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（一）
4月24日 《人类怎样认识宇宙》 赵君亮
央视国际 2004年04月21日 14:35




　　主讲人简介：

　　赵君亮，中科院上海天文台原台长，研究员。发表多篇天文学术著作，同时致力于天文科普事业，亦有多篇天文科普著作问世。

　　内容简介：

　　天文学是最古老的自然科学学科之一。人类正确认识宇宙以及地球在宇宙中的地位经历了漫长的过程，这一过程与历史上许多著名学者的辛勤劳动——细致的观测和深入的理论研究——是密切不可分的。早在公元前4世纪，古希腊哲学家亚里士多德就已提出了“地心说”，即认为地球位于宇宙的中心。同时早在两千多年前，古希腊天文学家阿里斯塔克就已提出了朴素的“日心说”。

　　1584年，意大利人布鲁诺明确提出宇宙是无限的，恒星都是遥远的太阳，太阳只是无数个恒星中的普通一员。1750年，英国天文学家赖特指出，银河和所有观测到的恒星构成一个巨大的扁平状天体系统，由于太阳连同地球位于这一系统的内部，从不同方向观测才看到了银河和离散分布的点点繁星。1785年，英籍德国天文学家威廉·赫歇耳建立了第一个银河系模型。1917年，美国天文学家沙普利通过对银河系内天体分布的分析，确认太阳并不位于银河系的中心，而是处于相对说来比较靠近银河系边缘的地方，从而纠正了赫歇耳银河系模型的错误。

　　这样，太阳的地位也发生了变化，从居于银河系中心的特殊恒星，降为银河系中一颗毫无特殊地位可言的普通恒星，地球在宇宙中的地位也就更无特殊性可言了。地球不是上帝刻意安排的，人类自然也不是上帝创造的。不过，就是在这样一颗行星上，人类演出了光辉灿烂的文明史，并最终正确地认识了宇宙的概貌。

　　（全文）

　　天文学是最古老的自然科学学科之一。每天太阳从东方升起，从西方落下。古人于是就有了对宇宙的朴素认识。人类正确认识宇宙以及地球在宇宙中的地位经历了漫长的过程，这一过程与历史上许多著名学者的辛勤劳动——细致的观测和深入的理论研究——是密切不可分的。

　　早在公元前4世纪，古希腊哲学家亚里士多德就已提出了“地心说”，即认为地球位于宇宙的中心。公元140年，古希腊天文学家托勒密发表了他的13卷巨著《天文学大成》，在总结前人工作的基础上系统地确立了地心说。根据这一学说，地为球形，且居于宇宙中心，静止不动，其他天体都绕着地球转动。这一学说从表观上解释了日月星辰每天东升西落、周而复始的现象，又符合上帝创造人类、地球必然在宇宙中居有至高无上地位的宗教教义，因而流传时间长达1300余年。早在两千多年前，古希腊天文学家阿里斯塔克就已提出了朴素的“日心说”。他指出，太阳位于宇宙中心静止不动，地球则绕着太阳运动，同时又绕轴自转。可惜由于科学水平的限制，这一天才的思想未能为人们所认识。直到中世纪末，由于用托勒密地心体系推算出来的行星位置与实际天象的观测结果不符，人们才开始怀疑地心说的正确性。

　　1543年，波兰天文学家哥白尼在他的不朽名著《天体运行论》中系统地提出了日心说。在他阐释的日心体系中，太阳居于宇宙的中心，地球和其他行星沿着圆形轨道绕太阳运行。这样一来，托勒密地心体系中需要用极为复杂的运动图像来解释行星运动天象的烦琐的工作一下子变得十分简单。后来，德国天文学家开普勒指出，行星绕太阳运动的轨道应该是椭圆而不是圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。这一重大发展使得观测结果完全可以用理论来加以解释和预报，日心说的地位进一步得以巩固。 按照日心学说，就地球上的人来看，天上恒星的位置应随着地球绕太阳运动而发生变化。在哥白尼提出日心说后的近300年中，人们进行了大量的观测，企图证明这一点，可是始终没有成功。原来，恒星离开地球十分遥远，最近的一颗也远达43万亿千米。因此，地球围绕太阳运行造成的这颗恒星的位置变化只有12.5。恒星越远，这一变化也越小，当时的观测仪器是无法探测到的。直到1838年，德国天文学家白塞尔才首次利用三角方法测出一颗名为天鹅61的恒星的位置变化，并推算出它的距离为11.2光年，从而最终证实了哥白尼的日心地动学说。

　　地球的地位从居宇宙之中的特殊天体降为绕太阳运动的一颗普通行星。1608年，荷兰人李波尔赛在一次偶然的机会中发明了望远镜。翌年，意大利物理学家、天文学家伽利略在得知这一消息后，立刻亲自动手制作了第一架天文望远镜，并不断加以改进。伽利略利用他的望远镜发现了月球表面的环形山、金星月相、木星的卫星、太阳黑子，发现了茫茫银河由无数个恒星所组成。早在15世纪中叶，德国大主教尼古拉就已猜测黑夜天穹中的恒星都是一个个十分遥远的太阳。1584年，意大利人布鲁诺明确提出宇宙是无限的，恒星都是遥远的太阳，太阳只是无数个恒星中的普通一员。1750年，英国天文学家赖特指出，银河和所有观测到的恒星构成一个巨大的扁平状天体系统，由于太阳连同地球位于这一系统的内部，从不同方向观测才看到了银河和离散分布的点点繁星。1785年，英籍德国天文学家威廉·赫歇耳利用他自制的当时世界上最大的46厘米望远镜，通过长期的实际观测，并经过精心的分析研究，建立了第一个银河系模型。在这一模型中，太阳仍然位于当时人们所认识的宇宙范围——银河系的中心。由于赫歇耳个人在当时的威望，这一观念一直维持了130余年之久。恒星这一名称，无论在中国还是在西欧，它的含义都是“恒定不动的星体”。因为在很长时间内人们都发现恒星间现对位置固定不动，故而取了这么个名字。1718年，英国天文学家哈雷通过观测和分析，首次指出恒星不动的概念是错误的。后来，赫歇耳正确地认识到，我们所观测到的恒星运动是由恒星自身的运动和太阳的空间运动两部分合成的结果。1783年，他通过对所观测到的大量恒星运动的统计分析，发现太阳以大约每秒20千米的速度朝着织女星方向运动。太阳空间运动的发现彻底动摇了哥白尼日心体系中太阳固定不动的观念。1917年，美国天文学家沙普利通过对银河系内天体分布的分析，确认太阳并不位于银河系的中心，而是处于相对说来比较靠近银河系边缘的地方，从而纠正了赫歇耳银河系模型的错误。这样，太阳的地位也发生了变化，从居于银河系中心的特殊恒星，降为银河系中一颗毫无特殊地位可言的普通恒星，地球在宇宙中的地位也就更无特殊性可言了。银河系是否已经包括了宇宙的全部内容呢？早在赫歇耳尝试确定银河系结构之前，人们就已观测到天空中除恒星外还存在着一些暗弱而又模糊的云雾状天体，取名为“星云”。比如，1612年德国天文学家马里乌斯率先用望远镜发现了仙女大星云。1750年赖特天才地猜想，这类星云中有一些可能是同银河系相似的巨大恒星系统。1755年德国人康德首次明确提出在银河系外的宇宙空间中存在着无数个类似的天体系统，称为河外星系，或简称星系，甚至确指仙女大星云即是一个很好的例子。可是当时人们对星云的精细结构缺乏了解，更不知道它们的距离，无从妄下断语。因为尽管在赫歇耳时代之后，观测手段不断改进，物理学研究方法不断介入天文学，但直到20世纪初，关于星云的本质仍然没有明确的定论。但是康德的猜想可以说是一个天才的猜想，这是天文学上三个天才的猜想之一。

　　第一个是亚里士多德，他猜想地球绕太阳转。第二是布鲁诺，他猜想天上的星云都是“太阳”。第三个猜想就是康德，他猜想在银河系外，有很多很多和银河系同样大小或者差不多大小的河外星系。下面我会给大家看仙女星云，这个星云实际上如果你知道它的确切位置，人的眼睛勉强可以看到的，就是正常1.5的眼睛。他说这个不是星云，那么星云什么样呢？这个给大家看两个星云：这是一个叫蟹状星云，一千多年前一次恒星死亡前的爆炸到现在就成这个模样很漂亮的一个星云。那个是个马头星云，这里是个暗星云，这是真正的星云。那么当时赫歇耳是权威，而且他手头当时有世界上最大的望远镜。他说你们也不要吵了，这个星云到底是星云还是星系？我的望远镜来看，我的望远镜能够把星云看成一颗一颗恒星，伽利略看银河系不是这样看的吗？我如果把星云分成一颗一颗恒星，那么这个星云就是星系。对不对？如果这个星云看来看去，不能够分解成一颗一颗恒星，那么这个康德这个观点不能成立。然后赫歇耳就看，看到后来他自己也糊涂了。这是什么意思呢？有一些星云的确他分解很清楚了，但是有一些星云他又没有办法把它分解成恒星。实际上他没有办法分解为恒星的是一些真正的星云在银河系里面的，而给它分解成恒星的呢也不是星系，是银河系里面的一些星团。那么他就搞糊涂了，所以他一会儿说河外星系有，一会儿又说河外星系没有。那么别人就跟着这个大权威在那儿倒来倒去，所以这个问题就没解决。

　　这个事情一直闹到二十世纪初，1920年4月份美国科学院专门举办了一次讨论会，这个星云的本质到底是什么？这个讨论会一个专门的名字叫“宇宙的尺度”，这是天文学史上有名的叫做沙普利-柯蒂斯之争。这两个人好像吵架一样，沙普利倒是证明了太阳不在银河系的中心，就是他。但在这件事情上他的观点是不对的，他坚持没有河外星系。那么柯蒂斯他认为有河外星系，这实际上争论到最后，这个会是没结果的。为什么没结果呢？就是不知道仙女星云的距离，银河系的尺度是十万光年，如果仙女星云离开我们是一百万光年，那就在里面。如果仙女星云离开我们一千光年，那就在银河系外面。那么这个问题当时就没办法解决，这个测定天体的距离，是天文学上非常头痛非常困难的一件事情，那么就是靠了望远镜这场争论就解决了。这个功劳归功于大家知道是哈勃，有个哈勃空间望远镜，就纪念这个哈勃。1923年10月6日，这个哈勃利用当时世界上最大的2.5米的望远镜就观测争论不休的那个仙女星云，结果发现了就把仙女星云边缘的一颗一颗星分开来，它的分辨本领起作用，然后又发现了里面的造父变星，然后利用造父变星的观测推算出这个仙女星云离开我们是225万光年，那么这个距离远远在银河系以外，所以仙女星云现在我们就叫仙女星系了，你不能叫它仙女星云了，那么这场争论就到1923年结束，这个仙女星系就是这个样子的，大体和我们银河系的样子差不多，但是比我们银河系大，你看它这个像个漩涡星系，那么哈勃观测的就是这种边上的星，这团还是看不出，密密麻麻的星都在里面。刚才我不是讲了，康德说有各种各样河外星系吗？现在天文学家就拍到各种各样的河外星系，这就是一些河外星系照片，这个小的星系给大的星系甩出去的。这个都离开我们很远很远，每一个这样的系统里面，就有几百、几千亿恒星，非常远！有的星系还把东西抛出去，这都是天文学上需要研究的问题。

