“天文学”简介、含义、起源、历史与发展

天文学翻开人类文明史的第一页，天文学就占有显著的地位。巴比伦的泥碑，埃及的金字塔，都是历史的见证。在中国，殷商时代留下的甲骨文物里，有丰富的天文记录，表明在黄河流域，天文学的起源可以追溯到殷商以前更为古远的世代。几千年来，在人类社会文明的进程中，天文学的研究范畴和天文的概念都有很大的发展。为了说明我们今天对天文这门学科的理解，本文将在第一节里首先介绍一下天文研究的特点。本文的第二节──星空巡礼，是对目前所认识的天文世界的几笔速写。在第三节里，我们举出伽利略-牛顿时代天文学的一次飞跃，来对照当前天文研究的形势，希望借此探讨天文学发展的规律，并强调说明一次新的飞跃正近在眼前。我们不准备、也不可能用这篇短文囊括天文学悠久的历史和丰富的内容（这是本书这一整卷的任务），而只是对它的特征、现状和趋向作一个概括性的描述。为使读者对天文学的轮廓有一个认识，本文的第四节，用简单的图解方式介绍当前天文学科各分支之间的相互关系。天文学研究的特点天文学是一门古老的学科。它的研究对象是辽阔空间中的天体。几千年来，人们主要是通过接收天体投来的辐射，发现它们的存在，测量它们的位置，研究它们的结构，探索它们的运动和演化的规律，一步步地扩展人类对广阔宇宙空间中物质世界的认识。作为一颗行星，地球本身也是一个天体。但是，从学科的分野来说，“天”是相对于“地”的。地面上实验室里所熟悉的那些科学实验方法，很多不能搬到天文学领域里来。我们既不能移植太阳，也无法解剖星星，甚至不可能到我们所瞩目的研究对象那边，例如，到银河系核心周围去看一看。从这个意义上来说，天文学的实验方法是一种“被动”的方法。也就是说，它只能靠观测（“观察”和“测量”）自然界业已发生的现象来收集感性认识的素材，而不能像其他许多学科那样，“主动”地去影响或变革所研究的对象，来布置自己的实验。观测，主要依靠观测，是天文学实验方法的基本特点。不断地创造和改革观测手段，也就成为天文学家的一个致力不懈的课题。宇宙中的天体何止“恒河沙数”，而同类型的天体离开我们愈远看起来也愈暗弱。因此，观测设备的威力愈益提高，研究暗弱目标的能力就愈益增强，人的眼界就愈益深入到前所未能企及的天文领域，同时也就愈益扩展到遥远的空间深处。天文观测尽管可以看作是一种“被动”的实验，但是，在浩瀚无际的宇宙空间中，从犹如沧海一粟的地球上所能进行的实验，无论是多么“主动”，多么“精确”，然而在规模上，在内容和条件的多样化上，都不可能同天文世界中大自然本身所演出的“实验”相比拟。因此，天文观测尽管带有它所不可避免的“被动”性和由此而来的粗略性，却仍然是、而且将永远是人类考察自然、认识自然的一个必不可少的方面。认识自然是改造（或利用）自然的前提，而改造自然，也就是生产实践，又往往是认识自然的动力。天文学，作为一门以认识自然为主题的自然科学，同生产实践之间正是存在着这种辩证关系。与此同时，二者又各有自己的发展规律。天文学的发展规律，概括来说，总是表现为针对每一时期中学科本身的主要矛盾（也包括由生产课题向学科提出的矛盾），沿着观测──理论──观测的途径螺旋上升。在这样螺旋上升的发展过程中，天文学和其他学科一样，并不是孤立地前进，而是随时都同许多邻近学科互相借鉴，互相渗透的。它从应用光学、无线电电子学以及各种工程、技术中汲取养料，创造独特的观测手段，而天文观测手段的每一发展，又都给应用科学带来有益的东西。天文学借助于数学来分析天文观测结果和进行理论演算，反过来，由于天文学上的应用而发展起来的数学方法，又丰富了数学的内容。物理学各个分支以及力学、化学等的研究成果，是天文工作的理论基础，而天文学的各种发现以及天体的理论研究，又多次地反过来为物理学和其他有关学科开辟新的研究前沿。这说明各种学科之间的辩证关系，也正是包括天文学在内的各门科学的共同特点。天文学的发展对于人类的自然观发生重大的影响。哥白尼的日心学说（见日心体系）曾经使自然科学从神学中解放出来。