科学史(下)-第39部分
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上面讨论绝对星等时，我们说过，大多数的恒星分为“巨星”和“矮星”
两大类，前者光度比较后者大得多，可是也有一些中等光度的星。但可以注
意之点是：这一分类只有对于k 型星以下较冷的星（温度不超过4000 度）才
显著。对于较热的星，分类便不显著，及至B 型星就完全混淆莫辨了。这些
恒星都是巨星，其光度都是太阳的40 至1600 倍。
这些事实被人认为指明了一个确定的结论：即所有的恒星都经过一个大
体相同的演化过程。每颗恒星最初是一较冷的物体，嗣后温度渐渐增高，而
达到最高温度（视其大小而定），然后再渐趋冷却，温度渐次下降，经历一
个相反的过程。
当恒星温度升高时，它发出大量的光，这意味着它的体积很大，因而归
类为“巨星”。但当其冷却时，它的大气在温度方面经历一个与以前相反的
过程，在冷却时所经过的光谱型，虽然在细节上略有差异，但大体上与温度
升高时期所经过的相同。然而这颗星现在的绝对星等，换言之即其光度，却
比较以前小得多了。既然这时温度与以前上升时期相同，这一事实就表示这
颗星的体积较前为小，遂成为“矮星”了。
这是罗素所阐述的恒星演化过程，与勒恩和利特尔（Ritter）所阐明的
互相吸引的气体团的动力学相符合。如果这团气的质量够大，则重力必定使
它收缩。它将放出热量而变热。但当其收缩时，其收缩的速率必逐渐减少。
到了某一临界密度时，这一庞大的炽热气团所生的热量，将小于其所辐射的
热量，于是这团物质开始冷却。我们在讨论太阳的年龄时说过，这过程不能
解释其所放出的全部热量，那时已经认为或有他种能量的来源（如原子的蜕
变）取决于温度，并经过一种相似的过程。
这个恒星演化的理论，已经根据最近的研究加以修正，而将原子结构的
新知识应用于天体物理学。人类靠了他处在原子与恒星中间的有利位置①，可
以利用由一方所得的知炽，作为研究另一方的参考。
已知太阳或任何一颗星的大小与平均密度，并假定其整体都是气体，就
可以计算其表面下压力随深度而增加的变率，爱丁顿便做了这个计算。对于
气体的恒星，爱丁顿发现光度主要随质量而变化，在某些限度内，光度粗略
地与质量成正比例。在恒星里任一层，其上面的压力，为下面气体的弹力和
辐射的压力所支撑。据分子运动论，气体的弹性，是由于气体分子的碰撞造
成的，而气体分子的速度随温度而变化。要支持太阳或其类似的恒星内部的
巨大压力，则其温度当达四千万度至五千万度的数量级。如有一星比这个大
得多，据爱丁顿推算，其内部的辐射压必至过大，致使它变成不稳定，而趋
于爆裂。这样，星的大小有一自然的上限。
恒星内部的一个区域，甚至一大区域，实际是一个恒温的包壳，其总辐
射按绝对温度的四乘方而改变。当温度增高时，在光谱上能量最大的辐射，
按已知定律，逐渐变为波长较短的波。当温度高达数百万度时，则其最大能
量便远远超过可见光谱的波段，而至X 射线或波长更短的辐射区域，但这些
辐射，在其行至恒星外层的途程中，不断地受到原子的碰撞与作用，因而变
成波长较长的辐射，最后仍以光和热的形式发出。但有一引人注意的事实：
即富有极大穿透力的射线（即“宇宙线”），已经为麦克伦南（McLennan）、
米利根、科赫斯特等人所发现，这些射线，虽然份量很小，好象经过我们的
大气，而来自空间。秦斯说：“在某一意义上，这种辐射是整个宇宙里最基
本的物理现象，空间的大部区域含这种辐射远较可见光和热为多。我们的身
体日夜被它穿过，。。它破坏我们体内的原子每秒达数百万个。这可能是生
命的要素，也可能在杀害我们”①。有人说这种富穿透力的辐射是质子和电子
互相湮灭时，或者氢聚合为重原子时所发出的，地点可能是在星云或空间里
极度稀薄的物质里，因为由那里所射出的能量无须费力就可以穿过覆441 在
恒星外部的物质。
我们知道X 射线和穿透性更大的γ射线是极有效的电离剂。所以星内的
原子当是高度电离的，即其外部电子都被剥夺了的；这个概念于1917 年为秦
斯所倡导，以后更为许多人研究。一个普通原子所占有的体积，即别的原子
不能贯穿的体积，就是这些外部电子的轨道所占有的体积。如其外部电子遭