　　那么我们如果总结一下哥白尼他正确地认识太阳系，赫歇耳把我们带入恒星世界，就是扩大到银河系，哈勃使我们进入了星系世界。那么现在同样地通过理论计算知道，宇宙中间各种各样星系的数目大概有一千亿，这个数字好像很巧，银河系里面的恒星数目有一千亿个，这个宇宙中间的星系数目一千亿个，最远的离开我们大概是150亿光年不到一点。那么这些星系或者说恒星集团，它又构成更大的集团——星系团。星系团还会构成更大更大的集团——就是超星系团。所以我们把恒星构成星系，星系构成星系团、超星系团，这个现象成为宇宙的成团结构。宇宙中间大概有85％的星系都构成各种各样的星系团，这里是张星系团的照片，请大家注意，除了这个以外，其他都是星系。就是这颗是银河系中间暗的恒星，你们看看这个地方，你看这一个叫漩涡星系，像水里面的漩涡一样。仔细看，看得出来，这个还有一点小的漩涡，这都是星系，这就是一个离开我们比较近的一个星系团。

　　那么天文学家始终为测定不同天体的距离而进行不懈的努力。除了三角测量方法外，又发展了由光度测量确定天体距离的各种办法，其中之一就是利用一种有特殊光度变化特性的变星——造父变星。原来，造父变星光度的变化十分有规则，而且光度越大光变周期也越长。因此，只要测出造父变星的光变周期，就可以推算出它的实际光度，再把实际光度与观测到的亮度进行比较，就可以推算出它的距离来了。这种推算相当准确，因而造父变星有“量天尺”之称。20世纪初，美国威尔逊山天文台建成了当时世界上最大口径的2.5米天文望远镜。1923年10月6日，美国天文学家哈勃利用这台望远镜拍摄了仙女星云的照片，照片上星云的外缘已被分解成一颗颗恒星。哈勃从中发现了多颗这类变星。利用这些造父变星，哈勃推算出仙女星云的距离为225万光年，远远超出银河系范围。河外星系的存在最终得以确认。人类对宇宙的认识又大大地跨进了一步。我们的地球在宇宙之中毫无特殊之处可言，地球不是上帝刻意安排的，人类自然也不是上帝创造的。不过，就是在这样一颗行星上，人类演出了光辉灿烂的文明史，并最终正确地认识了宇宙的概貌。好了！

　　作为今天这个报告的结束，我们前面讲了人类怎样认识宇宙的三个主要里程碑：地心说到日心说、日心说到银河系、银河系到河外星系。那么我们来看看我们这个宇宙到底整体是个什么模样？它将来会向何处去？这就是宇宙学研究的内容。它从总体上整体角度探讨宇宙的结构和演化，那么这个历史过程很长，我讲了几个主要的阶段性，那么印度人又说大地是在几头大象上，大象在乌龟上，乌龟在海里游。古人都有各种各样的想法，那么到了十七世纪牛顿开始利用力学方法来研究宇宙，这个就是经典宇宙学。在牛顿时代这个时间和空间是分开的，时间和空间是没有关系的。到了二十世纪初，爱因斯坦发现了广义相对论，他开始用广义相对论来研究宇宙学。这就开创了现代宇宙学，那么在爱因斯坦时代时间和空间已经联系在一块儿，不分了。

　　但是爱因斯坦的宇宙是一个静态的宇宙，它是不动的。到了1922年弗里德曼，他就探讨非静态宇宙，就是这个宇宙会不会膨胀？1927年比利时的主教，这个人是个主教，勒梅特。他提出宇宙是膨胀的，而且是均匀各向同性膨胀。到1948年美国籍的俄国人伽莫夫，他首先建立了大爆炸宇宙学。大爆炸宇宙学的说法是：大约在150亿年之前，宇宙处于一个温度极高、体积极小、密度极高、或者说是一个奇点，然后开始膨胀。膨胀以后体积不断变大，密度下降、温度下降，经过150亿年时间的演化，变成今天的宇宙。那么这个大爆炸模型得到一些观测事实的支持，比如说哈勃发现河外星系在离开我们，而且越远的河外星系离开我们的速度越大，这就证明宇宙膨胀。还有从理论上可以算出来，早期宇宙的温度经过不断下降，现在我们应该可以观测到大约在绝对温度三度左右的均匀各向同性的背景辐射。这个波长在微波阶段，这件事情居然被观测成功，这个是一个得诺贝尔奖的，等等还有些重要观测事实。所以大爆炸宇宙学成为一种主流学说，就是大部分天文学家都赞成。

　　现在问题是我们以后宇宙跑哪儿去？就是一直膨胀，最后它的结局是怎么样？那么这个就要看，这个膨胀过程是一个斥力起作用还是引力起作用？宇宙中间存在着很多物质，物质之间有万有引力，因此这个过程是一个引力与斥力之争，到底谁厉害？是引力厉害还是斥力厉害？这就要看宇宙中间物质的密度，如果这个宇宙中间物质比较多，密度比较高，这个斥力最后顶不过引力的。总会有一天膨胀结束，然后就开始收缩。如果宇宙中间这个物质密度不够高，它顶不住那个斥力，那么这个宇宙就会一直不断地膨胀下去。一直不断膨胀下去的宇宙称为开宇宙，开放式的。有一天要收缩的，这个叫闭宇宙。那么这两类宇宙有不同的情况。首先我们探讨一下开宇宙，开宇宙不断地膨胀，宇宙中间的恒星不断诞生。十的十四次方年以后，恒星不但不会诞生，而且恒星已经全部死亡了，全部失去光辉了，星系中间只剩下星系核中间的黑洞了。到十的十七次方和十的十八次方年以后，只有黑洞和死亡的恒星，而且恒星中的质子开始变得不稳定，就是质子要衰变。经过十的二十四次方年，质子开始衰变，就变为光子和其他轻子。经过十的三十二次方年衰变过程结束，这个宇宙中间只剩下了光子轻子和大黑洞。但是到了十的一百次方年以后，这个宇宙恐怕就完蛋了。就是所有的黑洞全部蒸发了，这个大概可以称为宇宙的末日。

　　那么另一个结局闭宇宙，这个就比较差劲一点。这个闭宇宙就是说宇宙膨胀要停止了，然后这个宇宙就开始收缩，收缩过程和膨胀的过程恰好相反，就倒过来。开始收缩得很慢，然后变快，越来越快。那么膨胀是五百亿年，收缩也是五百亿年。所以一千亿年以后又回到大爆炸的那个状态，这个时候称为大暴缩。我想我们不需要担心，我今天讲这个课，你们也不会担心。这个时间尺度实在太长！将来怎么办完全不是我们考虑的问题，对吧！你像太阳，太阳已经生活五十亿年了。再过五十亿年，太阳要膨胀，那时怎么办？那是近的事情，太阳膨胀可能会把地球吞掉，等等这些问题呢，那只有靠我们科学技术的发展来解决。比如说把这个地球，我的设想，我们把整个地球当成一个宇宙飞船飞走。因为五十亿年以后，你想人类有文明史大概四千年吧，我们一百年前才发明的飞机，现在计算机发展快得不得了，所以我们对开宇宙也好，闭宇宙也好，都不要多去想，以前说杞人忧天，这个不要去杞人忧天，未来是美好的！

(二)
4月27日 《望远镜里的宇宙》 李 元
央视国际 2004年04月27日 14:26


　　主讲人简介：

　　李 元，科普作家。中国科普研究所研究员，曾在紫金山天文台、北京天文馆工作。发表多篇天文科普作品。国际天文学会因为他对天文知识普及的贡献，用他的名字命名了一颗小行星。

　　内容简介：

　　我想，天文学是一门自然科学、基础科学，它的最大的特点就是观测的科学。不像物理、化学、地学等等，可以到野外去考察，可以把东西放到实验室来做。天上的星星月亮没法拿到地上来做实验，所以只好进行观测。观测完以后，根据观测的资料，再进行研究探讨。，这就是天文学的特色，所以天文学要用望远镜去观测宇宙。1610年的时候，伽利略第一次用望远镜观测宇宙。

　　这个就是说我们对着天上的银河，灿烂的繁星，用望远镜进行摄影的工作。怎么照相呢？就把大型的照相底片放在这个望远镜后面的底片盒子里面，对天上的星星照相。这张划时代照片的就是说，能把一百多万万光年以外的星球星系统统缩影在这个篇幅里头，让你一览无疑，何等地壮烈，何等地畅快，我们真是幸运儿，能够看到这么遥远的宇宙，我相信你以前还没看过这么精彩的事情，即使看到你也没理解到是这么深刻的印象，对吧，我愿你以后能看到更多的东西，人类对宇宙的探索是没有止境的，这宇宙呢，的确是充满了形形色色壮烈无比的形象，这些形象都激发我们向科学进军，去钻研科学，让我们国家的科学水平迅速提高，让我们在宇宙的长征道路上有我们五星红旗，那么我讲到这里呢，我就自己编了一首小歌，叫《赞美宇宙》，来表达我对宇宙的向往：看宇宙多辽阔，灿烂辉煌，太阳和月亮更有无数的星光，科学探索太空，人类飞向天方，宇宙多么壮丽，真叫我向往！

　　（全文）

　　我想天文学是一门自然科学、基础科学，它的最大的特点就是观测的科学。不像物理、化学、地学等等，可以到野外去考察，可以把东西放到实验室来做。天上的星星月亮没法拿到地上来做实验，所以只好进行观测。观测完以后，根据观测的资料，再进行研究探讨。这就是天文学的特色，所以天文学要用望远镜去观测宇宙。