康德和拉普拉斯关于太阳系起源的星云学说，在十八世纪形而上学的自然观上打开了第一个缺口。在当今的天文学前沿上，辩证法与形而上学、唯物主义与唯心主义的斗争，仍然在持续地进行。天文学研究中的一个重大课题是各类天体的起源和演化。在我们所观测到的天体中，百万岁的年龄算是很年轻的。太阳的年龄约为五十亿岁，是一个中年的恒星。可是，人类的文明史迄今不过几千年，而一个天文学家毕其一生也不过几十年的岁月。因此我们所能研究的天文现象，在天体的生命史中只相当于一刹那的过程。从“一刹那”的观测来探讨百亿年的演变，应当说是天文学研究的又一个特点。天文学家虽然无法进行长达亿年的观测，但是可以观测到数以亿计的天体。一个天体的物理特征，除了反映出它的基本结构以外，还反映它所处的演化阶段，就像一个人的各种特征可以反映出他的年龄一样。此外，天体的信息是通过辐射(比如光)传给我们的。对于遥远的天体，光在旅途中要经历漫长的时间，比如说对于离我们一亿光年的天体，光要用一亿年才送到它的信息，而我们看到的则是它一亿年前的形象。这样，我们所观测到的许许多多天体，展示给我们的是时间上各不相同的“样本”。特别是我们目前所看到的河外（银河系以外的）天体，代表从百万年直到上百亿年前的各种“样本”，包含着上百亿年的演化线索。因此，通过统计分类和理论探讨，我们就可以建立起天体演化的模型。这样，天文学是在极其“短暂”的千百年时间里，以基本上“被动”的观测方法，面向广阔无边的宇宙空间，探索各类天体在漫长时间历程中的存在和演变。它不断地从同代科学技术的宝库中，充实自己的实验武器和理论武器，同时也不断地以自己的成就丰富这个宝库。在科学相对真理的长河中，天文学循着观测──理论──观测的发展途径，不断把人的视野伸展到宇宙的新的深处。星空巡礼现在我们环顾一下目前所认识的天文世界。太阳和太阳系太阳是太阳系的中心天体，占有太阳系总质量的99.86％。太阳系的其他成员:行星、小行星、彗星、流星，都绕着太阳旋转。从天文学的角度看，地球贵在是一个适于生物存在和繁衍的行星。虽然我们相信宇宙间还会有千千万万个能够繁殖生命的星球，但以目前的科学水平，我们还不能发现它们。作为行星，地球只是太阳系的一个普通成员。它的直径约13，000公里，与太阳相距约1.5亿公里，每年绕太阳公转一周。它的物理结构和化学组成虽然都有自己的特点，但并不特殊。连地球在内，太阳系内已经知道的有九个行星，从离太阳最近的算起，依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。它们都沿着同一方向自西向东绕着太阳转动，轨道都是椭圆的。大多数行星的轨道，都大致在同一平面上。冥王星离太阳最远，轨道直径约120亿公里。但太阳系的疆界可能还要遥远得多。除了水星和金星，太阳系的行星周围都有卫星。地球有一个卫星──月球，直径约3，500公里，在太阳系里算是一个大型卫星。截至目前，除了几颗尚待证实外，连月球在内，已经确知的卫星共有34颗。小行星是太阳系里较小的天体，已经发现并正式命名的有2，000多颗，其中最大的一颗──谷神星，直径约1，000公里。大部分小行星分布在火星和木星的轨道之间。彗星也是太阳系中质量较小的天体。绝大多数彗星沿着非常扁的椭圆轨道绕日运行。它靠近太阳时显得十分明亮，而且拖着一条扫帚形的尾巴。流星体是太阳系内更小的天体，大多数还没有豌豆那样大，质量不到1克。流星体是固态的，也绕太阳转动，但轨道千差万别。它们进入地球大气层时，由于速度很高，同地球大气的分子碰撞而发热、发光，形成明亮的光迹，划过长空，称为流星现象。绝大部分流星体在进入地球大气时化为气体，也有一些比较大的或特别大的，在大气中没有耗尽，落到地面上便是陨石。太阳是地球上光和热的泉源。从天文学的观点来看，它还作为离我们最近的一颗恒星而占有特殊的地位。作为恒星来说，太阳既很普通又很典型。它在各类恒星中不算亮也不算暗，不算大也不算小。它的质量约为2，000亿亿亿吨，半径约70万公里。太阳的中心处在很高的压力下，温度约达1，500万度。