天文学与其他科学——天文学PK物理学（上）

□ 张明昌

天文学与其他科学
——天文学PK物理学（上）

□ 张明昌

牛顿的大炮

图1 法国科幻大师凡尔纳

在以往的战争中，威风八面的大炮曾被誉为“战争之神”。当年法国科幻大师凡尔纳在他的《从地球到月球》中，三个探险的勇士们乘坐的“宇宙飞船”竟然就是一枚硕大无朋的巨型炮弹，它的直径为108英寸（2.74米），重19250磅（8750千克），发射该炮弹的大炮长达900英尺（274米）！当然，今天人们都明白，太空旅行需要由火箭发射的宇宙飞船，别说凡尔纳的超级大炮谁也造不出来，即使真的造了这样骇人的东西，坐在炮弹中的人，刚一发射马上就会呜呼哀哉了。

但大炮确实会给人留下深刻的印象。甚至大科学家牛顿在探索万有引力时也借助了大炮。他设想，在一座高山顶上，架上一尊大炮，炮身水平安置，那么发射出去的炮弹一定会沿着一条曲线（抛物线），飞行过一段距离之后再落在地上。如果没有空气的阻力，那么，炮弹的速度越大，它飞过的距离也就越长。速度增大一倍，距离也会增长一倍；速度增大10倍，距离也相应增加10倍。而倘然速度一直不断增大，势必会有不再落回地面的时候，因为地球表面是弯曲的球面，而且，那颗炮弹还应绕着地球转动。接着，他更展开丰富的想象，把月球就看作是一枚“炮弹”，他分析：月球绕地球的轨道运动可以分成二部分，一是按照惯性的直线运动，这种运动的方向是轨道的切线方向；第二种运动是由地球引力引起的，它是朝着地球的。牛顿说：“没有这样的力，月球就不会保持在这样的轨道上，如果这个力太小，就不能使月球偏离它的第一种直线运动；而倘若这个力过大，就会使月球偏离过多而从轨道上落下来，掉到地球上。”当然，他最后还作了令人信服的大量计算，得到了地球表面上重力加速度的准确值为981厘米/秒2；第一宇宙速度（围绕地球运转的最小速度）为7.9千米/秒；第二宇宙速度（飞离地球的最小速度）是11.2千米/秒；第三宇宙速度（从地球飞离太阳系的最小速度）是16.6千米/秒……

图2 引力作用下，天体运行的轨道是圆锥曲线

牛顿还反过来，用万有引力定律证明了，两个天体在此力的作用下，必然会沿着曲线绕转，这曲线可能有三种形式：椭圆、抛物线、双曲线。这为后来哈雷研究和预报哈雷彗星起到了至关重要的作用。

牛顿的万有引力以及他的三大力学定律，为现代的物理大厦奠定了最坚实的基础。人们也从中认识到了物质世界的统一性。后来，天文学家把它用于双星系统，揭开了双星间的许多奥秘，从中不但能够求出那两颗子星的确切的、可靠的质量值——这也是恒星最重要的物理参数。正是其质量，决定了它形成时有多亮、表面的温度有多高、以后的寿命有多长……后来天文学家还研究出用双星的轨道来求出它们离开我们的距离。

1844年德国天文学家贝塞耳也是根据万有引力定律，坚定不移地认为，在明亮的天狼星近旁，尽管现在什么也看不见，但从天狼星在空间的运动扭扭摆摆的样子看来，完全可以肯定，它身旁应有一颗正在吸引着它的恒星。这个科学预言在18年之后得到了证实，并使人们第一次知道，世界上还有一种密度大得难以想象的天体——白矮星。哪怕是苹果那么小一团物质，只要是取自于白矮星就非同小可，它将重达175000吨！地球上绝对找不到一张可以安置它的桌子。

使万有引力达到极致的，则是二百年后海王星的发现了。因为，赫歇耳发现的天王星十分奇怪，似乎它与其他行星不同，不肯完全服从牛顿的指挥，时常要“出轨”。是什么原因使它搞特殊化？尽管也曾有少数人一度对牛顿定律产生过疑虑，但绝大多数科学家则认为，其中一定有“幕后人物”在操纵着它，即在天王星的外面，还有一颗未知行星在兴风作浪，人们应当把它揪出来示众。

图3 发现海王星的勒威耶（左）与亚当斯（右）

不过说来容易，做起来却是千难万难，未知因素实在太多了，数学上的巨大困难使一些人望而却步。还是初生牛犊不怕虎，两个年轻人，英国的亚当斯和法国的勒威耶，在互不知晓对方工作的情形下，差不多同时获得了成功，不同的是，前者的论文被权威束之高阁，后者却幸运地摘取了桂冠。但是，最大的赢家是牛顿的万有引力定律。

不存在的“新元素”

在人们对于物质世界知之不多的19世纪，利用光谱分析来搜索和发现新的未知元素，是一种非常有效的方法，不少科学家也享受到了胜利的喜悦，前文所述的“太阳元素”氦的故事只是其中一个生动的例子。其实，还在让桑拍得氦的黄色光谱线之前，已经有人在漫漫的星云中遇到了类似的问题了。

图4 美丽的猫眼星云

图5 日全食时才能见到的日冕

我们知道，在茫茫的宇宙空间，除了众多的恒星以外，还有着大量的处于弥漫状态下的星云。千万不要小看它们，以为星云之中空空荡荡，每立方厘米内只有区区几十到几百个粒子（包括原子、分子及离子），比目前科学家能够制造出的“真空”还要“真空”得多。但由于它的范围极大，直径在1~300光年间，所以星云的质量非同小可，平均为太阳质量的10倍左右。现代的科学研究还表明，星云也是天体演化的重要环节：恒星是由星云收缩形成的，而恒星在走完它的漫长一生后，最终又土崩瓦解再回复到星云状态……

1846年，天文学家在研究星云的光谱时，发现它中间总有若干来历不明的绿色谱线。这岂非表明，星云中有一种特殊的“星云物质”？科学家们甚至早早为它起了名字：“”。为了寻找这个“”，科学家们真是食不甘味，找遍了一切可以到达的地方，用尽了浑身的看家本领，可是，几十年时间过去了，它就是不肯登台亮相。

尽管科学家们许多努力似乎没有什么确切的结果，但他们的辛勤劳动也没有白费，不倦的探索，极大地推动和促进了物理学及其他学科的繁荣与发展。反过来，正是科学的发展逐步为解决它们创造了条件。尤其是恒星大气理论和量子力学诞生之后，多年的疑难终于水落石出了。

（责任编辑 张长喜）