到剥夺，则这原子的有效体积必大为减小，实际成为原子核与其最近电子环
（其轨道较外部电子的轨道小得多）的体积。结果，恒星内部的原子既然小
得多，则其相互干扰也必远较我们实验室的为小；因而恒星物质虽在高密度
下，其性质也象“理想气体”，而遵守波义耳定律。
假设恒星是气体的，则我们可以数学计算一颗星的质量与其所发的光和
热之量的关系，换言之，即可知其光度为何。1924 年，爱丁顿算得星的质量
愈大则其辐射也愈大。他求得一个理论的关系，而且在把一个数字因子调整
以后，使这个关系确与事实符合。就是对于某些恒星，这个公式也是适用的。
因其密度很大，在1924 年以前人们还认为它们是液体或固体的，而且以为这
① 如爱丁顿所指出的：建造人身约需原子1027 个，而建造一个恒星所需的原子数。平均约为前者的1028
倍。
①
Sir J。 H；Jeans，Eos or the WiderAspects of Cosmogony，London。1928，p。46：also The Universe Around
Us；New York and Cambirdge；1929，P。134；also 1944。
一理论不适用于它们。但爱丁顿认为，较水重的太阳，以及较铁重的其他恒
星，实际上都是气体；因其电子已被剥夺，所以这些恒星的原子体积较小，
在大部时间内，彼此不相接近。
而且一个新发现使密度的可能范围更加扩大了。1844 年，贝塞耳发现天
空最亮的天狼星运行在椭圆轨道上，于是他假设有一伴星围绕天狼星运行，
其质量约为太阳的4/5。十八年后，这颗星为克拉克（Alvan Clark）所发现；
用现代望远镜不难看见这颗星，其所发的光约为太阳的1/360。当时曾认为
这颗星是红热的、一个行将没落的星。亚当斯在威尔逊山查得这颗星并非红
热而是白热的。其所发的总光量很小，是由于其体积很小；它不比地球大很
多。从这个大的质量与小的体积，得知其密度约为每立方英寸一吨，这是一
个骇人听闻的结果，在当时认为是不可信的。
但是不久新的证据出现了。根据爱因斯但的理论，物体发出443 辐射的
频率，应随其质量和体积而不同；因此谱线应按半径除质量的比例向红端移
动。亚当斯测量了天狼伴星的光谱，也得着相同的高密度，约为铂的密度的
两千倍。现在更发现另外几颗星，密度与此相似或更大。秦斯认为这些星中
的物质不再是气体，而与液体相近了。其原子很可能只余下原子核，甚至其
最内层的电子也被剥夺。比较正常的星，如天狼星与太阳，可能为核外剩有
一层电子的原子所组成。所以根据原子结构的理论，我们就可以解释这一事
实：恒星分为明显的几类，而且每一类仅包括某些体积限度内的恒星。在那
样高的温度下，地上的原子将会完全破裂。要维持这些不同的体积，恒垦内
部未知的深度的原子必较我们熟悉的地球上的原子为重，而类似地球上的原
子的较轻的原子，必浮在表面，而成为辐射的表层。
有三个方法可以估计恒星的年龄：（1）双星的轨道最初应为圆形，以后
受到过路星的引力的影响，而逐渐变形，这种影响的可能频率可以计算，因
而由轨道的实际形状，可以计算恒星的可能年龄。（2）明亮的星所组成的星
团在空间运动时，逐渐失掉其小的成员，造成这些观察到的分散情况所必需
的时间，是可以计算的。（3）恒星的运动能量，也如气体分子一样，必定有
达到平均分配的趋势；西尔斯（Seares）测得太阳附近的恒星差不多已经达
到这个阶段。由分子运动论，可以计算产生这种动能平均分配状况所需的时
间。这三种方法都～致表明，我们的星系中恒星的平均年龄可能是5 万亿至
10 万亿（5 至10×l012）年。
要维持这样长久的生命，必需大量辐射能量的供给，数量之巨，远非引
力的收缩，或放射性物质所能解释的。爱因斯坦的理论很自然地引导人们形
成一个观念：这种能量的来源可能是由于阳性质子与阴性电子的相互湮灭，
这是1904 年秦斯用来解释放射物的能量的说法①。这理论已经详细地完成。
可以肯定，恒星在不断损失质量。辐射造成定量的压力，因而具有一个可以
计算的动量，即质量与速度的乘积。太阳表面每平方英寸辐射出50 马力，这
说明整个太阳每天损失质量3600 万万吨，而质子与电子的相互湮灭可说明这
种损失发生的机制。太阳在其体积更大、年龄更轻时，其质量的损失必当更
