《人类科学技术史-394》天体演化理论和宇宙学的发展

天体演化理论和宇宙学的发展

天体演化理论主要研究太阳、太阳系、恒星、星系等天体的演化过程。

当代天体演化理论的发展，使人们对各种天体的演化图景作出比较完整的描述。40年代末期以来，宇宙学也有很大发展，建立了几种不同的宇宙模型。

1.天体演化理论

对太阳的研究在本世纪上半叶已取得不少成果。1938年，美籍德国人贝特(1906-　）和德国的冯.魏扎克(1912-)分别指出：太阳的巨大能量是由其内部的氢核聚变成氦核时产生的。这一理论早已得到了确认。进入当代以来，对太阳的研究又取得新进展。1960年，人们认识到日冕在连续不断地向外膨胀，在此过程中产生的"太阳风"(带电粒子流）以每秒300-600公里的速度扫过地球，引起地球上的极光和地磁扰动。70年代，美国的弗里德曼(1916-　）等人拍摄到了太阳的X射线照片，证实了关于太阳活动区可能发出X射线的猜想。中国于1984年研制出太阳磁场望远镜。1987年，用这架望远镜在世界上首次获得两维实时太阳色球层活动区和耀斑速度场的观测资料；1988年，又用它观测到位于日面中心附近的大黑子群。这些黑子群面积有84亿平方公里，约占太阳可见表面的1.6％。

当代恒星演化理论是在认识到热核反应是恒星能源之后逐步建立起来的。50年代，美国人史瓦西(1912-　）把恒星能源和恒星结构与演化的进程结合起来，大致描绘出恒星一生的发展史。现在人们已经知道，恒星的前身(星胚）是由弥漫稀薄的星际物质通过引力塌缩凝聚成的密度较大的气体和尘埃土。恒星的星前阶段只有几百万年，然后就进入几万年到几万亿年的主星序阶段。太阳现在正处于主星序中期，已有50亿年的历史。恒星演化的末期将变成三类天体：白矮星、中子星、"黑洞"。在恒星核能耗尽后，其质量小于1.44个太阳质量的，就成为白矮星；其质量在1.44-2个太阳质量之间的，成为中子星；超过2个太阳质量的，则可能成为"黑洞"。最早被观测到的白矮星，是1862年发现的天狼星的伴星。到本世纪80年代初，观测到的白矮星已有1000多颗。中子星的存在已于60年代得到确认。孤立的黑洞难以观测到，因此人们着重从双星体系中寻找黑洞。天鹅座X-1被认为可能是一个黑洞，1978年，美国的天文卫星向地面发回了它的照片，但尚不能确认它就是黑洞。1984年，天文学家发现质量是为太阳8-12倍的X射线源LMCx-3可能是一个黑洞。此外，人们还发现了几个可能是黑洞的天体。但这些发现尚未被最后证实。1974年，霍金(1942-　）提出，黑洞也会向外发射粒子，甚至会产生猛烈的爆炸。

2.当代宇宙学

1917年，爱因斯坦提出了有限无边的宇宙模型。以后，有人提出了另外一些宇宙模型。1929年，哈勃(1889-1953)确定了星系红移和距离之间的线性关系(即哈勃定律）。这一定律成为当代宇宙学发展的基础。

当代宇宙学的形成以宇宙大爆炸理论的提出为标志。1948年，美国物理学家伽莫夫(1904-1968)等人把核物理学的知识与宇宙膨胀理论结合起来，提出了大爆炸理论，并用它说明化学元素的起源。大爆炸理论认为，宇宙开始于高温、高密度的"原始火球"，球内充满辐射和基本粒子，基本粒子发生核反应是爆炸的起因。火球爆炸后向外膨胀，辐射温度和物质密度急剧下降，核反应停止。这期间所产生的各种元素就形成了今天宇宙中的各种物质。在膨胀过程中，辐射物质逐渐凝聚成星云，进而形成各种恒星体系，成为今天的宇宙。伽莫夫还预言，由于大爆炸后宇宙有残余的辐射遗留下来，因而其背景辐射应为绝对温度几度。大爆炸理论在元素形成和星系演化上遇到一些困难，因此很长时间沉寂无闻。1965年，3K微波背景辐射的发现，使大爆炸理论东山再起。由于探测到的背景辐与伽莫夫的预言基本一致，所以这一发现为大爆炸宇宙理论提供了有力的证据。

大爆炸理论能够较好地解释许多重要的观测事实：①星系的退行，即遥远的星系均以很高的速度在彼此退行，并符合哈勃定律；②宇宙时标，即用各种独立的方法对各种不同天体测定的时标均在200亿年以内，这与大爆炸理论推断的宇宙演化年龄相一致；③宇宙中30％的氦丰度，如此多的氦是在宇宙演化早期高温条件下产生的；④宇宙背景辐射。现在大爆炸理论被多数科学家接受，称之为"标准宇宙模型"。必须指出，大爆炸理论的立论基础是星系的光谱红移代表星系离我们而去的退行。但也有人提出"非速度红移"的观点。所以宇宙大爆炸理论实际上只是诸多宇宙演化假说中的一种。而且它还有视界困难、磁单极困难等许多问题尚不能回答。

80年代以来，宇宙学又有新的发展。标准宇宙模型对于0秒到1／100秒宇宙演化的极早期无法说明。新理论则着重探讨宇宙极早期的演化。1981年，美国的古思提出了"暴涨宇宙论"。后来原苏联物理学家林德等人对它加以修正改进。根据暴涨宇宙理论，宇宙在10↑－36秒时刻处于暴涨期。这时没有粒子，没有辐射，只有暴涨(以指数形式快速膨胀）着的高度对称的真空。10↑－36秒一过，暴涨期结束，真空发生相变，宇宙出现不对称，相变中放出的能量转化为辐射和粒子。在10↑－30秒后，暴涨宇宙理论与大爆炸理论对宇宙的描述完全一致。暴涨理论还初步解释了诸如宇宙为何是平直的等大爆炸理论所不能回答的几个问题。

1983年，英国的霍金等人提出了量子宇宙学。它认为宇宙起源于一个没有时空的物态。所以它讨论的是宇宙在0秒时刻发生的事情(精确地说是0-10↑－44秒中发生的事情）。量子宇宙学对宇宙大爆炸发生的时刻及大爆炸前的状态等问题作了尝试性的回答。

暴涨宇宙理论和量子宇宙学填补了宇宙在0秒到0.01秒间如何演化的理论空白，弥补了标准宇宙模型的不足。但它们毕竟还远不如标宇宙模型成熟，得到的观测证据还不充分，许多问题有待于进一步探讨。