　　这个就是说我们对着天上的银河、灿烂的繁星，用望远镜进行摄影的工作。怎么照相呢？就把大型的照相底片放在这个望远镜后面的底片盒子里面，对天上的星星照相。照相呢，是这样的。照天上的星星的相片，不像我们地面上六十分之一秒、一百二十五分之一秒、二百五十分之一秒，不可能。必须是长时间的曝光，要想照天上的星星那是要曝光很长的时间。比方说几十分钟都是小事情，几小时、或者是十几小时都有可能。当然你说那也很简单，把底片盒一拉开，就让它曝光了，就照相好了。到了时间我再把它关上，拿下来一冲洗就用了。没有那么简单！因为地球在自转，所以望远镜跟着地球在转动，对吧！我们人都是跟着地球在转动，我们人转动感觉不到。望远镜跟着地球一转动，天上的星星在底片上就划成一道一道的。因为它曝光的时候，那个星在走，因为地球在转动，反过来看到星星在走，对不对？所以一定要保持望远镜里面的星不能够动，在底片上是一点。那么一个圆点要保持住的话，就要把望远镜来转动。望远镜怎么转动呢？就用一个转动望远镜的一个机械装置，当然最早的是手摇的，或者是上发条的，后来就有了电动的。但是这也不可靠，因为这个转动的仪器有快有慢，所以在望远镜里面看到的星点，也不是那么准确的。所以就要人在那里盯着，这叫导星。望远镜你看有长的大筒子还有个小筒子，这个小筒子就是导星镜。用这个先把星盯住，在我的十字丝上面，然后我再来调整。我用微动螺旋，我一看这个中间那个星点离开十字丝了，我就把它往前往后调整一下，让它永远保持在这个中心。经过几小时的曝光以后，在底片上的星就是圆的，这就是很准确的。即使不是一个星，是另外的各种气体星云，各种特殊的情况，照下来也是准确的形状。你知道这个工作很艰苦，我们在天文台首先要把天窗打开，把望远镜对着天上的星。找到星以后，就把底片放上曝光，这个时候你就要一心一意在导星镜里面看着十字丝中间那颗星。就盯在那里，不许它快也不许它慢，老盯在那里。所以你的眼睛就老盯着，照两小时就盯两小时，照三小时盯三小时，这没含糊的。稍微有点不管它，也许它就把星照成椭圆的了。天文台里面有条规矩，夏天不许开冷气，冬天不许生暖气，因为这样就把空气波动了。一波动星光就不正确了，所以必须经过冬天不怕冷，夏天不怕热。就得这么观测，因此天文工作者有他的辛劳，但他拍下宇宙的景象我们赞美不绝。但现在多用电脑了，我说这个的意思是说科学的历程不是那样一帆风顺的。

　　这就是我们照的月亮的形状，从望远镜里面看到的月球呢，上面许多环形山。这是太阳，那么太阳我们把它投影在一个屏幕上来看是最安全的。这个看到的太阳就可以看到有两点：一点，它的边界是模糊的，不是那么整整齐齐那么个边界，这叫临边昏暗现象。就是因为太阳是大气组成的，那么到了它边上，大气就比较厚，你看上去就模模糊糊。最让我们惊异的是黑点子的现象，就是太阳黑子。你看到太阳黑子，这个太阳黑子呢，是太阳上的大气的漩涡。它的温度比较低，所以看起来比较黑。太阳表面的温度大约有五六千度，那个黑子的温度就要降下一千多度，所以它就比较黑。这个就是大气的漩涡，好像地球上的大风暴一样。地球在哪里？右下角这个小圆点就是地球，你看这里面能装得下多少地球！所以我们一谈天文学，就感觉到恢弘和浩大。

　　我想插一段小故事，在整整五十一年以前，1953年2月23号，毛泽东主席到紫金山天文台去视察参观，我非常荣幸地就陪同他来看天上的星星。我就问他，毛主席你想看什么？他说我就想看太阳黑子。我说好，咱们就看。结果就拿大望远镜对着太阳看，怎么也找不到。我心里真着急，毛主席好不容易来一趟，想看太阳黑子，我这服务太差了。这种质量太低，还能配在这里搞天文工作？后来我冷静一想，到底太阳在哪儿呢？一看天上都是阴云密布，什么也看不见，我到哪儿找呢？我就告诉毛主席，我说这个太阳黑子今天看不着。因为天上的云太多了，是阴天看不到。一般人说看不到咱们就看别的吧。毛主席不是这样说，他非常幽默，他当时用湖南话是这样说的：“今天我来看太阳黑子，老天和我作对”。这是他亲口说的话，我没有录音，但是我自己记得很清楚。后来我就和他去看别的照片去了，因为天阴了什么也看不着。我就插这么一段，毛主席看太阳黑子的故事。

　　那么太阳上面的黑子，如果用高倍率的望远镜拍下来是什么样子呢？就这样的，你看这个好像好几个黑洞，这黑洞都能把地球装进去，装好几个地球都不含糊。我们这么伟大的地球，结果到了宇宙间又这么渺小。边上还有好多像是老玉米，又是“米”，这叫米粒组织。太阳上的米粒组织是组成太阳的一些基本单位，这每个米粒组织的直径都是几千公里呢！所以太阳是一个炙热的气体星球，它的组织很复杂。如果用X光透视一下太阳是什么样子呢？我们透视一下，这就是用X光线拍摄的太阳画面，它是一个核燃料的机构，所以它是靠了核燃料在保持它的能量。太阳据估计，已经有五十万万年以上的历史了，它可能还有五十万万年的生命，就是到最后它的燃料都用完了。这里面你可以看得出来它里面翻滚的情况，这种巨大的活动，从X射线拍下的照片就是这个状态。这是我们最近特别感兴趣的火星，这是拍下的火星照片，不过是很多照片合成的一张照片。那么在它的南极北极有冰雪的盖子，这个冰雪盖子据说是干冰组成的，二氧化碳干冰。但最新的消息说在火星上面曾经有过水，不过这个水现在到哪儿去了呢？是蒸发掉了？还是钻到地下了等等？还搞不清楚。尽管这样，美国的科学家已经迫不及待地在华盛顿发布消息，说在火星上找到水了。如果找到水的话，人到火星去就要方便得多。

　　这是很漂亮的土星，很好看的土星。这土星它最特殊的就是有个光环，这光环从伽利略有了望远镜以后，人们就慢慢地发现，那时候望远镜分辨率不高，就看到在土星两边长了两个耳朵。后来又仔细看，过了些时候，才搞清楚是一个光环。那么这个光环经过飞到土星去的比较近的航天器，近距离的照片照下来的，就是这样的，像唱片一样旋转。不过它演奏的不是贝多芬的音乐，它是许多微小的石块密集在一起，所以就成了这个样子。我今天讲这个望远镜里的宇宙呢，不只是在地球上用望远镜，在宇宙空间也用望远镜，所以说这个望远镜是广义的，地球上的、空间的、或者飞到火星去的都在里头。

　　这是彗星，我们在左面看到这几张彗星图，是在国家天文台兴隆观测站拍到的海尔-波普彗星，1997年拍到的。这就是海尔-波普彗星，右边的这个是什么呢？右面这个是我们中国的天文爱好者自己发现的一颗彗星，这个彗星的下面还有一个小白点，那白点是个河外星系。那个河外星系呢，是一个银河系外面的“银河系”。它离我们大约是两百多万光年，光年当然距离很大了，一光年是光线走一年的距离，光一秒钟走三十万公里，可以绕地球七圈半，算下来一年就要走9.5万亿公里。就这么快的光，从那里走到我们这里要二百多万年，那么正好这个彗星走在这个仙女座星系的旁边照张相。这表示是太阳系的天体，那是遥远的“银河系”的天体，这一远一近一比较，当然太阳系的天体对我们说来也挺远，但对其银河系外面的“银河系”那就显得近了。这就是一个近的、一个远的在一起合影，也挺好看。这就是我们看到的彗星照片。

　　刚才讲的都是太阳系的一些星球，这是离我们很近的。尽管太阳系的星球对我们说来，我们要坐飞船也得飞很长时间，但毕竟是很近的。那么我们现在就向遥远的星空看去，这张照片是天上的银河。如果在夏天的晚上，你就可以看到银河在天上，当然我们空气如果不太好，我们就要到更远的郊区去看星，现在有不少人在郊区去观星。这里有两颗星值得介绍，左上方的星是织女星，中间下面的这颗星是牛郎星，就是牵牛星。牛郎织女隔着银河相望，这就是中国古代流传的一个故事。在中国古代的传说里面，据说到了农历的七月初七的晚上，银河就消失了。好多鸟雀含着羽毛就搭起天桥，就让牛郎织女会面。其实这都是传说，但那天银河倒是真看不清楚了。因为七月初七月亮是上弦月，是半个月亮，正好在银河附近出现，当然它的光辉就遮住了银河。至于说他们俩到底能不能见面呢？织女星离我们二十七光年，牛郎星离我们十六光年，他们之间的距离也有十六光年，打个电话来回都要三十二年，怎么见面？这就是把这天上的星照下来，让你慢慢评说，就这样的。

　　天上的很多星星，都不是单个的。人家说你是双星，双星什么意思？就是两颗星在一起，但这个双星的意思现在就多了。现在拿双星来比喻各方面的事都多了，很多星星都是两颗星在一起。所以这就是从望远镜里观测以后描绘下来的两颗星，有的是三颗星在一起。那么这些星呢，从眼睛看是绝对看不出来的，只有一颗星星还稍微看得见，就是北斗七星里有一个柄上有颗星，你要好的眼睛，在最晴朗的晚上你能看到旁边还有颗小星。一般你看不出来，要拿望远镜还是好分辨率的望远镜，才把它分得开。然后你才能看得清楚，所以天上的星，很多都是双星，都是成双成对的，和地上也差不多，都是这样的。所以天上的双星特别多，这也是很近乎人情的。这是双星，所以天上的星有单个的、有两个的、有三个的，这都很好看。这个星就多了，这是在金牛星座里面叫昴星团，也叫七姐妹星团。就是肉眼说是可以看到七个，大概是多少年以前看到的，现在看不到了，肉眼只能看到六个。那么这个星离我们是四百多光年，光线要走四百多年。那么这个星你看发蓝的颜色，为什么有点云雾呢？不是天上的云把它遮住了，是它自己那里就有云雾。你照相照得时间长了，那个云雾就显现出来了。所以说摄影的曝光时间和这个大有关系，好几小时的曝光就能把这个星云围绕在恒星旁边给照出来。你还看到这个上面好像有十字架的样子，这个星怎么还有十字架呢？这就是望远镜镜筒的十字架反射到那个照片上的，看起来好像挺灿烂辉煌的，实际上这是偶合。倒是挺漂亮，比那个圆点还好看。它就是离我们有四百多光年的叫做疏散星团，疏散星团就是离我们比较近的几十颗星。比方这个昴星团，叫七姐妹星团，古人看到有七颗，望远镜看起来就有几十颗，一百多颗都有。你就拿个小望远镜看，现在它已经慢慢往西面沉了，就是说你要看到那团小星呢，就离猎户座不远的那个小星。你一看，就能看到好多星，就是小望远镜都能看到，很好看的。

　　这个星就更多了，这种星叫球状星团。球状星团像个球的形状，好像大菊花开花了那个样子。这里面也有几十万颗恒星，就是说，像太阳这样的有几十万颗。你说这几十万颗都堆在一起不闹成一锅粥了，不是这样的，你就是从这个方向看过去，好像它都重合碰在一起了。它互相之间距离还远得很！都是多少光年多少光年的，不过因为它星多了，像这个在武仙座，叫M13球状星团，是特别有名的，这星团离我们就是几万光年了。刚才看的那个疏散星团，就是零零碎碎不成一个形状的那种星团，是几百光年，这就是几万光年。几万光年它就分布在银河系里面，在银河系里面像这样球状星团还是不少的。这就是几十万颗恒星在一个重力作用下，它抱成团了。但是它彼此的距离还是很远的，它不是都堆在一起，那可不得了，这是在夏天的晚上能看清的，叫人马星座，人马星座里面有两个气体星云都很好看，这个必须用望远镜拍照长的时间才能拍出来，你看左边这个是叫泻湖星云，像个湖水一样，右边这个叫三叶星云，好像三片叶子组成的，那么这些星云离我们多远呢？都是几千光年，光要走几千年，是气体的星云，那么只有用望远镜来拍照才能照出这么漂亮的天体。你知道人的眼睛对颜色的分辨也很好，我一看你穿的是咖啡色的，他是红颜色的，那是黑颜色的，这还不错。但是你要到商店里挑衣料的话，我劝你还是白天去挑，晚上眼睛的错觉你买下的料子第二天一看，颜色不对了，就是因为你眼睛分辨不清楚，如果你在月亮下看花呢，我估计不像在太阳底下看得那么漂亮，就是因为月光底下分辨不清楚花的颜色。对天上的星星也是一样，用肉眼去看天上的天体，不管拿望远镜多么放大，你也看不了这么好看，因为你的分辨率不够，你不能够把遥远的星光分辨出各种颜色，这种颜色必须用彩色底片，或是另外一个特殊的方法，比方三种颜色的曝光，然后合成在一起，就做出这样好看的颜色。