那里的高温高压条件导致热核聚变，每秒钟释放的能量可供地球上按现在的消费水平使用1，000万年。这种能量中的主要部分，辗转经历千万年的时间才传到太阳表面，然后辐射到周围的空间中去。太阳由约71％的氢、27％的氦和2％的其他元素组成。表面温度约6，000度。作为太阳大气外层的日冕含有温度高达100～200万度的电子气体。太阳外层大气以及太阳磁场，延伸到极其广阔的太阳系空间。日面上经常出现的以黑子和磁场为标志的太阳活动，是宇宙电动力学现象的一个重要事例。这种活动趋于剧烈时便发生耀斑爆发事件，表现为各种波长电磁辐射的突增和“高”能量质点的抛射。这是天文世界中极为重要、极其复杂的能量聚集、存储、引发和释放过程的一个特写，尽管在恒星世界中这还属于一种较小规模的活动。随着二十世纪天体物理学的进展，我们已经能够大概地描绘出太阳（以及绝大部分恒星）的发生和发展的历程。大约在50亿年前，太阳的前身──银河系里的一团尘埃──气体云，由于引力收缩，在几亿年中聚集成为发光的“星前”天体，随即形成了太阳系的雏形。星前天体在继续收缩中使中心部分愈来愈热，当温度升至700万度以上时，便产生核聚变，也就是由四个氢原子核聚变为氦原子核的“氢燃烧”过程。氢燃烧释放出的巨大能量使太阳内部的辐射压力和气体压力一起抵挡住进一步的引力收缩，这时太阳便进入了较为稳定的平衡时期。太阳所含的氢估计足够燃烧100亿年。太阳现在的年龄约50亿岁，所以正处在中年。到了氢燃烧末期，太阳的核心部分主要是聚变的产物──氦，外壳部分则仍以氢为主。由氦构成的核心由于引力作用，愈缩愈密，氢包壳则在继续燃烧中膨胀，使太阳变成表面温度较低而体积很大的红巨星。红巨星的氦核心部分继续收缩，直到中心温度达到一亿度时，开始了内部的“氦燃烧”，也就是氦聚变成碳的过程。到了氦燃烧末期，由碳构成的核心不断收缩，而其外壳可能很快膨胀成为与中心脱离的行星状星云，而中心体在太阳原始质量的条件下不足以引起“碳燃烧”，就继续收缩，直到形成密度非常大、亮度很低的白矮星。恒星世界银河系中估计有数以千亿计的恒星，比较稀疏地分布在尺度约10万光年的空间范围里。在已经研究过的恒星中，它们的化学组成大同小异（虽然这个小异绝不是无关紧要的），质量的差别也不是很大：恒星最小的质量大约为太阳的百分之几，最大的不过为太阳的120倍。不同质量的恒星在自己的各个演化阶段中呈现出不同的颜色和光度。不同恒星的光度，以每秒钟发出的能量来看，可能相差很大。例如一些超巨星，光度可达太阳的200万倍，而像白矮星那样的暗星，光度则只有太阳的几十万分之一。当然还有许多我们没有能够观测到的那些并不发光或正在熄灭的星体，它们的光度等于或接近于零。许多恒星的光度发生引人注目的变化。其中变星的光度变化是周期性的，周期从一小时到几百天不等，也有的可以长达两三年。另有一些恒星的光度变化是突发性的，其中变化最剧烈的是新星和超新星。它们是处在演化过程的某个转折点上，内部严重失去平衡，导致星体的剧烈爆炸。规模较小的可以引起光度突增几万至几百万倍，称为新星，而规模大的则几乎把星体全部质量都抛射出去，这时的光度突变可达千万倍至上亿倍，称为超新星。恒星的大小十分悬殊。尽管处在氢燃烧阶段的各类恒星直径相差最多不过几百倍，但是在演化的某些阶段上则不然，如包壳膨胀时形成的超巨星，直径可达太阳的几百或几千倍。而演化末期的白矮星和中子星，星体物质高度压缩，内部密度分别可达水的十万倍到百万亿倍，直径分别只有太阳的几万分之一到几十分之一。尽管各种恒星的性质千差万别，但是它们的演化几乎都可以用核聚变为主的理论来解释。事实上，只要确定星体的起始质量和化学组成，就可以推断出这颗恒星从诞生到死亡的每一个阶段的物理特性。上面所说的形形色色的恒星，都可以被认为是具有某种起始质量的星体演化到某一特定阶段的表现。恒星演化理论的建立，无疑是二十世纪天文学的一个重大成就。尽管这种理论并非无懈可击，但是它为理解恒星的基本性质奠定了坚实的基础。而由此引伸出来的一些结果，如化学元素的起源学说，以及包括黑洞在内的超密