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太阳连同我们人类是处在银河系中心平面附近。我们如果沿着垂直于银河系圆盘平面的方向往外空望去，看到的是稀疏星点，但如果沿着盘面向它的边缘望去，那么就会看到许多星星，图0—2正是反映这两种情况。这也就说明了为什么我们这恒星系统的扁平圆盘表现为一条横贯夜空的亮带：银河。图0—3是银河的照片。■可是，充满银河系圆盘的不仅是恒星，发光星际云表明恒星之间的空间并不是空无所有。银河系有百分之一的质量不是集聚在恒星之中，而是布满于星际空间。它的化学组成虽然和太阳一样，但密度只有太阳十亿分之一的十亿分之一的百万分之一。这种星际气体中埋藏着微小的尘粒。星际尘云像层层厚纱削弱了背后传来的星光，并且像地球大气尘埃使落日变红那样造成远处星光的红化。星际尘粒很微小，直径只有万分之一毫米。在银河系中，恒星、气体和尘埃物质缓缓地运动，平均每一亿年围绕银河系中心运行一周。然而恒星世界却不是慢条斯理的。大批恒星已经一对对结合成双星，每隔若干年、多少天或几小时相互绕行一周。有的星按确切周期涨了又缩，缩了又涨，像是在作呼吸运动。不定相隔多长时间，便会发生一次爆炸把一颗星崩碎，使它暂时大放光明，和所在星系别的千亿恒星的亮度的总和差不多一样亮。还有的星不是平稳放光，而是每隔百分之一秒发一道闪光，一道接一道，明暗相间。面对这一宏伟自然奇观的是住在地球上的，试图理解宇宙万象的一小批天文学家，而地球则是绕着一颗叫做太阳的平凡恒星公转的一个小小的行星。这些天文学家利用所住行星的资源建造了各种仪器设备，在各地天文台用它们来细测宇宙动静，又用火箭把望远镜送出妨碍观测的地球大气层外去进行探索。有不少同时代人把他们误认为占星术家，可是他们丝毫也不愿同那类人物混为一谈。另外一些人则赞赏他们，因为他们的思维超出了由日常生活经验所能有效推理的范畴。研究工作使他们对大自然的了解，至少是对无机世界根源的认识深化了一步。但是跨出这一步的是客观治学的自然科学家，这样的人不会从自己所取得的专业成果中推导出道德准则来。从事探索天体、理解宇宙的伟业并不等同于使他们变得品质更优良，道德更高尚。他们的动力不单纯是探索未知的渴望。正像人类其他行业一样，追名逐利与同行竞争起着或多或少的作用，而且有的重大发现是来源于这类动机。然而，天文学家之中也照样有求知的热望，他们之间确实存在互助和友好合作，本书不少地方将反映这种实例。具体的研究结果既然是人们劳动的产物，就难免在好多方面不够完善，甚至还有相当程度的缺点与错误。但是天文科学整体，尽管它从巴比伦人的萌芽时期直到现代天体物理学经历了许多迂回曲折，毕竟还是走上了一条前进的大道。舞台业已明确，角色俱已齐备，演出就可开始。
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1．恒星的漫长生命地球以每秒30公里的速度围绕着太阳运动。它的运行轨道接近于一个直径为3亿公里的圆。地球绕太阳运动时，朝向太阳的面（称为日面）受太阳照射，所接受的能量与它转到背向太阳时（处于夜面时）辐射出去的能量几乎相等。由于接受和发出交替进行，使地球表面能维持一定的温度，因而使这颗行星变成我们可以居住的。严格地说，并不是所有入射的太阳能量又全部被辐射出去，有一部分以化学能方式贮存于植物之中，人类和动物就是依靠贮存在植物中的能量来生活的。当我们用煤和石油取暖时，我们就是利用了植物在地球早期阶段所吸收的能量。同样，水电站的涡轮机也是由太阳能所驱动，因为太阳的辐射蒸发了大洋中的水，通过下雨而存贮在河流之中。朝向太阳的地球表面每平方米接受太阳能的功率为1。36千瓦，整个地球表面所接受的辐射功率接近于200万亿千瓦，但是，如此巨大的能量与太阳每秒向各个方向辐射出去的能量相比，却仍然是十分微小的。采用千瓦为单位来计算太阳的辐射功率，则需要一个24位的数字。但在这个能量中只有极微小的一部分被地球所接收。太阳的能量是从哪里来的太阳年复一年地以巨大功率向宇宙中发出光和热，即辐射出能量。它已辐射了多久，并且还能辐射多长时间？它会不会随着时间消逝而不断减小辐射，使地球上的生命被冻僵？或者它会慢慢地增大它的辐射，使地球上的大洋沸腾而生命告终？自从人们对太阳进行有目的地观测以来，即使采用最精密的仪器，至今也没有测出太阳的辐射强度有缓慢变化的现象。