　　这是另外一种望远镜，叫做射电望远镜。我们刚才讲过的，是光学望远镜，不管是折射的还是反射的，都是光学望远镜，那么这个是射电望远镜，射电望远镜就是说把天空中天体发射出来的无线电波射电波集中起来，再把它放大形成了图形我们再来研究它的强弱，它的情况，所以射电天文学也不过就是半个多世纪以来，二十世纪三十年代开始有，那么现在是大发展了。这就是许多射电望远镜在一起，干嘛把这些多射电望远镜放在一起呢？射电望远镜它要多的话，就形成一个天线阵，这个天线阵就好比一个望远镜分辨率是二十米，十个望远镜是二百米，一百个就两千米，你要放得空一点，那就是说你接受的能力更强，分辨率更强了，这就是射电望远镜。现在我们就是用光学望远镜，射电望远镜，还有其他的方法来探测宇宙。

　　这个更漂亮了，看到这美不胜收，你要是把这幅画挂在你家里的墙上，你说这是宇宙间来的美景，这是什么，这是猎户星座，猎户星座的大星云，猎户星座现在晚上都能看到，在冬季和春季的晚上我们就可以在晚上九点、十点就能看到有三颗星，三星。就在三星的下方有那么一小点，那就要很晴朗的晚上，那点就是这个大星云，你只能看到一个模糊的光斑，但是用望远镜给它拍照片，就能拍得这么好。你看照片上一个点就是一个点，不是一个弧线，也不是一个椭圆，这是多少小时的拍照才能照得出来，你说它美不美？宇宙间就是这么美！这多远呢？一千五百光年，就是这个猎户座的大星云。这是人的眼睛能够看到的最漂亮的一个银河系里面的气体星云，它主要是气体组成的，它里面的恒星激发光线，把这个气体激发了以后，就形成这种放出红颜色的光，放出蓝颜色的光，很美的，因为它是各种化学元素组成的，有的是氢有的是氦，有的是氧，有的是氮，就好像霓虹灯一样，发出不同颜色的光，这是宇宙间的霓虹灯，这叫马头星云，你看有个马的头的形状就在那中间，这些星就是猎户座里面的恒星，你看这个照相照得多好，星是圆圆的，一点没改变形状，这就把望远镜要对得非常准，给它矫正准确，不会走样，照下来。哎呀！在这个遥远的星球世界还有马头在那里发现，这是什么事情呢？这就是在一个非常明亮的背景上，就是有那么多庞大的气体的云雾被恒星照亮了的那些气体，这些气体多大呢？不是我们看到说太平洋上的台风有多大，大西洋上的台风，这个比太阳系大得多，就那么明亮的背景上面，出现了一个马的头，我们只好叫它马头星云，多有意思，但是这个马头呢，可不是发光的东西，它是一个宇宙间的尘埃，这个尘埃是不发光的，在明亮的背景前面呢，它就显出它的形状来了，我们知道宇宙间像这样光彩夺目的这些形象多得是，但是宇宙间并不都是这些东西，我们眼睛能够看到的可见光也好，X光也好，还有射电波等等，那还是小部分，宇宙间大部分的东西是不发光的，叫暗物质。暗物质正是现在研究宇宙的一个前沿阵地，研究这个暗物质。

　　这个叫蟹状星云，螃蟹的“蟹”。蟹状星云就是说当时看到它的样子，好像螃蟹的样子。这个远了，七千多光年，离我们七千多光年。这是什么呢？这是宇宙间的超新星爆发以后，残余物质留下来的，现在我们不是说联合国给全世界优美的地方都定了世界文化遗产，这是宇宙间的遗产。什么遗产？就是多少万年以前爆发的超新星或者几千年以前发现的超新星爆发以后形成这种星云。这个是1054年中国宋代史上记载的一颗超新星，后来就变成这个，所以这个在天文学上的编号叫M1，那么名字叫蟹状星云，还有一个名字叫中国超新星，就因为是中国最早发现的。正因为如此，所以天文学家就发现中国历史上记载的东西还真不错，根据这个我们就研究1054年以来发现的超新星，现在变成这个样子了。那么它在这些年里面是怎么演化发展的？有年代可考，你就研究它的速度、它的质量、它的比重、它的物理性质、光学的现象，就可以研究出好多事情来，1054年蟹状星云是在现在世界天文学研究领域很重要的一个对象。

　　这个又很漂亮，哎呀，这好像是红绸舞一样地甩起来了，你看，这么多星啊！这是在天鹅星座，银河里面有这么一张照片，这就是1959年第一次拍下的彩色照片，在银河系里面。这也是一颗超新星爆发以后，它剩余下的东西，飘洒在宇宙间，就成了这个样子，据说是在一亿五千万年以前，爆发的超新星，到现在就洒成这宇宙间非常漂亮的丝带，就洒在空中了，那颗星哪儿去了？到现在没找着，据研究可能是一亿五千万年以前爆发了。这是在银河系里面在天鹅星座附近这叫做网状星云，它像个网一样的，那么后面的这些星很多，有的近有的远，它是在一个方向重叠在一张照片上，就看成这样子了。这张也是特别神奇美妙的一张，在银河系里面就是这样的，所以你要拿上望远镜去到处拍照，那风光多得是，很多的，这个更有意思了，这个叫猫眼星云，像猫的眼睛。这是哈勃望远镜在宇宙空间拍的照片传回地球上来的，这个猫眼星云，这个离我们是三千六百光年，也是一个恒星。在它到了它的晚期，它行将衰亡的时候，把它的热量气体往外膨胀发出来，那么据说这可能是附近有两颗星，一颗星是这个圈，另外一颗星是那个圈，两个圈绕来绕去的，中间还有个蓝色的眼睛，就是蓝色的恒星，你看得很清楚，这个也是在哈勃望远镜拍摄的最漂亮的星云之一。这个照片，就是遥远的宇宙，我们看到的这是河外星系，这里面也是成千上亿的恒星组成的，你看它有它的运转，它的运转，转这么一圈，和我们的银河系如果相仿的话，也有两亿年，什么意思呢？就是说河外星系在那里运动着，你看它是在运动吧，它不运动怎么转出这么多漩涡来，对吧，它这个运动从宏观来说，它不是说一两小时就转这么一圈，地球是24小时转一圈，太阳是二十几天转一圈，二十五六天转一圈，银河系就不是这样了，银河系要两亿多年才能转一圈，这一张照片特别重要，这是哈勃望远镜在北斗七星附近拍的一张照片，这张照片拍了好几天，不是几小时，拍了好几天才拍下来，这里面有多少个银河系，多少个河外星系，银河系以外的银河系就叫河外星系，那么成千上万的银河系就集中在这么一张照片，里面每一个光点几乎就是一个银河系，这张照片呢，是一百多万万光年以外的宇宙的缩影，你要知道，一百多万万光年，这是真了不起，这个宇宙尺度呢，真是让我们惊讶，如果我们能拍到一百三十几亿光年以外的星球，就表示我们看到了宇宙大爆炸开始时候的景象，就是宇宙的开始，从这里我们就可以回想到一点，我们人类是很渺小的，地球也是很渺小的，但是我们能了解到这么遥远的宇宙，你说我们伟不伟大，那么这个遥远的宇宙你就派上宇宙飞船飞呀飞呀飞呀，飞到几万代也不见得飞到这个地方去，但是有一个比光速还要快的你知道是什么吗？就我们的思想最快，我一下就跳到一百三十亿光年以外去了，你信不信，我们的思想特伟大，我们一下就能跳到一百三十亿光年以外，马上还能收回来，来回我就两秒钟，多棒！我们人类的伟大就在这里。你不要小看人类，你的脑子比电脑不知道强多少万倍。

　　这张划时代照片的就是说，能把一百多万万光年以外的星球星系统统缩影在这个篇幅里头，让你一览无疑，何等地壮烈，何等地畅快，我们真是幸运儿，能够看到这么遥远的宇宙，我相信你以前还没看过这么精彩的事情，即使看到你也没理解到是这么深刻的印象，对吧，我愿你以后能看到更多的东西，人类对宇宙的探索是没有止境的，这宇宙呢，的确是充满了形形色色壮烈无比的形象，这些形象都激发我们向科学进军，去钻研科学，让我们国家的科学水平迅速提高，让我们在宇宙的长征道路上有我们五星红旗。那么我讲到这里呢，我就自己编了一首小歌，叫《赞美宇宙》，我想借用意大利名曲《桑塔露西亚》的美丽旋律表达我对宇宙的向往：“看宇宙多辽阔，灿烂辉煌。太阳和月亮，更有无数的星光。科学探索太空，人类飞向天方。宇宙多么壮丽，真叫我向往！

三)
《宇宙将走向哪里》 李 竞
央视国际 2004年04月27日 14:29




　　主讲人简介：

　　李 竞，中科院国家天文台研究员，曾任中国天文学会理事；是北京大学、北京师范大学、中科院研究生院的兼任教授。主要从事恒星物理、银河系天文和天文史的研究。

　　内容简介：

　　2003年12月下旬，美国的著名期刊science，把“我们的宇宙中有暗能量”这一发现放在当年的十大科学进展的首位。什么是暗能量呢？现在还搞不清，只知道它是一个斥力性质的物理量。我们都知道一个科学常识，有正的、有负的、有阴的、有阳的、有正电就有负电，偶极磁场是有南极和北极，负电子带的负电，正子带的正电，可惟独在宇宙中只有引力没有斥力。为什么？或者说不为什么，宇宙就是这样子。

　　由于有了暗能量的存在，它是和引力正相反的一个作用力，而我们的宇宙在20世纪已经确认了它是在膨胀中。膨胀的来源，是来源于一个偶然的事件，也许是必然的事件，就是一次大爆炸。这个大爆炸的力量是斥力量，与引力正相反的，而现在发现了在加速，就是不仅有大爆炸往外的膨胀力量，还有一个力量使它加速，加速的结果，就意味着我们这宇宙的命运就是越来越膨胀，收不住。

　　那么我们宇宙向何处去呢？我们都知道，在20世纪末，一切关于宇宙的书籍都会提到，我们的宇宙今后可能有三种命运：一种命运，就是引力最终占上风。最后引力克服四向膨胀的力量，宇宙不再膨胀。然后我们的宇宙就开始大收缩。第二种可能就是一直膨胀下去，按照哈勃的线性关系，无穷无尽地一直膨胀下去。第三种它可能膨胀之后又收缩，收缩之后又膨胀，变成反复的脉动。可是我今天要告诉大家，我们的命运只有一种，加速膨胀。大概在1000亿年，我们的宇宙已经虚无缥缈，四大皆空，因为所有的能量都用完了，发光天体再也不会发光了，物质还存在着。这就是今天我们要谈得，我们的膨胀宇宙在加速膨胀，谢谢大家。

　　（全文）

　　2003年12月下旬，美国的著名期刊《科学》science，根据它的惯例要评出当年的十大科学进展，而这十大科学进展，它还有一定的顺序，就是把认为最重要的搁在第一位，这个第一位，就是2003年的十大科学进展的第一位是什么呢？就是确认我们的宇宙中有暗能量。暗能量现在这么称呼了，这个是不是国家规范的名词呢，我不敢说，它就是dark energy。什么是dark energy呢？现在还搞不清，只知道它是一个斥力性质的物理量。到了2004年1月份，我国公布了中国科学院和中国工程院两院院士评出来的十大科学进展，也有这一项，就是暗能量的发现。那么我今天就要讲讲暗能量是怎么回事。

　　我们都知道，不管你学过矛盾论没学过，都知道一个科学常识，有正的、有负的、有阴的、有阳的、有正电就有负电，偶极磁场是有南极和北极，负电子带的负电，正子带的正电，可惟独在宇宙中只有引力没有斥力，只有万有引力，你们学过物理的，听说过万有斥力吗？为什么？或者说不为什么，宇宙就是这样子。是不是没有和引力相反的作用力呢。一直到20世纪末都没有发现，也没有通过天体观察来显现出来有和引力相反的作用力。因此在2003年确认了宇宙中充斥着与引力相反的斥力性质，在近处看不见，也摸不着的这样的一个物理量的存在就变成了重大的事情。它怎么重大呢？由于有了它的存在，它是和引力正相反的一个作用力，而我们的宇宙在20世纪已经确认了它是在膨胀中。膨胀的来源，我们今天要讲，是来源于一个偶然的事件，也许是必然的事件，就是一次大爆炸。这个大爆炸的力量是斥力量，与引力正相反的。而现在发现了在加速，就是不仅有大爆炸往外的膨胀力量，还有一个力量使它加速，加速的结果，就意味着我们这宇宙的命运就是越来越膨胀，收不住。看来现在的结论，就是我们现在的年龄是137亿年。根据现有的观测资料，大概再过300亿年，还保持着加速，是不是再往后，又如何呢？还得进一步地去观察，进一步地研究。这些已经有计划了，已经排在日程上了，也很可能要继续膨胀下去，加速膨胀下去。大概在1000亿年，到那个时候，我们的宇宙已经虚无缥缈，四大皆空，因为所有的能量都用完了，发光天体再也不会发光了，物质还存在着，但是辐射能已经没有了。这个描述得好像太可怕了，不过这还早着呢。所以这点完全不必太操心。

　　在讲今天的话题之前，我愿意告诉大家，在20世纪有人做过一些公开的，在科技界圈子内做过一些民意测验，这民意测验是什么呢？问对天文感兴趣的一些科学家，叫你评一评，你认为20世纪天文中最重大的进展是什么，只许选一项，不要一，二，三。还有你认为，20世纪最重要的天文学家是谁？只选一人，百分之百的票，投中了最伟大的天文学家是哈勃，没有选其他人的。最重大的天文学成就一项，就是我们的宇宙是动态的宇宙，是演化的宇宙。为什么这样子？我们看一看，在此之前我们怎么认识的。直到20世纪初，运用牛顿力学考察大尺度空间，得到的结论都是，我们的宇宙无论是时间还是空间都是永恒的，无穷无尽的，无始无终的，没有起源，没有开端，也没有终了。而这个是科学结论，是你根据天文的实测，你对周围的事物研究所得到的参数，然后用牛顿力学分析得到的结论。这个结论不仅是广大的公众普遍接受，科学界也普遍接受。恩格斯就把它写进了自然辩证法。因此认为我们的宇宙是无始无终，无穷无尽的，几乎是天经地义。

　　有一个天文学家叫斯里弗，他就用手边的一个不错的望远镜，还有一个威力相当强大的光谱仪，他来考察那些不是星的星云状的天体，拍照出它的光谱，希望测量出来它的空间运动。他经过了近十年的努力，成功地取得了46个星云的光谱，这真是不容易的创举。然后他就在实验室分析了光谱谱线的位移，然后把位移的量换算成为运动速度，他得到的结果不仅使他大吃一惊，也使干这行的天文学家都充满了问号，满头是问号。因为他得到的结果可不是大家熟悉的那个二、三十公里/秒，三、四十公里/秒，而得到最少的也是400公里/秒，500公里/秒，600公里/秒，上千公里/秒。一个天体和地球做相对运动，400公里/秒，500公里/秒，上千公里/秒，这根本不可理解。他发表了文章之后，首先很多人认为，干脆你是外行，你测得不对。所以斯里弗最早的一些文章是受到大家的讥笑。别人测出来的恒星运动速度都是几十公里/秒，你一测出来几百公里/秒、上千公里/秒，显然是一个荒唐的事儿。但是随着他发表了更多的后续文章，看来这个趋势是没有例外的，而且是一个什么现象呢？是越暗的星云，它的运动速度越大，这是一个。第二个现象更出乎意料的，就是所有的这些星云的谱线的位移统统是往红端位移，只有两个例外的是往紫端位移的。那么就是说所有这些星云，如果认为反映的是多普勒效应的话，那都是四向远离我们而去，这就是二十世纪头十年斯里弗开场性的观察所发现结果。

　　1929年一个美国天文学家叫哈勃，他就用了大型望远镜来估算斯里弗测量出谱线红移的46个星云的距离，这个很难做，因为距离太远了，都用的是间接方法，这就是哈勃的本事了。他用人家量出来的运动速度，用他自己估算出来的这些星云的距离，用这两个参数，一个是星云的距离，这是重要的距离，一个是这些星云离我们远去的运动速度，它用这两组数据，这两个参数来得到了这样一个关系式，横坐标是哈勃估算出来的距离，他得到了一个离我们越远的星云退行的速度越大的结果，它们呈线性关系，这个就被称之为哈勃定律。刚才看的是哈勃自己做出来的线性关系，自从他1929年确认了这个线性关系之后，哈勃一直到死，主要就做一件事情，继续延长这条线，看一看是否还是线性，如果偏离了线性，那就有两种可能，如果往下弯，表明膨胀的速度减慢，如果是往上弯，表明速度加快。哈勃从1929年跟他的同事继续延长这条线，一直到他去世，这条线还是线性的。他的学生继续延长它，一直到50亿光年这样的范围之内，这条线还是直线，就表明我们宇宙的膨胀是速度均匀的膨胀。

　　1927年比利时的一个天文学家勒梅特，他写一篇博士论文。他也是独立地去用广义相对论考察宇宙。这个人得到了一个不仅是动态的宇宙，而且在现阶段，我们的宇宙在膨胀，非常明确。

　　又过了将近二十年，到了1946年，美国一个天体物理学家叫伽莫夫，他做了一件事情，他提出来的宇宙起源的大爆炸学说非常有创造性。他在研究我们的宇宙为什么会四向膨胀，四向膨胀是观察到的，所有的星系都是四向膨胀。为什么会膨胀？他把两件事情结合起来。一件事情是现在我们观察到的，我们的宇宙在膨胀，所有的星系都在四向膨胀。在天文中还有一个谜没有解，这个谜是什么呢？就是关于元素的丰度，这是怎么回事呢？天文学家都知道，在宇宙中元素的分布普遍性的是什么呢？如果用粒子数来说，90%是氢，10%是氦，其他所有的元素都不足1%。如果用质量来说，75%是氢，25%是氦，其他的所有不足1%。为什么这样子？不知道。如果用恒星演化来说，不行。恒星演化，譬如拿我们太阳来说，我们的太阳就是内部氢聚变成为氦，然后在聚变中，氦又变成了更重的元素。而我们宇宙的年龄是有限的，在已知的这个年龄中产出不了那么多的氦，所以宇宙中的氦还有另外的起源，就是应该说宇宙一诞生，就有粒子数的10%是氦，或者质量上25%是氦，为什么会这样？不知道。所以伽莫夫是把这两件事情搁在一起，来解这个课题。他认为要想出现原始的丰度，按照粒子数来说90%是氢，10%是氦，那么最开始是应该在非常高的密度，非常大的质量，空间占得非常小，温度非常之高作为一个起点，在那个起点突然间一爆炸，这个爆炸的力量就是我们看到的星系四向膨胀。而在那一瞬间，宇宙中诞生的就是90%是氢，10%是氦，他做了这么一个理论计算。

　　这个学说发表之后，引起了一片哗然。其中有一个大天文学家，这个大天文学家在2001年才去世，是英国的一个大天文学家叫霍伊尔。霍伊尔坚决反对大爆炸学说。他在这边听到了大洋彼岸有一个所谓的αβγ学说之后，他就说了，我们的宇宙难道说就是这样“乒、乓”就炸出来的。他说这不简直是“Big Bang”吗，他完全是讽刺的，贬义的。什么αβγ学说？说“Big Bang”是胡说八道，结果在BBC广播电台中，一通冷嘲热讽之后，那边的伽莫夫听见了，伽莫夫说“Big Bang”不错嘛，名字不错嘛，就叫它吧。结果一个贬义的，讽刺的，一个讥笑的、谩骂语言，最后变成了这个学说正式的名字，一直沿用到今天。

　　这个αβγ学说发表之后，又过了一年多将近两年，这时候伽莫夫又干别的事去了。他的学生和助手阿尔法还想继续干下去，就又找了一个当时找不着课题的博士后，这个人叫赫尔曼，这俩年轻小伙子现在可能都健在，他们两个人继续干，就把伽莫夫的学说，就是αβγ学说继续往下延伸，他们延伸之后就得到了一个重要结论，这个重要结论是一个预言。他说当年的一个极高的温度，极大的密度，非常大的压力作为起点，这个高温、高压的火球，在大爆炸之后，到今天余烬还有一定的热度。根据他们算出来的是5K。后来随着科学的进展，把运算中的参数改一改，更近代化一些。比如说电子的质量，参数改成更新的，更确切的数据之后，这个5K就变成了3K。他们两个人说，这个当年的那一锅热汤到了今天充斥在宇宙中，还剩下3K的余温。这3K的余温应该是各向同性，在哪儿都充斥着3K的余温，再往后还将变成了2K，1K，最后寂静下来。但是今天是3K，就是-270℃。这就是1948年伽莫夫的两个学生在继续他老师的工作得到的一个重要的预言，这个预言在当时是无法验证的。

　　大家都知道，天文学家可以做出许许多多美妙的预言，美妙的理论。但是要想把这些美妙的学说变成了科学结论必须得到天文验证。那么对于阿尔法和赫尔曼的预言，天文学家并不兴高采烈，因为3K，当时的技术是无法测量的。但是到了1965年，两个贝尔实验室的无线电工程师，彭齐亚斯和威尔逊，他们做了一个非常精密的辐射探测器，他们做一个什么题目呢？做一个就是当时在20世纪60年代的时候，美国已经发射了一些空间探测器，就是如何使这些探测器飞到很远的地方，还能跟地面取得很好的通讯联系。他们两个人在研究，如何使这个仪器接收遥远的微弱信号，还能把数据记录下来。他们两个就做这个题目。结果他们探测来，探测去，就总有一个噪音无法消除。他们排除了一切周围的干扰，一切可能有的噪音。他们确信，他们的仪器中没有混进他们已知的任何人为的环境造成的噪音。他们认为，他们探测到的，消除不了的噪音是客观存在的，而且这个消除不了的微波噪音，在微波波段十几厘处，它肯定是宇宙中固有的。他们得到的这个噪音要换算成为热温度，是黑体辐射3K。在1965年他们终于把十多年前，将近二十年前阿尔法和赫尔曼预言的3K背景辐射找到了。这两个人，彭齐亚斯和威尔逊得了诺贝尔奖。这幅图就是艺术家在描述伽莫夫预言最开始的一瞬间，大爆炸极高的温度，极大的压力，到现在今日形成这样的哈勃称之为星云。现在把他它已经称为星系的天体，四向膨胀。

　　那么现在要问了，我们宇宙向何处去。我们都知道，就是在20世纪末，一切关于谈宇宙的书籍都会提到，说我们的宇宙今后可能有三种命运：一种命运，引力最终占上风。由于物质足够得多，最后引力克服四向膨胀的力量，宇宙不再膨胀。宇宙不再膨胀之后，当引力占上风，占一点点上风的时候，就开始收缩，我们的宇宙就开始大收缩，这是第一种。第二种可能就是一直膨胀下去，按照哈勃的线性关系，无穷无尽地一直膨胀下去。第三种它可能膨胀之后又收缩，收缩之后又膨胀，变成反复的脉动。你们去看，凡是2000年前出的一切天文书都预言我们宇宙的命运可能有这三种类型。可是今天我们已经知道了，已经比较明确地知道了，我们的命运只有一种，加速膨胀。

　　要想叫它终止膨胀，就是我们宇宙总物质的平均密度必须得达到这样一个量级，才能最终战胜膨胀的力量，终止膨胀。可是现在看见的是这个值，要想终止膨胀是10－31克/立方厘米，可是现在测定的平均密度值是10－33克/立方厘米，差了两个量级，膨胀收不住。但是这个值对不对呢？这个值是怎么测出来的呢？是这样测定的。一直到了20世纪60～70年代，天文学家还普遍地认为，宇宙中的物质主要的表现形式是恒星，就是宇宙的物质主要都存在恒星上。因此你把宇宙中所有的恒星加在一起，这就是宇宙的总质量。但是后来知道，在宇宙中还有看不见的，但是从引力上能表现出来它们存在的，然后就把这类看不见的物质冠上一个普通名词，因为没有办法，用了普通名词来描述它，叫做暗物质。大家注意，我可没说反物质，我说的是暗物质。暗物质就是dark matter 的直译，dark matter是包括了行星，包括了黑洞，凡是你看不见的，探测不出来的，但是它存在着的，还有那些遥远的小星系，因为你也看不见。所以暗物质是在上个世纪七、八十年代之后一个热门的探测对象，找暗物质。但是暗物质找来找去，暗物质的量也不足以达到这个10－31克/立方厘米，就是在这儿再加上一些暗物质，也达不到这个量。

　　那么我们的宇宙是不是就一直膨胀下去呢？大家认为，可能还有你不知道的暗物质。就在这个时候，天文学家在这里关心另外一件事情，就是根据引力作用来估量出来的发光天体，和其他有关的天体，包括星云等等都在内的，只占15%，而其他的暗物质应该占85%，但是现在已知的暗物质就凑不足这个数，凑不出85%来，天文学家就很彷徨，很彷徨的时候，天文学家在解决另外一个问题。这个问题是什么呢？就是希望能回答，我们的宇宙大爆炸事件之后，在宇宙中的物质分布是极端地均匀，一锅热汤，这一锅热汤怎么会就变成今日观察到的物质分布得极端不均匀，怎么回事。

　　在20世纪80年代，曾有天文学家提出了一个假说。假如在大爆炸那个事件开始之后，在一个极短瞬间，突然间有一个加速膨胀的阶段，这个加速膨胀的阶段非常短暂，短于一秒钟，它甚至于可以超光速，因为它不是天体，是一个群速度。如果有那么一个阶段，这个阶段被称之为“暴胀”阶段，这“暴胀”就是通货膨胀那个字，“inflation”。如果有那么一个阶段，那就是变成了一个微弱的扰动，有那么个微弱的扰动，就会形成今日的物质极端不均匀，这就解释了今天的星系怎么会形成。但是这是一个假说，这个“暴胀”阶段是不是有呢？如果有“暴胀”阶段，今日观察到的3K背景辐射就应该有一定程度上的各向异性。而在20多年前，观察到的背景辐射都是各向同性，非常均匀的3K。那么在20世纪80年代末，天文学家曾创造了一种特别灵敏的仪器，这个特别灵敏仪器搁在卫星上，上天之后很快就下来数据了，果然量出来的，有千分之一的各向异性。这证明什么呢？那个“暴胀”阶段是存在着的。因为只要是有“暴胀”阶段，就会出现各向异性。各向异性果然探测出来了。这是个伟大的成就，这件成就也写入了《科学》杂志当年的十大进展之一。

　　又过了一些年，大家还希望能够进一步了解宇宙命运问题。在这里有几组天文学家做着完全不同类型的探索。咱们先说第一种。哈勃空间望远镜升天了，1990年发射的。升天之后，他们就申请了一个项目，来探测50亿光年之外的暗天体，50亿光年之外探测什么暗天体，去找50亿光年以及更遥远的超新星。超新星一爆炸，它的光度可以跟一个星系的总光度相比美。他们申请到了观测时间，就叫哈勃空间望远镜去搜索某些指定天区。去给它录像，当然是用数码相机了。然后把这个天区的图像存在计算机中，过两天，再拍它，再拍这个天区。第二次得到的图像又传回地球，和计算机储存的前一天的那个图像对比。结果发现观测到的所有80亿光年以外的超新星的实际距离都比用哈勃定律算出来的更远。1998年的这项发现震惊了世界，得到了当年《科学》杂志十大科学进展之一。通过遥远宇宙的超新星观察，发现我们的宇宙膨胀在加速。这就是上世纪末的一个重大发现。这个工作还继续做，不仅继续做，而且还希望观测100亿光年之外的超新星。现在正设计，正在研制，正在筹款做更大的望远镜，专门到大气之外去，当然比哈勃望远镜还要大的望远镜，到天上去，去搜寻更遥远的超新星，进一步探索宇宙膨胀加速之谜。

　　这样到了上个世纪末，天文学家已经知道了，原来我们的宇宙膨胀在加速。这是不是局部的情况呢？还是整体都如此呢？为此，应该进行类似于90年代那个COBE探测器，就是背景辐射的起伏是不是各向同性的工作。在1998年一个科学家小组，用一个毫米波探测器，把这个探测器搁在气球上，在南极地区叫它升空。为什么搁在南极地区上空呢？因为它升空以后，在南极地区跟北极地区都有这样的情况，就是有长夜，日不出，北极是白昼的时候，南极是长夜，连续半年都没有太阳，就没有了一个辐射干扰源。探测的结果再一次肯定“暴胀”确实存在。这是上世纪末，2000年的《科学》杂志的十大进展之一。

　　2001年另外一个科学家小组在做微波背景辐射，就跟COBE类似，但灵敏度高得多。到了2003年初，公布了探测结果。这个结果是什么呢？根据它的起伏情况，可以肯定，它的起伏情况表明我们宇宙的几何特征是一个平直的。最后的结论就是我们的宇宙一直膨胀下去，而且是加速膨胀下去。

　　除了这三项实验工作之外，在同时进行的还有一个，另外一项长期的观测宇宙学的工作。这个工作是用光纤去做遥远星系的三维数据，就取得遥远星系的距离和它们的位置。根据这项研究所得出来的初步结论，就是看到了遥远的早期宇宙的物质分布情况。这个结论就是我们的宇宙从大爆炸到现在是137亿年，也就是说我们的宇宙的年龄是137亿年，其中发光天体包括我们太阳在内占4%，暗物质占23％，暗能量占73%，这就是一幅今天我们宇宙的图像，用这么4个数字来描述，一，年龄是137亿年，我们的宇宙大小就是137亿光年，然后里边的物质4%是可见天体， 23％是看不见的，引力效应表示其存在的暗物质，73%是暗能量，这dark energy是斥力性质的，本源不清楚，有待于今后进一步深入研究。而现在看来，这个dark energy不是一个变量，至少在300亿年的时间内不是一个变量。在更大的时空上还是不是继续为不变量，还不知道。因此在可见的未来，在300亿年期间内会是一直按照现在这样的一直加速膨胀下去。这就是今天我们要谈得，我们的膨胀宇宙在加速膨胀，谢谢大家。

　

(四)
4月29日 《银河系》 杜升云
央视国际 2004年04月27日 14:39




　　主讲人简介：

　　杜升云，北京师范大学天文学教授，发表多篇学术论文。

　　内容简介：

　　那么现代生活里头，我们生活在城市里的人已经很少能够欣赏到银河的美景了，因为城市里头，实际上看到的是灯河而不是星河。现在看星河必须到郊区去、或者到一些山区去，那么就看得非常好了。那么我现在给大家看一张图，这张图就是牛郎织女隔河相望的图，那么这条“河”是什么“河”呢？这条“河”就是银河。只要有牛郎织女这个故事的存在，那么就是有银河的认识。我们可以看到在夏季的星空里头，在天空有一道很亮的光带。那么对于这样一条银河，它究竟本质上是什么东西呢？什么时候才揭开这个谜呢？这是要等到1610年的时候，就是伽利略发明了望远镜，他用他的望远镜第一次指向天空的时候，他就把它指向了银河。我们在看到这条银河的时候，你有没有想过说是我能把它想像成什么？确实不是很容易，你得好好想一想。说怎么就会形成这么一条银河呢？那么英国有一个天文学家叫莱特，他想像这个宇宙是一个球，在球上这个星风是不均匀的。就是在球上的一条带上，恒星比较聚集，而球的中间，就是我们地球。那么这样大家可以想像，从地球看上去，你看到球上面就有一条星带，所以在不同季节你都可以看到这条银河，这样的话他构造出这么一个宇宙来，这是在1750年他发表了这么一篇论文。

　　但是5年以后有一个哲学家叫康德，康德他不同意莱特这个观点。他认为银河系应该是像一个铁饼的形状。那么赫歇耳就要来分析这样说是不是正确的。赫歇耳做的工作是用望远镜来数星星，大家知道在望远镜里头看到的星星太多太多，那么赫歇耳数了多少呢？17万多颗星，真是一个非常辛苦的工作。他做了很多年，怎么做呢？他把天空划分为三百多个区，他在这三百多个区里头，每一个区他来数这个区有多少星。这个区是被四周围围着，就是四个方向都有，各个方向都有。那么这样计算出来以后他就可以构建一个银河系的模型，这个时候经过这么辛勤的工作，那么赫歇耳构造出银河系的模型。也就是到了1785年这样一个时候，真正是从银河，就是从河流这个概念变成了一个系，就是恒星所组成的一个系统。那么这个系统呢，就是我们今天所要给大家讲的，就是银河系其实认识的过程是挺不容易的，我们从想像一个美丽的传说到真正变成一个恒星的系统，中间几乎经过两千多年，我们才走到这一步。

　　(全文)

　　那么现代生活里头，我们生活在城市里的人已经很少能够欣赏到银河的美景了，因为城市里头，实际上看到的是灯河而不是星河。现在看星河必须到郊区去、或者到一些山区去，那么就看得非常好了。那么我现在给大家看一张图，这张图就是牛郎织女隔河相望的图，那么这条“河”是什么“河”呢？这条“河”就是银河。只要有牛郎织女这个故事的存在，那么就是有银河的认识。所以这样的话，我们就要提一个问题，说究竟牛郎织女这个故事在中国它发生在什么时代呢？什么时候我们中国人就已经知道天上有这么一条河，或者明确地表达出来说这是一条银河呢？

　　我想至少可以追溯到西周时代，也就是三千多年以前吧。为什么这么说呢？因为在《诗经》里头有一首诗叫《大东》，它是这么讲的：“跂彼织女，终日七襄。虽则七襄，不成报章。皖彼牵牛，不以服箱。”我用现代汉语把这首诗表达出来是什么意思呢？就是说，在天上的织女每天需要差不多14个小时在天空中运行。就是说我们如果是从织女星开始出来，一直到它落下地平线大概需要14个小时。那么过去我们叫七个时辰。在这么长的时间内，织女在天上运行，但是她没有织成一匹布。这首诗产生的时代是在西周时代，而且说河对岸的那个牛郎给她拿着箱子，但是箱子里头是空的。为什么呢？因为织女没有织出布来。在不同民族的国家里头，对银河都有一些不同的想像，比方说在西方，银河叫milk way，什么意思？就是奶路，就是由奶铺成的路。我们看到银河是一条发白颜色的这么一个光带，那么这个光带呢，被想像成奶流出来的一条路。但是milk way叫银河，这是希腊神话里头，就是它的主神宙斯的妻子赫拉，她的孩子把她的乳房抓破了，所以这个奶就流到天上去了。不同民族有不同的想像，但是中国人的想像最浪漫，最有诗情画意。我们牛郎织女隔着一条河，而且每年在七月初七的时候，牛郎织女要通过鹊桥来相会。

　　但实际上从天文学上来讲的话，他们俩相聚要16光年，实际上讲相聚还是很困难的。那么关于牛郎织女这个星空呢，我们可以看到在夏季的星空里头，在天空有一道很亮的光带。在这个光带里头，这儿有一个织女星，在河的对岸有一个牛郎星。这就是他们隔着河，但是这条河在夏季看得非常明显。那么对于这样一条银河，它究竟本质上是什么东西呢？什么时候才揭开这个谜呢？这是要等到1610年的时候，就是伽利略发明了望远镜，他用他的望远镜第一次指向天空的时候，他就把它指向了银河。这条银河大家已经想像很多年了，那么现在伽利略把望远镜指向它的时候，发现这条“奶路”原来是星河，就是非常密集的恒星所组成的这么一条河。所以第一次揭开银河之谜的呢？应该讲是用望远镜揭开的，是伽利略所做的工作。这个工作距离我们刚才说牛郎织女这个传说已经过了两千年了。但是伽利略发现了这个星河以后，就此停步了。伽利略以后真正关心这个银河系的人应该是赫歇耳，赫歇耳本来是一个音乐家，他是一个合唱团的指挥，同时也还作曲，但是他的业余爱好是天文学。实际上后来的发展变成什么？他主要的工作是天文学，音乐成了他的业余爱好。赫歇耳在1785年左右，他要关注一下，伽利略所看到的这个银河到底是怎么回事情？那么他把它作为一个研究的目标。那么在赫歇耳之前，也还有一些别的人想过，这个银河到底是怎么回事情？我们现在这些人，我们在看到这条银河的时候，你有没有想过说是我能把它想像成什么？确实不是很容易，你得好好想一想。说怎么就会形成这么一条银河呢？那么在此之前英国有一个天文学家叫赖特，他想了一下，他想像这个宇宙是一个球，在球上这个星风是不均匀的。就是在球上的一条带上，恒星比较聚集，而球的中间，就是我们地球。那么这样大家可以想像，从地球看上去，你看到球上面就有一条星带，所以在不同季节你都可以看到这条银河，这样的话他构造出这么一个宇宙来，这是在1750年他发表了这么一篇论文。

　　但是5年以后有一个哲学家叫康德，康德他不同意赖特这个观点。他另外有一个想法，他说如果这个行星组成这么一个系统，就好像咱们现在扔的铁饼形状，大家可以想像，如果我们处在铁饼中心的话，你向着铁饼盘面的方向看，那么这个上面的恒星就应该很密集。如果你向着铁饼饼面的上方和下方看的话，那么星就应该少，这个是可以想出来的。所以康德他不同意银河系是一个圆球状分布的一个带，而是像铁饼形状这么一个带。但是他毕竟是一个哲学家的思考，哲学家思考他是要靠推理的，这个推理非常有道理。那么赫歇耳他就要来分析他们谁说得对，那么赫歇耳的工作，他跟哲学家做的工作不一样。哲学家靠推理，天文学家要靠观测，而且这个观测做得非常笨。什么意思呢？他得在天上数星星，我们知道城市里头灯光这么多，我们看不见几颗星，大家如果数星星的话，我能数得见。如果说你到了一个很黑暗的地方，那个星星你就数不清了。为什么？太多了！那么赫歇耳的工作是用望远镜来数星星，大家知道在望远镜里头看到的星星太多太多，那么赫歇耳数了多少呢？17万多颗星，真是一个非常辛苦的工作。他做了很多年，怎么做呢？他把天空划分为三百多个区，他在这三百多个区里头，每一个区他来数这个区有多少星。这个区是被四周围围着，就是四个方向都有，各个方向都有。那么这样计算出来以后他就可以构建一个银河系的模型，这个时候经过这么辛勤的工作，那么赫歇耳构造出银河系的模型，这个银河系的模型，就是高度跟宽度的比，应该是四比一这么一个比例。也就是说长的方向是四的话，厚度的方向就是一，四比一这么一个银河系。在这个银河系的太阳，是在银河系中心的附近。到了1785年这样一个时候，真正是从银河，就是从河流这个概念变成了一个系，就是恒星所组成的一个系统。那么这个系统就是我们今天所要给大家讲的，就是银河系其实认识的过程是挺不容易的，我们从想像一个美丽的传说到真正变成一个恒星的系统，中间几乎经过两千多年，我们才走到这一步。

　　我们认识银河系其实是比较困难的，为什么呢？我用了一句话借用苏轼的诗，我们“难识银河真面目，只缘身在此河中。”因为我们自己在银河系里头，我们来认识这个银河系是很困难的。我打一个比方，比方说我们自己是一个智能的红细胞，我们在身体里头可以随着血液去循环，我们这个智能的红细胞，我们可以认识自己的器官。但是你要问它，说这个人到底是什么样？它说不出来，因为它在人的身体里头。我们现在认识银河系的困难也在这儿，我们自己在里头，我们不知道它什么形状？那么现在这张图就是我们看到的河外星系，其他的星系。它是一个漩涡状的，那么我们就可以来反推自己的银河系是一个漩涡状的星系。这个旋涡状星系它有多大呢？直径大概是13万光年，太阳距离银河系的中心是两万七千光年。那么银河系呢，它的主要结构就是说有一个核心，叫做银心。那么这个核球以外有一个银盘，也就是刚才我们说的这个盘面的结构，这个银盘有13万光年直径。然后，外围是叫银晕。

　　那么银河系它是有旋臂的，什么叫旋臂？银河系的核心，这个盘的结构不是像铁饼那么一个板块，而是什么呢？就是里头是漩涡的，这种漩涡结构，大家可以想到如果我们自己在银河系里头你要想看到旋臂的话，那是非常困难的，大家现在晚上看到银河，你要想把看到的这个银河想像成一个恒星的系统这已经是比较困难了。如果你还想在这个里头找到旋臂的话，那就更困难了。为什么呢？因为我们的银河系里头还有暗的物质，看不见。它挡住你的光，所以你看不见。你看不见的话，这时候你要想认识后面的星，就很困难。但是难不住天文学家，还是有很多很聪明的天文学家，他们怎么办呢？他们在别的星系里头，就是离开我们银河系，我们看到了别的星系。在别的星系里头也有这样的漩涡星系，那么这个漩涡星系它这个旋臂上是一些什么星呢？是一些蓝颜色的很热的星，而这些星只能在旋臂上出现。这些天文学家就受到启发，我观测这个银河系里头这些温度特别高的星，就是发蓝颜色、发白颜色的星。观测的结果呢，找到了旋臂。这是一个美国天文学家叫摩根，找到这个旋臂已经要到1951年以后了。所以我们认识银河系其实是在20世纪才有比较大的进展，就是我们认识到这个旋臂的存在。

　　在20世纪50年代还有一个进展，我们要值得提一下，就是我们的射电天文学。射电天文学就是用无线电望远镜，来接收来自天体的无线电波。那么接受无线电波，我们就可以来分析这个天体的情况了。而在这个银河系的旋臂上，它发射一种特别的无线电波，这个波长是21厘米。如果说你能够有一个射电望远镜，你能观测21厘米的这么一个波段的观测的话，那么你就能解开银河系旋臂之谜。那么经过了天文学家的观测，证实光学的观测是对的。于是我们认识到了银河系其实跟别的漩涡星系一样有旋臂。在20世纪20年代，还观测了很多漩涡星系。那么这个时候就提出两个问题来，一个问题是什么呢？说这些漩涡星系是在银河系里头，还是在银河系之外？这是一个问题。第二个问题，说我们观测到的这些漩涡星系，它基本上都不在银河附近，是离开银河比较远的地方。那么这是为什么？天文学家沙普利的解释，说这些星云其实都在银河系里头。但是，美国天文学家柯蒂斯他不是这么认为，他认为这些漩涡星系一定是离开银河系比较远的。于是呢，就重点观测了一个星系叫仙女座星云，那么仙女座星云当时柯蒂斯估计它有五十万光年这么远。五十万光年这么远的话，银河系大小是十万光年左右，那么五十万光年肯定在银河系之外了。但是沙普利不同意，所以这一场辩论，在天文学上叫做伟大的辩论。为什么叫伟大的辩论呢？我们来想，我们刚才讲了，太阳现在已经不在银河系的中心了，现在进一步发现是什么意思呢？其实银河系在众多的星系里头，也是一个很普通的漩涡星系。就是我们在银河系之外，还有很多很多的漩涡星系。所以这样一个结果意味着什么呢？就是说不但太阳不在银河系的中心，而且银河系也绝不是宇宙的中心，宇宙中间存在着很多很多类似于我们银河系的这样一个星系。所以这样讲的话，大家就明白了，就是说我们生存在一个很大的恒星系统里头，这个恒星系统叫做银河系。但是这个银河系其实在宇宙中间还是一个很普通的星系。

　　那么这个漩涡星系它为什么会有旋臂，那么就是有一种理论认为在银河系里头它有一个密度波。而这个旋臂就生存在密度波密集的时候，就是这个密集的这个波在传到旋臂这个地方的时候，就形成了恒星密集的旋臂。实际上我们现在，太阳，有时候就在旋臂里头，有时候就出去了。那么有没有观测证据呢？我们有观测证据，什么样的观测证据呢？我们知道太阳系中间，有九大行星，那么九大行星中间的空隙里头是什么呢？我们过去讲，说是行星际物质，就是行星际有一些物质。当太阳在银河系的旋臂里头穿梭的时候，我们知道银河系旋臂里头那些物质它就会进入到太阳系。因此我们在太阳系里头，实际上就发现了很多不是太阳系的物质，而是行星际的物质在太阳系里头。而现在就是说，太阳在旋臂里头有时候就是穿进去，有时候穿出来，这个就叫做密度波理论。

　　有了这个密度波，它可以给我们很好地回答一下为什么会形成这个旋臂？但是这个旋臂，还有非常有意思的事情。是什么呢？就是旋臂是银河系里头新的恒星诞生的摇篮，就是说我们每年银河系都会有新的恒星生成。好像它也是不断地在有新的生成、有老的死去。那么死去的这些老化的星呢，每一百年至少会有一颗星老化，但是新生的星每年大约会有十颗左右在新生。那么这样一些新生的星出现在什么地方呢？就出现在银河的旋臂上，因为什么呢？因为旋臂刚才我们讲了在密度波走到这样的时候，它压缩这些星系的物质，使得恒星的形成成为可能。我们现在呢就是讲到了银河的旋臂，那么银河还有一个要讲的是什么呢？这个银河刚才讲的，说太阳在银河系里头有运动。那么银河系本身自己有没有运动呢？我们天文学家说话需要靠观测，我们需要靠观测事实来说话。

　　当我们观测恒星的时候，我们会有一些新的发现。就是说观测了很多星，我们测量这个星，它的运动。它在天空横的方向上这种运动我们叫做自行。还有一种运动，是在我们视线方向上的运动。大家可以想，如果一辆汽车跟你的视线方向是一致的，它在运行的时候其实你很难估计它离你多远，或者说它走得多快，你看不出来。就是汽车迎面而来，或者说背向你去的时候，你看不出它走得多快。但是这个纵的方向，就是向着我们视线方向的运行，我们也有办法来观测。什么办法呢？我们常常在外头旅行的人们你有没有这样一个经验，当你坐火车的时候，那么在火车运行的过程中，如果说前方有一列火车跟你迎面而来的时候。大家听到这个声音就是越来越尖锐，就是这个火车的声音越来越尖锐。当这个车互相离开的时候，你听到声音是越来越钝，也就说在运动的两列车互相听起声音来它的频率会变化。

　　同样的道理，我们在观测一颗恒星的光的时候，我们把这个光分解成光谱。我们在观测它的光谱的时候发现，这个谱线会有一种运动。它的运动就会表示出来这个光的频率的变化，当这颗星接近我们的时候，它应该是比较尖锐。那么也就是说，它会发蓝颜色，就是更向蓝走一点。如果说它背向我们去的时候，它会钝一点，向红的方向走一点。所以这种速度我们叫做视向速度，就是眼睛看出去的视向速度，当我们分析天体运行的各种速度的时候，经过了多少年分析以后，我们发现其实银河系是在转动的。我们太阳附近的这个银河系转动的速度有多快呢？每秒钟220公里，这是一个很高的速度。大家想一想，我们发一个人造卫星，只要每秒8公里，它就可以围着地球转了，也就是说只要有一个8公里的速度它就可以出去了。但是我们太阳在银河系这一部分的旋转速度，是每秒钟220公里，是一个很高的速度。那么这样高速度的一个运行呢，就使得我们知道银河系本身也是在转动。关于转动呢，常识告诉我们，我们认识这种现象，比方说我们地球围着太阳转，金星、火星、木星、土星都在围着太阳转。那么这时候在描述这些行星围绕太阳运动的时候，我们有一个规律，我们叫做开普勒定理。也就是说围着它有一定的规律来运行，那么服从这个开普勒定理的一种运行是随着距离的不同速度不一样。但是在银河系里头呢，它既不是一个刚体的运行，就是说不像铁饼这么旋转，不是说大家连在一块的，不是这种旋转方式，又不是像太阳系里头行星围绕太阳这么旋转。它是在不同的地方运动的速度不一样，为什么呢？大家可以想到，我们太阳系的天体在运行的时候，你围绕的中心是一个太阳，就这么一个天体。而银河系里面不但围绕银河系的核心，而且银河系，比方说太阳距离银河系的核心还有两万七千光年，在这两万七千光年的距离内还有很多的星，这些星它的质量都会汇聚到银河系中心来计算。也就是说，如果说离开太阳更远的星，那么它中心的质量就会更大。因为什么呢？我们太阳以内的这些星质量也就都算进去了，所以这个质量在不断地变化，核心部分的质量在不断地变化。它们互相有一个不一样的速度，所以比较复杂。但是我们现在认识到了什么呢？银河系是由恒星构成的一个庞大的集团，那么它至少有一千多亿颗星。那么这样一些星，组成这么一个集团。它还在不断地旋转，而这种旋转随着距离银河系核心的部分，远近的不一样，它旋转的速度也不一样。我们知道测量太阳附近这样的速度，大概是在每秒钟220公里这么一个速度。知道银河系在旋转，又知道银河系本身是一个漩涡星系，它有很多旋臂。这个旋臂非常有意思，是我们银河系里头恒星诞生的一个场所，这是我们讲到了银河系的外围部分。

　　那么我们要讲到银河系的核心部分，这个核球也还是比较大的。因为银河系的核球非常密集，我们需要看人马座，就是沿着人马座方向看，需要在夏天看。夏天在银河系的南边，看南方天空就可以找到人马座。我们可以看到那个地方非常地亮，这个亮表示那个地方是银河系的中心。那么银河系中心它应该是有一个比较大的黑洞，为什么呢？黑洞大家知道，黑洞它本身的质量非常大，这个质量大到什么程度呢？这个光只进不出，它可以把外头的物质吸进去。但是呢，连光都从它本身，黑洞里头跑不出来，因为它的引力太大了。那么银河系中心，应该有这么一个庞大的黑洞来维持着银河系庞大的引力。那么我们有什么证据来证明银河系核心呢？有可能有黑洞，而且是一个比较大的黑洞。主要的就是说在银河系的核心部分，我们可以观测到强烈的X射线辐射，而且红外辐射也特别强。它是什么意思呢？就是说当物质高速旋转接近黑洞的时候，被黑洞吞掉的时候，这个时候它由于运动的速度非常高，它会辐射X射线。而且它周围星的运动速度都是非常快的，就是在银河系核心部分，运动速度非常快。所以我们想，银河系的核心那么它应该是有一个黑洞。

　　现在，我们已经知道银河系在整个宇宙里头是一个很普通的星系。是宇宙中间的一个“星岛”，很普通。那么现在我们讲，说这个银河系它是孤零零的吗？它是不是更复杂呢？实际上我们在观测银河系的时候，我们发现银河系的周围还有一些别的星系。那么这样的话，我们银河系到底势力范围有多大呢？或者说我们银河系这样一个引力的范围能大到多么大呢？至少是在89万光年，接近100万光年。我们刚才讲的，说银河系大小是13万光年，现在差不多一百万光年这么范围之内，都是银河系的势力范围。也就是说，银河系这个漩涡星系，它还有很多伴侣，它们共同构成了这么一个庞大的恒星集团。那么银河系将来还是会发生一些变化，也就是这些个伴侣，它会在银河系强大的引力下，逐渐地向银河系靠拢。

　　比方说像麦哲伦云，就以每年一千公里的速度，在向着银河系靠近。那么也许在几十亿年以后，麦哲伦云也会和银河系相撞的。那么这是我们银河系本身，它还有一个空间的范围，还有一些伴侣。在银河系里头呢，如果说我们能够观测到银河系，能够分析出银河系是个什么结构来。我们刚才讲了，是因为在银河系里头有那么一个太阳，而在太阳周围有一颗行星叫做地球，这个地球上它有高级智慧生命，就是我们人类自己。我们能够观测星空，不但解开银河系之谜，而且我们可以解开银河系以外还有哪些星系跟我们银河系是有关系的。那么这么说，就提出这么一个问题来，在银河系里头还有没有跟我们地球一样的有高级智慧的这种生命存在呢？如果再往大了说的话，那么在银河系以外，其他的漩涡星系有没有智慧生命存在呢？那么它们之间有没有可能进行交流呢？这是大家非常关心的一个问题。那么我们首先说，在太阳系里头地球这么一个特殊的环境里头，能够形成人类这种高级智慧生命，其实不是很容易的。如果说你按照康德的那种哲学的一种推理方式来推理的话，你可以这么想，我们太阳在银河系里头是很普通的一颗星。它就是一个中等大小的一个黄色的星，这样的星在银河系里头很多。那么既然在太阳周围有智慧生命，我们就可以想到，就是温度不高也不低的那些恒星周围也有可能有智慧生命，这是顺理成章的一件事情。但是当你真正去分析我们地球上的生命跟其他行星对比的时候，大家就会想到，其实也不那么简单，并不是说任何一个类似太阳的恒星周围就一定会有智慧生命。

　　所以这样的话，就是说实际上分析起来，我们对比太阳系，智慧生命并不是那么容易产生。所以银河系尽管有很多跟太阳相同的星，并不是说，这些星周围就一定会有智慧生命。至于说银河系它是怎么生成的？应该说是在宇宙那次大爆炸过程中产生的，和其他星系一样的一个产生过程。当然这个产生过程，现在仍然是科学研究里头一个非常热门的话题，因为现在并没有解决，就说是到底这个星系怎么就形成了？至少我们可以这么说，就是在大爆炸以后，在宇宙中间已经形成了原子，出现了核，由于它质量的一些不稳定性，就是在宇宙中存在着一些不稳定性，那么它有些聚集。庞大的物质聚集在一起，逐渐地形成了这么一个星系。那么我们现在的观测，可以这么讲，我们已经观测到了在宇宙中间不均匀性的一些信息。比方说发射了卫星，它在观测微波背景的时候，已经观测到它有些不均匀的东西。那么这种不均匀的东西，会导致早期的宇宙里头它有些不稳定性，会导致星系的产生。应该说我们银河系也是那个时候的一个产物，所以这个银河系呢，我们自己在银河系里头来研究银河系的时候，就帮助我们来认识其他的星系。通过这样一些星系我们来解开宇宙之谜，就是说宇宙到底是怎么形成的？它会向哪个方向去？你要想解决这么一个最大的问题，你首先得踏踏实实把我们的银河系认识清楚。

　　（来源：cctv-10《百家讲坛》栏目）