水的盐类组成很接近。下面是人血与大洋水的溶解的总盐的成分对比。 成分 血的含量％ 大洋水的含量％ 氯 49.3 55.0 钠 30.0 30.6 氧 9.9 5.6 钾 1.8 1.1 钙 0.8 1.2 由此我们似乎可以认为动物的血液维持了古海洋的成分，生命源于海洋由此得到例证。但是又出现了新的矛盾，那就是植物，植物的体液照理也应该与海水的盐含量相当，但是即使是海洋里的植物，其体液的成分也与海水相去甚远。 总之，生命起源之谜并没有最后解开，而目前我们正从两端向中心趋近。一方面我们早已了解到生命起源后从低级到高级的演化链条，另一方面通过对宇宙物质演化的研究，了解到生命元素的起源和生命前分子产生的机制。问题就在于如何从两方面合拢。 应该说本世纪科学的最重大发现就是发现了DNA的双螺旋结构，而与之相关的是另一条长链RNA，现在的看法是最原始的生命由RNA产生。问题在于生命前分子是如何组成有生命的RNA的。有的假说认为是警星投人到原始的海洋中带来了生命，但是彗星上的生命分子又是如何产生的呢？没有明确的答案。 现在正类似上世纪末发现电子时的情况，电子以及放射性的发现为本世纪初打开原子的大门提供了钥匙。而DNA和RNA结构的发现将为下一世纪彻底打开生命的大门提供了钥匙。可以预料下一世纪将是生命科学的世纪，生命之谜一定会被解开。 ------------------ allan9扫描校对 || //www.qiuzao.com |
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