根据在地壳最古老的沉积层中所发现的有机生命痕迹，也可看出太阳自很久以来就以不变的光度进行辐射。太阳长时期以来就这样强烈地辐射着，才使地球上有生命存在。在南非的特兰斯瓦尔，人们在翁弗瓦赫特地层的硅化岩中发现了和今天的蓝藻有相同复杂结构的，相当进化的单细胞组织。这证明了早在35亿年以前地球上就有生命存在，那时的太阳也必定具有和今天大致相同的光度。太阳内不可能贮藏无限多的能量，因为它是一个有限的物体，由有限的质量所组成。我们可以测定它的质量，因为质量可以通过引力来显示。地球和众行星围绕着太阳运动，由于受太阳质量的引力作用而被约束在一定的轨道上。根据每一瞬时离心力和引力相等的原理，可以算出太阳引力的强度，进而计算出太阳的质量（见附录C）。若以吨为单位来计算太阳的质量，就需要一个28位的数字。维持我们生命的太阳辐射功率就是来自
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这些太阳质量。计算表明，每克太阳物质在1年内必须辐射出大约6焦耳的能量。乍看上去它似乎不算太大，因为人体每克物质所发出的热量还比这个数字要大1000倍以上。但不同的是，人们为了补偿这个能量损失，必须每天吃东西，而太阳几十亿年以来却是靠自身来维持辐射。太阳在长时期内以很大功率辐射出去的能量是从哪里来的？是不是主要来源于化学变化？我们研究一种最简单的释能化学过程——燃烧。如果太阳由烟煤组成，它的燃料只能补偿5000年的辐射，然而太阳早在几十亿年以前就在向外辐射了。因此如果碳是太阳的燃料，那么太阳炉早就熄灭了。所有其他化学过程，也和燃烧一样产能都太少，不能作为太阳的能源。上世纪末人们曾经进行过很多尝试，以寻求太阳的能源。由于太阳内部的化学过程所产生的能量都太少，导致人们联想太阳是否可能从外部吸热。在我们太阳系内充满了很多小的固态物体，它们运动于行星之间，被称为流星。流星现象是我们所熟悉的。当一颗流星闯入地球大气时，它被加热烧毁，在天空中发出亮光。某些流星在大气中不能完全烧尽，残余部分会落到地球上，这就是现在我们在博物馆中看到的陨石。太阳巨大的引力也必定能吸引很多在太阳系中运动的流星，它们将以很大的速度撞击太阳，碰撞时它们的动能转变为热能，是否这样产生的热可以补偿太阳的向外辐射？撞击太阳的流星物质，每克可以提供大约1。9亿焦耳的能量。为了补偿太阳的辐射，每年必须有大约为百分之一地球质量的流星物质落到太阳上。太阳质量的增加可以通过太阳的引力变强而被觉察到。它能使地球绕太阳的运动发生变化，例如最近2000年地球轨道长轴要明显缩短。但是根据古代关于日食和月食的记载，没有发现太阳系运动状态有能测量到的变化，因此“流星假说”是不成立的。太阳不是由撞击它的流星所加热。假若太阳可以将自身的引力能释放出来，这也是一种可能的能源。早在上个世纪，赫尔曼·冯·黑尔姆霍茨（HermannvonHelmuholtz）——一位多才多艺的物理学家和医生，就已注意到这个可能性。如果太阳没有某些能量的输入，它将会随着时间的推移收缩，它的半径将会变小。每克太阳物质会缓慢地向太阳中心靠近，即以较大的减速度下落。正如流星物体下落一样，这里也释放出能量。和流星假说不同，在这里是太阳物质自身的“下落”，但保持太阳的质量以及它对地球的引力不变。这个过程只能维持大约1000万年的太阳光度，仅仅是太阳已辐射几十亿年的百分之一。结论是太阳自身的引力能释放不能补偿太阳的辐射。太阳和恒星里的核能今天我们知道，核能是已知产能率最大的能源。我们使用的电有一部分是由核电站所提供。在核电站内，重的铀核被分裂为轻的原子核，原子核分裂时会释放出能量。假如能使轻原子核聚变为重核，并获得有用的能
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量，那么这样的核电站会产能更多，特别是氢核聚变的产能率最大。太阳像大多数恒星一样，主要是由氢组成。因此我们要问，太阳的辐射是否可能由氢聚变来补偿？以后我们将会看到，氢的聚变确实是太阳的能源。在第3章里我们将要详细讲述在恒星内进行的核过程。不过在证明核反应维持了太阳的生命，从而也维持了我们的生命以前，我们应假想一下，假如在太阳和恒星内氢原子不断地聚变为氦原子，并释放出核能来维持恒星的辐射，其后果是什么。当1克氢原子核聚变为氦核时，可以从这1