速，于是我们可以给与太阳年龄以一个上限，大约是8 万亿（8×l012）年。
这与其他方法所估计的恒星年龄相符合，但根据以后的研究来看又是可怀疑
的。
①
Nature，voL。LXX；1904，p。101。574
星的演化
恒星的年龄既经估定，我们自然会问恒星是怎样产生的？即使在最大的
望远镜中，恒星也无可见的体积——最近的恒星也是太远了。但是天空明亮
的一片一片区域，所谓星云，早已为人发现。仙女座中的大星云，能被肉眼
看见，在望远镜发明以前即已发现。而猎户座内的另一星云，也于1656 年为
惠更斯所发现。
星云有三大类。
（1）形状不规则的星云，如猎户座内的。
（2）行星状星云，形状有规则的较小的结构。
（3）旋涡星云，象似明亮的大旋涡。
数目最多的星云是旋涡状的。我们已经说过，现代望远镜中可见的星云，
约有二百万个。它们的光谱是连续的，而重合有吸收谱线，与F 至K 型的星
（包括太阳在内）的光谱相似。有些星云是弥漫的炽热气体团，有些含有定
形的恒星。星云呈现有急速转动的模样。自轨道平面的边上平视所见的星云，
可以在光谱学上进行研究，另外一些与我们视线正交的，可在逐年的照片上
看出其有可测量的转动，每转一周约需几百万年。这好象说明其运动的迂缓，
但是我们观测到它们有很高的线速度，所以其转动周期的悠长，不是由于其
运动的迂缓，而表现其体积的庞大。
如果假设不同的星云的转动速度大略相同，则由以上所述，自轨道平面
边上平视所见的星云，可以由光谱学测得其线速度，而横过我们视线的星云，
也可以测得其每年的角速度，这样比较这两种速度，便可得其距离的一个估
计值了。旋涡星云的旋臂中可以看出有造父变星，其光变的周期可假设与其
绝对亮度有通常的关系，因而测量它们的视亮度，又可得距离的另外一种估
计值了。由此所得的数字，约在几十万至几万万光年。因而大多数旋涡星云
都很远，而在我们的星系以外。
恒星演化的星云学说，最初为康德所提出，继于18 世纪末为拉普拉斯引
用，去解释太阳系的起源。拉普拉斯根据气体星云的概念，认为星云充满海
王星轨道里边的空间，而且具有旋转运动。它因其自身的引力而收缩。但因
其角动量不变，故其旋转速度渐增。在其收缩的各阶段中，它遗留下环形的
物质，经凝结而形成行星与其卫星，绕中心的物质转动，这中心的物质即形
成太阳。
这个学说有若干困难。1900 年，莫尔顿（F。R。Moulton）指出，由环形
不会破裂变成球形。张伯林（T。C。Chamberlin）并证明在那样大的气体团中，
其引力并不足以克服其分子速度的扩散效应与辐射压而使其缩小。秦斯以别
的论据证明行星是不能由凝结而形成的。
但是旋涡星云比拉普拉斯所想象的大过百万倍，在这规模下，其整个的
发展过程也大不相同。这时引力远比气体压力和辐射压更为有效，星云不但
不扩散，而且收缩，并且旋转得比拉普拉斯所想象的还快。这个解释，应用
于小规模的太阳系遭到失败，应用在庞大的星系上，却颇有成功。
秦斯已经以数学证明：一个具有引力的气体团，或因其他物质团的潮汐
作用而开始转动，则将渐渐形成一双凸透镜的形状。若其旋转加快，则其边
缘将不稳定，而裂成两个旋臂。旋臂上发生局部的凝结，每个凝块具有适当
体积，可以在我们所见的恒星的大小的狭小限度内形成恒星。这个由理论得
出的预言已为哈布耳所证实。哈布耳根据观察的结果，将星云分为秦斯所预
言的类型。于是我们在旋涡星云里，发现在我们星系以外在遥远空间里正在
形成中的其他星系。
旋涡星云臂上的一小滴，是不是变成我们这样的太阳系呢？根据秦斯的
数学推证，这不是一定可能的。如果这小滴的转动足够迅速，而至酿成分裂，
则分裂的结果可能是互相绕转的双星。所以双星很可能是恒星演化的一个正
常规程，其另一过程，则是孤独的单颗星。
但莫尔顿、张伯林与秦斯对太阳系的起源提出一些猜测性的说明。如果
在某一早期阶段，两个气体星运行到彼此邻近时，则将发生潮汐波。及至两
星接近到某一临界距离时，这潮汐波即将射出长臂状的物质，然后再裂成具
有适当大小与特性的物体，而形成地球与其他行星。但这一事件发生的可能
性很小，据秦斯计算，伴随象我们的行星系的恒星，大约在十万个恒星中才
有一个。
恒星演化的新学说，可以概括叙述如下：恒星是旋涡星云�
