太陽系－恆星－雙星－變星－銀河系－星的本性－星的演化相對論與宇宙－天體物
理學近況－地質學
太陽系
上面說過，刻卜勒關於太陽和行星的觀測，已經提供了太陽系的模型，但是在其中
一個行星的距離還沒有用地土的單位測定以前，這個模型的比例尺度是不知道的。裡希
爾在1672－3年間進行了這種測定工作（見150頁），而且在若干方面還具有現代精確性：
（1）1728年，布萊德雷發現了遠星的「光行差」（當地球從一方橫過這星光的行徑，
半年後又從反對方橫過時，觀測者兩次所看見的星光方向的差異）。當時這一發現被用
來證明光以有限速度進行，但因光速現已有他法測定，光行差反過來可用以測量地球的
速度與其軌道的大小了。（2）當金星經過地球與太陽之間時，由地球上兩個站所測定
的時刻，也可用來以三角學的解法，計算太陽的距離。（3）當小行星（愛神星）於
1900年經過地球附近時，曾以三角測量法測定其距離。
以上三個方法所求得的太陽系的大小，是一致的：從地球到太陽的距離是9280萬
（後改為9300萬）英里，相當於光以每秒186，000英里的速度行8．3分鐘的距離。太陽
的直徑為865，000英里，其質量為地球的332，000倍，其平均密度為每立方厘米1．4克，
而地球的平均密度為5．5克。
我們關於太陽系的知識，在1930年由於湯姆保（Tombaugh）在海王星軌道以外發現
了一顆新行星而擴大了。美國亞利桑那州旗桿天文台對天空某些可能發現行星的區域，
作了縝密的搜索，方法是將幾天時間內所拍的兩張照片加以比較，照片上如果有一個光
點改位，就說明那是一顆行星。這顆新行星圍繞太陽運行一週需248年，其平均距離是
36億7500萬英里。這顆行星命名為冥王星。冥王星軌道的直徑為73億5000萬英里，可以
看做是現今（1946年）所知的太陽系的範圍。
人們時常討論別的星球是否有生物居住，對於太陽系而言，這問題便成了別的行星
上的情況如何。這些情況中最重要的一個是行星外圍的大氣的性質。大氣的存在依靠
「脫離速度」，——即氣體分子運動時足以使其脫離行星引力的羈絆的速度、這速度的
數值為V2＝2GM／a，式內G麥引力常數，M表行星的質量，a表其半徑。以每秒英里計，
對於地球，V＝7．1，對於太陽為392，另一極端，對於月球為1．5。運動最快的分子是
氫分子，在0℃為每秒1．15英里。根據秦斯的計算；如果脫離速度為分子的平均速度的
4倍，在5萬年內大氣便完全逃逸，如果為5倍，則逃逸率便小到不足計較。因此月球上
沒有大氣，大的行星，如木星、土星、天王星與海王星，比較地球有更多的大氣，火星
與金星上的大氣可以和地球上的相比擬。金星上多二氧化碳；但顯然沒有氧氣與植物；
那裡的條件尚不能使生物存在，而火星上呢，生物存在的機會似已過去，或將近過去。
恆星
冥王星軌道以外，是一片洪渺無邊的空間。當地球在六個月內由軌道的一邊行至它
一邊時，憑借縝密地觀測可以察知最近的恆星在較遠的恆星所形成的背景上改位。再過
六個月恆星的位置復回到原處；如果把這些星本身的微小運動略而不計的話。由於我們
已經知道地球軌道的直徑，只要把恆星本身的微小運動和光行差估計在內，根據一顆星
在六個月內的現差，用三角測量法，便可推求恆星的距離。
1832年，韓德遜在好望角對恆星視差進行了觀測，接著在1838年，便有貝塞耳
（Bessel）和斯特魯維（Stfuve）進行了精密的測定。用這樣的方法發現，最近的星，
一個微弱的小光點，叫敞半人馬座比鄰星，距離我們達24萬億（2．4×1013）英里（光
須走4．1年），約為冥王星軌道的直徑的三千倍。明亮的天狼星的距離為5×1013英里，
或8．6光年。約有兩千顆恆星的距離，已用這個方法測定到相當高的精確度，但這個方
法現今只可應用於十個光年以內的恆星。
睛明的夜裡，人眼所見的恆星可達數千。如果使用口徑愈來愈大的望遠鏡，則可見
的星愈多，數目的增加並不與望遠鏡的口徑成正比例，因此我們可以說：恆星的數目不
是無窮多的。美國威爾遜山天文台的100時反射望遠鏡，在1928年是世界上最大的望遠
鏡，能夠觀測到的星數估計約為一萬萬顆，而在我們的星系（銀河系）裡，恆星的數目，
據不同的估計約為15萬萬顆至300萬萬顆不等。200時反射望遠鏡現在正在制造中。
希帕克過去依照星的亮度，將星分為六個「星等」，而現今已將這尺度擴充到包括
20等以外的微弱星，其亮度只有一等星的萬萬分之一。這種量度的方法，自然是依據地
球上所看見的恆星的視亮度為標準。對於一顆已知其距離的星，我們可以計算它移至某
一標準距離時應有的視星等，這種星等叫做絕對星等。
如果按絕對星等分類，則在所有星等的數值中都有星的存在，但如赫茲普龍
（Hertzsprung）所指出，而後來為羅素（H．N．Russell）所證實的：高星等與低星等
的星的數目，比較中星等的星多。前兩者叫做「巨星」和「矮星」。以後還要詳細談到。
同一光譜型而距離已知的恆星證明，絕對星等和某些譜線的相對強度之間具有有規
則的聯繫。因此仔細研究這些有決定性的譜線，可以求得未知距離的星的絕對星等，然
後再根據其視星等以估計其距離，即使這距離遠到不能以視差的方法來測量。這是估計
恆星距離所用的幾個間接方法之一。
雙星
許多是用肉眼看似乎是單顆，用望遠鏡看，乃是成對的。有些成對的雙星，可能互
相離得很遠，所以看來很接近的原因，是由於它們幾乎在同一視線上。然而雙星的數目
很大，用恰巧在同一視線上的說法，不足以解釋全部雙星。在大多數情況下，雙星中的
兩星之間，一定有某種關係。威廉•赫捨耳於1782年開始觀測雙星，到1793年，他已經
找出足夠多的雙星的行徑，可以證明雙星圍繞著位置在橢圓形一個焦點上的公共重心，
而運行在橢圓軌道上。因而他證明，雙星的運動也遵循牛頓在太陽繫上所尋得的引力定
律。
由距離和軌道部已測定的一些雙星，呵以算得它們的質量，一般是太陽的一半至三
倍。這與由其他方法所得的結果頗為吻合。各類星質量上的差別並不很大，而其大小與
密度卻有極大的差別。
有些雙星的兩個成員相距太近，以至不能用望遠鏡分開，但可用分光的方法去分辨
它們。如果我們的視線恰在雙星的軌道平面上，當雙星的聯線垂直於視線之時，則一星
向我們而來，他星背我們而去。於是按照多普勒原理，一星的光譜的譜線將向藍端移動，
而他星的譜線則向紅端移動，因而在雙星光譜中，其譜線的數目必至加倍。但當兩星的
位置一前一後時，它們便在橫過我們的視線方向運動，因而其光譜裡便無譜線加倍的現
象。靠觀測這種光譜上的變化，我們可以估計其繞轉的週期與速度，並可計算兩星的質
量之比值。如果目視與分光兩種測量均屬可能，則兩星的質量都可以求得。
1889年，皮克林（E．C．Pickering）首先以分光的方法發現一對雙星。他宣佈大
熊座＆星光譜中有些譜線加倍，表示這顆星是週期為104日的雙星。自此以後成百的
「分光雙星」被人發現，主要是在美國和加拿大的天文工作者用了大望遠鏡與攝譜儀，
而且在清朗空氣中工作所發現的。
變星
許多恆星的光常改變其強度。如果變化是不規則的，這或者是由於熾熱氣體的屢次
爆發，但光變的週期，在許多例子中，是頗有規律，因此，可以推斷，光變的原因或者
是由於當一顆亮星與其暗的伴星互相環繞運動時，亮星的光的一部或全部，於一定時間
無暗星所遮蔽，而形成亮星的星食。這個解釋有時可從光譜得著證實，因為當亮星在向
著或離開地球運行時，其譜線發生週期性的移動。根據亮度隨時間變化的曲線，再加上
譜線的測量，常可以對某些雙星系有很完全的了解。例如大陵變星與天琴座B星就是這
樣。
雙星的數目很大，還有更為複雜的體系——聚星，也可以用相同的方法，加以識別
和研究。例如我們熟悉的「北極星」，由分光測量，知其含有每4日互相繞轉一週的兩
星，還有一個以12年為週期的第三星，以及一個以大約兩萬年為週期的第四星。
更有其他變星如仙王座＆星（造父變星），不能用星食說去作解釋。它們每隔幾小
時或數日進發出比它們的最小亮度強若干倍的光輝。這種造父變星中的短週期的一類，
表明其光變週期與其光度或絕對星等有一定的關係，這關係是1912年哈佛大學勒維特
（Leavitt）女士所發現的。這個發現的價值立刻為赫茲普龍及那時在威爾遜山天文台
工作的夏普勒（Shapley）所認識。這現象很有規則，可用以測量距離未知而據與此同
類型的星的光變週期，去估計其絕對星等；再觀測這顆星的視星等，便可計算其距離。
這是測定距離太遠、不能表現視差之星的又一方法。
銀河系
天空恆星最多的區域是在一個寬度不定的帶上，這帶叫做銀河，圍繞天穹成一巨環。
有些地方星數太多，以致成為「恆星雲」，須有優良的望遠鏡，始能鑒別其中的個別值
星。摻雜其間的還有不規則而且不能加以分析的「星雲」。在恆星聚成一帶的中間，剖
分銀河的大平面，叫做銀道面。這可看做是恆星系的一個對稱平面。恆星似問這平面叢
聚，特別是較熱的星與較暗的、因而一般是較遠的星。
這表示我們的恆星系附於銀道面，而成扁平的形態，好象形成一個大透鏡狀的恆星
集合體。我們在這集合體之內，而不居於其中心。我們所看到的銀河裡的星所以比較多，
主要是由於我們望銀河時是朝著透鏡的邊沿去看，而在這方向恆星散佈空間的厚度比別
處大得多。
除恆星雲與不規則的星雲之外，還有恆星的球狀集團，約100個，這些「球狀星團」
以銀河中段外邊不遠的地方為最多。其中包含造父變星。夏普勒根據它們的光變週期和
借助其他間接方法，算出這些星團距離我們約2萬至20萬光年。
由此得知，我們的恆星系有一最長的直徑，至少長達30萬光年。我們的太陽，離開
整個星系的中心約6萬光年，而在中央平面偏北處。多年觀測恆星的視運動的結果表明，
太陽是以每秒13英里的速度，朝著武仙座的方向運動，如果以這運動的方向作為參照線，
則有兩個主要的星流經過空間。
天空中最驚人的東西，是那些巨大的旋渦星雲。它們很可能是正在形成中的星系或
者說銀河系，關於這一觀點的論證，以後還要談到。這些星雲的範圍非常龐大，雖為稀
薄氣體所組成，但一個星雲就含有足以形成十萬萬個太陽的物質。它們的數出很多：加
利福尼亞威爾遜山天文台的哈布耳（Hubble）博士估計，在該台的100英寸望遠鏡中，
可以見到的約有兩百萬個。它們中有些距離很遠，估計在50萬至14000萬光年，很可能
在我們的星系之外。宇宙空間裡似含有很多恆星聚集的銀河系，即夏普勒所稱的「島宇
宙」，我們的星系不過是其中之一而已。
1904年，荷蘭格羅寧根的卡普登（Kapteyn of Groningen），在研究恆星統計時，
發現我們的星系裡有兩個在多少不同的方向上運動的主要星流。現今，這兩個星流應當
和榮登的奧爾特（Oortof Leyden）的另一發現聯起來討論；這是銀河系整個的自轉，
它因繞距離我們一萬秒差距在人馬星座的方向上的一個中心旋轉，自轉的速度，按照引
力定律，向外減少。在我們的區域軌道速度約為每秒250公里，轉一週約需二億五千萬
（2．5×108）年。整個銀河系的質量約為1500萬萬（1．5×1011）個太陽，如果每顆
恆星的平均質量等於太陽的質量，銀河系所含的恆星大約也是這個數字，約為外推法計
算的數字的十倍。
星的本性
賽奇（Secchi）神父約於1867年在羅馬提出一個按怛星的光譜分類的方法，哈佛天
文台又加以很大的改進與擴充。星的顏色在肉眼看去已有差別。由於照相對於光譜紫色
的一端比較靈敏，以照相法求得的星等，與肉眼估計的並不相同，其間的差異成為星色
的一種量度方法。這些差異也表現在各種恆星的光譜裡。在這些恆星的光譜裡可以尋找
出一系列的譜線，不知不覺地逐漸過渡，而表現出各類恆星的特性，哈佛大學以O，B，
A，F，G，K，M，N，R 去區別它們，這序列裡前面的是比較藍色的星。
O型星的光譜，在暗的連續背景上，出現若干明線。在有些光譜裡，氫與氦的譜線
很強。B型星的光譜呈現暗線，氦線十分顯著。A型光譜中有氫譜線、還有鈣和其他金屬
譜線，在F型光譜中，後面這些譜線加強。G型星包括太陽，呈黃色，其光譜在明亮背景
上呈現暗線。碳氫化合物的譜線第一次出現於K型星中。M型星呈現寬的吸收譜帶，特別
是氧化鈦的譜帶。N型星呈紅色，其光譜有一氧化碳和氰（CN）的寬譜帶。R型星雖不如
N型那樣紅，但也有N型裡的那些吸收譜帶。
這種關於光譜的觀察，被用來估計各型恆星的有效溫度。如果將一個黑體（它可以
看做完全的輻射體）漸漸增高溫度，則其輻射的特性與強度也逐漸改變。就每一溫度而
言，輻射能量與波長有一特殊的曲線關係，在某一特定波長上達到最大值。隨著溫度增
高，這一最大值的位置向光譜的藍端移動，因而可以說明溫度。人們還用幾種方法對能
量的分佈加以研究，例如采用照相法及研究輻射特性的變更等方法。不但如此，溫度和
電離對於光譜的影響，還可以在我們所能控制的範圍內，在實驗室裡加以研究。薩哈
（Saha）在1920年、福勒（R.H．Fowler）和米爾恩（E．A．Milne）在1923年都曾經利
用恆星光譜中若干吸收譜線的形態，來估計起吸收作用的原子的溫度。
各種估計巨星溫度的方法所得的結果，頗能互相吻合。則可看見的星大約是1650度，
已知最熱的星達23000度。這些當然是輻射表皮層的溫度。星的內部必然較外層為熱，
其溫度可達幾千萬度。
上面討論絕對星等時，我們說過，大多數的恆星分為「巨星」和「矮星」兩大類，
前者光度比較後者大得多，可是也有一些中等光度的星。但可以注意之點是：這一分類
只有對於K型星以下較冷的星（溫度不超過4000度）才顯著。對於較熱的星，分類便不
顯著，及至B型星就完全混淆莫辨了。這些恆星都是巨星，其光度都是太陽的40至1600
倍。
這些事實被人認為指明了一個確定的結論：即所有的恆星都經過一個大體相同的演
化過程。每顆恆星最初是一較冷的物體，嗣後溫度漸漸增高，而達到最高溫度（視其大
小而定），然後再漸趨冷卻，溫度漸次下降，經歷一個相反的過程。
當恆星溫度升高時，它發出大量的光，這意味著它的體積很大，因而歸類為「巨
星」。但當其冷卻時，它的大氣在溫度方面經歷一個與以前相反的過程，在冷卻時所經
過的光譜型，雖然在細節上略有差異；但大體上與溫度升高時期所經過的相同。然而這
顆星現在的絕對星等，換言之即其光度，卻比較以前小得多了。既然這時溫度與以前上
升時期相同，這一事實就表示這顆星的體積較前為小，遂成為「矮星」了。
這是羅素所闡述的恆星演化過程，與勒恩和利特爾（Ritter）所闡明的互相吸引的
氣體團的動力學相符合。如果這團氣的質量夠大，則重力必定使它收縮。它將放出熱量
而變熱。但當其收縮時，其收縮的速率必逐漸減少。到了某一臨界密度時，這一龐大的
熾熱氣團所生的熱量，將小於其所輻射的熱量，於是這團物質開始冷卻。我們在討論太
陽的年齡時說過，這過程不能解釋其所放出的全部熱量，那時已經認為或有他種能量的
來源（如原子的蛻變）取決於溫度，並經過一種相似的過程。
這個恆星演化的理論，已經根據最近的研究加以修正，而將原子結構的新知識應用
於天體物理學。人類靠了他處在原子與恆星中間的有利位置，可以利用由一方所得的知
識，作為研究另一方的參考。
已知太陽或任何一顆星的大小與平均密度，並假定其整體都是氣體，就可以計算其
表面下壓力隨深度而增加的變率，愛丁頓便做了這個計算。對於氣體的恆星，愛丁頓發
現光度主要隨質量而變化，在某些限度內，光度粗略地與質量成正比例。在恆星裡任一
層，其上面的壓力，為下面氣體的彈力和輻射的壓力所支撐。據分子運動論，氣體的彈
性，是由於氣體分子的碰撞造成的，而氣體分子的速度隨溫度而變化。要支持太陽或其
類似的恆星內部的巨大壓力，則其溫度當達四千萬度至五千萬度的數量級。如有一星比
這個大得多，據愛丁頓推算，其內部的輻射壓必至過大，致使它變成不穩定，而趨於爆
裂。這樣，星的大小有一自然的上限。
恆星內部的一個區域，甚至一大區域，實際是一個恆溫的包亮，其總輻射按絕對溫
度的四乘方而改變。當溫度增高時，在光譜上能量最大的輻射，按已知定律，逐漸變為
波長較短的波。當溫度高達數百萬度時，則其最大能量便遠遠超過可見光譜的波段，而
至X射線或波長更短的輻射區域，但這些輻射，在其行至恆星外層的途程中，不斷地受
到原子的碰撞與作用，因而變成波長較長的輻射，最後仍以光和熱的形式發出。但有一
引人注意的事實：即富有極大穿透力的射線（即「宇宙線」），已經為麥克倫南
（McLennan）、米利根、科赫斯特等人所發現，這些射線，雖然份量很小，好象經過我
們的大氣，而來自空間。秦斯說：「在某一意義上，這種輻射是整個宇宙裡最基本的物
理現象，空間的大部區域合這種輻射遠較可見光和熱為多。我們的身體日夜被它穿
過，……它破壞我們體內的原子每秒達數百萬個。這可能是生命的要素，也可能在殺害
我們」。有人說這種富穿透力的輻射是質子和電子互相湮滅時，或者氫聚合為重原子時
所發出的，地點可能是在星雲或空間裡極度稀薄的物質裡，因為由那裡所射出的能量無
須費力就可以穿過覆在恆星外部的物質。
我們知道X射線和穿透性更大的Y射線是極有效的電離劑。所以星內的原子當是高度
電離的，即其外部電子都被剝奪了的；這個概念於1917年為秦斯所倡導，以後更為許多
人研究。一個普通原子所佔有的體積，即別的原子不能貫穿的體積，就是這些外部電子
的軌道所佔有的體積。如其外部電子遭到剝奪，則這原子的有效體積必大為減小，實際
成為原子核與其最近電子環（其軌道較外部電子的軌道小得多）的體積。結果，恆星內
部的原子既然小得多，則其相互干擾也必遠較我們實驗室的為小；因而恆星物質雖在高
密度下，其性質也像「理想氣體」，而遵守波義耳定律。
假設恆星是氣體的，則我們可以數學計算一顆星的質量與其所發的光和熱之量的關
系，換言之，即可知其光度為何。1924年，愛丁頓算得星的質量愈大則其輻射也愈大。
他求得一個理論的關係，而且在把一個數字因子調整以後，使這個關係確與事實符合。
就是對於某些恆星，這個公式也是適用的。因其密度很大，在1924年以前人們還認為它
們是液體或固體的，而且以為這一理論不適用於它們。但愛丁頓認為，較水重的太陽，
以及較鐵重的其他恆星，實際上都是氣體；因其電子已被剝奪，所以這些恆星的原子體
積較小，在大部時間內，彼此不相接近。
而且一個新發現使密度的可能範圍更加擴大了。1844年，貝塞耳發現天空最亮的天
狼星運行在橢圓軌道上，於是他假設有一伴星圍繞天狼星運行，其質量約為太陽的4／5。
十八年後，這顆星為克拉克（Alvan Clark）所發現；用現代望遠鏡不難看見這顆星，
其所發的光約為太陽的1／360。當時曾認為這顆星是紅熱的、一個行將沒落的星。亞當
斯在威爾遜山查得這顆星並非紅熱而是白熱的。其所發的總光量很小，是由於其體積很
小；它不比地球大很多。從這個大的質量與小的體積，得知其密度約為每立方英寸一噸，
這是一個駭人聽聞的結果，在當時認為是不可信的。
但是不久新的證據出現了。根據愛因斯坦的理論，物體發出輻射的頻率，應隨其質
量和體積而不同；因此譜線應按半徑除質量的比例向紅端移動。亞當斯測量了天狼伴星
的光譜，也得著相同的高密度，約為鉑的密度的兩千倍。現在更發現另外幾顆星，密度
與此相似或更大。秦斯認為這些星中的物質不再是氣體，而與液體相近了。其原子很可
能只余下原子核，甚至其最內層的電子也被剝奪。比較正常的星，如天狼星與太陽，可
能為核外剩有一層電子的原子所組成。所以根據原子結構的理論，我們就可以解釋這一
事實：恆星分為明顯的幾類，而且每一類僅包括某些體積限度內的恆星。在那樣高的溫
度下，地上的原子將會完全破裂。要維持這些不同的體積，恆星內部未知的深度的原子
必較我們熟悉的地球上的原子為重，而類似地球上的原子的較輕的原子，必浮在表面，
而成為輻射的表層。
有三個方法可以估計恆星的年齡：（1）雙星的軌道最初應為圓形，以後受到過路
星的引力的影響，而逐漸變形，這種影響的可能頻率可以計算，因而由軌道的實際形狀，
可以計算恆星的可能年齡。（2）明亮的星所組成的星團在空間運動時，逐漸失掉其小
的成員，造成這些觀察到的分散情況所必需的時間，是可以計算的。（3）恆星的運動
能量，也如氣體分子一樣，必定有達到平均分配的趨勢；西爾斯（Seares）測得太陽附
近的恆星差不多已經達到這個階段。由分子運動論，可以計算產生這種動能平均分配狀
況所需的時間。這三種方法都一致表明，我們的星系中恆星的平均年齡可能是5萬億至
10萬億（5至10×10[12]年。
要維持這樣長久的生命，必需大量輻射能量的供給，數量之巨，遠非引力的收縮，
或放射性物質所能解釋的。愛因斯坦的理論很自然地引導人們形成一個觀念：這種能量
的來源可能是由於陽性質子與陰性電子的相互湮滅，這是1904年秦斯用來解釋放射物的
能量的說法。這理論已經詳細地完成。可以肯定，恆星在不斷損失質量。輻射造成定量
的壓力，因而具有一個可以計算的動量，即質量與速度的乘積。太陽表面每平方英寸輻
射出50馬力，這說明整個太陽每天損失質量3600萬萬噸，而質子與電子的相互湮滅可說
明這種損失發生的機制。太陽在其體積更大、年齡更輕時，其質量的損失必當更速，於
是我們可以給與太陽年齡以一個上限，大約是8萬億（8×1012）年。這與其他方法所估
計的恆星年齡相符合，但根據以後的研究來看又是可懷疑的。
星的演化
恆星的年齡既經估定，我們自然會問恆星是怎樣產生的？即使在最大的望遠鏡中，
恆星也無可見的體積——最近的恆星也是太遠了。但是天空明亮的一片一片區域，所謂
星雲，早已為人發現。仙女座中的大星雲，能被肉眼看見，在望遠鏡發明以前即已發現。
而獵戶座內的另一星雲，也於1656年為惠更斯所發現。
星雲有三大類：
（1）形狀不規則的星雲，如獵戶座內的。
（2）行星狀星雲，形狀有規則的較小的結構。
（3）旋渦星雲，像似明亮的大旋渦。
數目最多的星雲是旋渦狀的。我們已經說過，現代望遠鏡中可見的星雲，約有二百
萬個。它們的光譜是連續的，而重合有吸收譜線，與F至K型的星（包括太陽在內）的光
譜相似。有些星雲是彌漫的熾熱氣體團，有些含有定形的恆星。星雲呈現有急速轉動的
模樣。自軌道平面的邊上平視所見的星雲，可以在光譜學上進行研究，另外一些與我們
視線正交的，可在逐年的照片上看出其有可測量的轉動，每轉一週約需幾百萬年。這好
象說明其運動的迂緩，但是我們觀測到它們有很高的線速度，所以其轉動週期的悠長，
不是由於其運動的迂緩，而表現其體積的龐大。
如果假設不同的星雲的轉動速度大略相同，則由以上所述，自軌道平面邁上平視所
見的星雲，可以由光譜學測得其線速度，而橫過我們視線的星雲，也可以測得其每年的
角速度，這樣比較這兩種速度，便可得其距離的一個估計值了。旋渦星雲的旋臂中可以
看出有造父變星，其光變的週期可假設與其絕對亮度有通常的關係，因而測量它們的視
亮度，又可得距離的另外一種估計值了。由此所得的數字，約在幾十萬至幾萬萬光年。
因而大多數旋渦星雲都很遠，而在我們的星系以外。
恆星演化的星雲學說，最初為康德所提出，繼於18世紀末為拉普拉斯引用，去解釋
太陽系的起源。拉普拉斯根據氣體星雲的概念，認為星雲充滿海王星軌道裡邊的空間，
而且具有旋轉運動。它因其自身的引力而收縮。但因其角動量不變，故其旋轉速度漸增。
在其收縮的各階段中，它遺留下環形的物質，經凝結而形成行星與其衛星，繞中心的物
質轉動，這中心的物質即形成太陽。
這個學說有若干困難。1900年，莫爾頓（F．R Moulton）指出，由環形不會破裂變
成球形。張伯林（T．C．Chamberlin）並證明在那樣大的氣體團中，其引力並不足以克
服其分子速度的擴散效應與輻射壓而使其縮小。秦斯以別的論據證明行星是不能由凝結
而形成的。
但是旋渦星雲比拉普拉斯所想像的大過百萬倍，在這規模下，其整個的發展過程也
大不相同。這時引力遠比氣體壓力和輻射壓更為有效，星雲不但不擴散，而且收縮，並
且旋轉得比拉普拉斯所想像的還快。這個解釋，應用於小規模的太陽系遭到失敗，應用
在龐大的星系上，卻頗有成功。
秦斯已經以數學證明：一個具有引力的氣體團，或因其他物質團的潮汐作用而開始
轉動，則將漸漸形成一雙凸透鏡的形狀。若其旋轉加快，則其邊緣將不穩定，而裂成兩
個旋臂。旋臂上發生局部的凝結，每個凝塊具有適當體積，可以在我們所見的恆星的大
小的狹小限度內形成恆星。這個由理論得出的預言已為哈布耳所證實。哈布耳根據觀察
的結果，將星雲分為秦斯所預言的類型。於是我們在旋渦星雲裡，發現在我們星系以外
在遙遠空間裡正在形成中的其他星系。
旋渦星雲臂上的一小滴，是不是變成我們這樣的太陽系呢？根據秦斯的數學推證，
這不是一定可能的。如果這小滴的轉動足夠迅速，而至釀成分裂，則分裂的結果可能是
互相繞轉的雙星。所以雙星很可能是恆星演化的一個正常規程，其另一過程，則是孤獨
的單顆星。
但莫爾頓、張伯林與秦斯對太陽系的起源提出一些猜測性的說明。如果在某一早期
階段，兩個氣體星運行到彼此鄰近時，則將發生潮汐波。及至兩星接近到某一臨界距離
時，這潮汐波即將射出長臂狀的物質，然後再裂成具有適當大小與特性的物體，而形成
地球與其他行星。但這一事件發生的可能性很小，據秦斯計算，伴隨像我們的行星系的
恆星，大約在十萬個恆星中才有一個。
恆星演化的新學說，可以概括敘述如下：恆星是旋渦星雲的旋臂中所飛出的大小相
近似的氣體團。它們發放輻射，其質量因而減少。又因其體積較大的發出輻射的速度較
快，所以它們的質量逐漸趨於相等。
無論其溫度與壓力為何，最年輕的星最重，而輻射也最多。如果它們全由象地上的
原子所組成，則溫度與壓力增高時，輻射也當隨之而增加，情況就與上面所說的不相同
了。這一證據又表示輻射能量大部來自我們所未知的幾種類型的極端活躍的物質。這些
物質當星衰老時即歸於消逝，很可能是由於原子的嬗變，使物質湮滅並轉化為電磁輻射。
這樣釋放的能量是很大的，照相對論一節中所說：質量m可以轉化mc2的能量，這裡c為
光速，每秒3×10[10]厘米，所以，一克質量的物質轉化為輻射後，其能量等於9×10[20]
爾格。由於物質湮滅或即便是適宜的嬗變，所釋放出來的能量是很大的（見451頁）。
天體物理學上的這一個新理論，使人想到牛頓《光學》書中的質疑第30所說的；
「龐大物體和光不是可以互相變化的嗎？物變為光與光變為物，是同似乎樂於變化的自
然程序十分符合的。」
恆星可能正在化為輻射，宇宙間物質的命運不是直接化為空間的輻射，就是變成具
惰性而不活動的東西，如構成我們世界的主要物質。地上的物質含有92個元素，自原子
序數為1的氫，至原子店數為92的鈾。如果還有別的元素存在，它們不是同位素，便是
有更高的原子序數，其結構必較鈾更為複雜。現在至少已經發現一個名叫杯。它們必然
富有強烈的放射性，所以不會穩定，因而大多數可能早已失其存在了。從前以為光譜的
證據說明物質的演化由簡單而趨於複雜，自老年星中的氫，而趨於青年星中的鈣。可是
今天對於這事實的解釋大不相同。人們認為這只表明，各種恆星中的情況，有利於氫或
鈣在其大氣之中與其上輻射的放出。有些天文學家以為在恆星的演化中便伴有複雜原子
的分裂，其中大部直接化為輻射，小部變為不活潑的灰分；這些灰分雖是宇宙變化的副
產品，但卻是組成我們身體和我們世界的物質。鈾與鐳或者是介於留在地上的這些活潑
原始原子的最後殘跡，與構成我們的不活潑元素兩者中間的物質。
只有與我們所處的情況很相近的星球好象才有生命的可能。行星系可能是稀有的，
我們的行星似乎不可能維持「別的世界上的生命」。
凱爾文的能量散逸原理指明了事物的最後的狀態，在這種狀態中，物質與能量都作
均勻分佈，而不再有運動的可能。現代理論雖然把其過程加以修改，但也得到相似的結
論。宇宙所趨向的最後情況，乃是從活潑的恆星原子化作空間的輻射，與變成將熄的太
陽中或凝凍的地球中的惰性物質而已。即令宇宙中物質全部毀滅，所產生的輻射也僅能
使空間的溫度增高幾度罷了。秦斯算得：只有當溫度增高到7．5×10[12]度時，空間方
能為輻射與再度沉澱的物質所飽和。活動物質的原子遺存的概率和輻射濃聚於一處，使
物質再度沉澱的概率，都非常渺小。不管我們等候這機會的來臨需要等候怎樣久的時日，
永恆總是更久的。霍爾丹（J．B．S．Haldane）曾經提出一種看法〔據愛丁頓告訴我，
漢堡的施特爾內（Sterne）教授在談話中也曾提出過這種看法〕，認為這種巧合的濃聚
情形很可能在現有的宇宙消滅後，重新創造出一個新的宇宙——我們現在的宇宙或者就
是在輻射彌漫的漫長年代以後，產生的。但是秦斯與愛丁頓都曾對我說，他們不相信這
種說法。別種情況發生的機會更大，會防止那種很少可能的偶然情況發生。
在這些問題上，我們似乎不可能找到確實的證據。歷史昭示我們需要謹慎從事。天
體物理學的現代觀點僅開始於數年以前，我們已經知道的比有待學習的實在還少得很。
相對論與宇宙
相對論提供的新的自然現，在其發展進程中，必然深刻地影響我們對於物質宇宙的
觀念。它在解釋萬有引力時，用引力場中呈現彎曲的自然路徑的理論去代替吸引力的觀
念。這就不但在精密的實驗中，導致稍有不同的結果，而且如我們以前所說過的，也完
全改變了我們對於宇宙廣袤的觀念。
如果采用歐幾里得的空間與牛頓的時間，則我們自然以為存在是無窮的。空間無限
地伸至最遠的恆星以外，時間則通達過去與未來，均勻而永恆地流逝著。
但是，如果我們的新時空連續區，由於物質的存在而表現彎曲，我們就進入另一思
想境界了。時間或者仍然是無止境地從永久到永久地流逝著，而空間的彎曲則指示出一
個有限空間的宇宙。設想我們以光速繼續前進，則終將達到一個有限的境界，或重返回
到我們的出發點。哈布耳估計整個空間約為威爾遜山大望遠鏡所可見到的那一部分的十
萬萬倍，而這個望遠鏡能夠看見我們星系以外的星雲兩百萬個之多。這表明光線經行宇
宙一週，約需千萬萬（1011）年。愛因斯坦曾描繪過一個三維的空間，其彎曲的方式正
如我們在二維空間所謂的圓柱面那樣。時間則相當於圓柱的軸線。德•西特（De
Sitter）則想像一個球面時空。如果我們向外旅行，去追尋更大的球，則我們終將達到
一個最大的球。這裡的時間，從地球上看去，好象停止不動。正如愛丁頓所說：「好象
瘋人的茶會，時間永遠是六點鐘，不管我們等候多久，總是看不到什麼動靜。」但是如
果我們能夠達到這個保守的天堂，則我們必定感覺在該處經歷的時間，也依然流逝，不
過其流逝的方向不同而已。
德•西特指出，這種從地球上所見的時間的變慢，有一輕微的證據。有些旋渦星雲
是我們所知道的最遠的物體。它們光譜中的譜線，與地球上光譜的同一譜線比較，位置
頗有移動，如哈布耳所指出的，絕大多數部移向紅端。這現象經常被解釋為由於旋渦星
雲具有很大的退行速度（比較其他任何天體的都大），這現象有時又被解釋為宇宙的膨
脹。十分可能，我們現在所觀察的這一現象，就是從地球上可以看見的原子振動的變慢，
即大自然的時計的速度的改變，或時間的尺度的變化。
天體物理學近況
現在已有許多證據表明，星際空間有稀薄物質的存在。獵戶座＆星是一對雙星中的
一個成員，與上述的別的雙星一樣，當其環繞其伴星旋轉時，其譜線表現有移動的現象。
1904年，哈特曼（Hartmann）注意到H和K兩條鈣線，並不參加這種週期性的移動，而且
在別的雙星的光譜裡納的D譜線也像是駐定的。但是普拉斯基特（Plaskett）與皮爾斯
（Pearce）發現這些譜線並非真正固定，而表現有相當於我們的星系自轉的運動。這些
差不多固定的譜線，只在1000光年外的恆星光譜裡才看得見，而且恆星距離愈遠，這些
譜線愈強；它們顯然是散佈在空間的鈣和鈉所造成的，在有些地方，凝聚成宇宙雲或氣
體星雲。這種星際物質的密度極小；就平均而言，這是10-24，即每立方厘米內只有一
個原子；即在一個典型星雲（例如獵戶座大星雲）的中心，也是10－20，只有實驗室所
能造的高度「真空」的密度的百萬分之一。由於碰撞的稀罕，宇宙雲裡的質點不會喪失
很多的熱量，其所能維持的溫度達15，000℃，而空間裡隕星的溫度可以降到-270℃，
僅在絕對零度上3度而已。
氣體星雲不自發光，而是靠其範圍內的極熱星的光而發光。極熱星所發的光激發星
雲的質點，使其射出不同週期的光線，換句話說，即造成熒光效應。還有所謂暗星雲。
這種暗星雲阻礙其後面的遠星的光透過。暗星雲可能與亮星雲具有相同的性質，只是在
其範圍內沒有熱星激發其發光而已。這些星雲裡的質點、大小和光的波長相似；它們具
有很大的吸光能力。
亮星雲光譜中有明線，主要是電離氫和氦的譜線，以及實驗室裡還沒有見過的譜線，
例如其中兩條綠色的譜線，假想其起源於一末知的、名叫氧的元素。但是，1927年包溫
（I.S．Bowen）發現這些奇怪的譜線是由雙電離氧原子所造成的，所謂雙電離氧原子也
就是其衛星電子從一個軌道躍到另一軌道。在地球上比較擾攘的環境裡這些軌道間的路
徑是不通行的，可是在安靜的星雲裡，在長時間內這路徑是敞開的。其他譜線生於單電
離的氮，其衛星電子也遵循「禁戒躍遷」。可見空間裡有氧和氮（我們熟悉的空氣）以
及鈉和鈣。
1869年，勒恩假定太陽上的質點和理想氣體中的質點一樣活動，而且假定其內部的
熱量是物質的。他在這種假定下計算了太陽的理論溫度。可是愛丁頓指出輻射的重要性，
它從內部出來，被外層的原子和電子所捕獲，由X射線降級到可見光，因而能量只是緩
緩地逸散。所以近些年來人們覺察到在高溫下，輻射的和物質的兩種熱量之比比較想像
的大，事實上這兩者大約是相等的。在5000℃的溫度，輻射壓在每平方英尺上約為1/20
英兩，可是在太陽中心兩千萬度的高溫下，輻射壓在每平方英寸上，高達三百萬噸。
我們考慮到太陽裡自由運動的質點的壓力，就可以估算出使太陽維持其所觀測到的
體積所必需的內部溫度，起初人們認為太陽裡的自由運動的質點是一般的原子和分子，
但是現在我們要用新的原子理論去討論這個問題。
紐沃爾（Newall）曾向愛丁頓表示，太陽或恆星裡的高溫必使原子電離，或者說剝
掉它外圍的電子。例如就氧原子而論，它的原子量是16，其外圍電子有8個，再加上一
個核，質點的數目為9，因而其平均量為16／9或1．78。從鋰的1．75到余的2．46，這
些量都接近於2，可是就氫而言，原子分裂為兩個質點：即質子與電子，質點的平均量
為1／2，而不是2。因此，就溫度的問題而言，我們可將質點概括地分為氫和非氫兩類，
含氫愈多的星，其理論的光度愈小。根據觀測到的光度，好象1／3氫和2／3非氫的比例
適合多數恆星的觀測到的性質。1929年，阿特金森（Robert Atkinson）與霍特曼斯
（Fritz Houtermans）指出，在太陽裡很高的溫度下，原子核如果損失了外圍電子的保
障，可能也遭到摧毀。
恆星物質電離的概念受到量子理論的支持。這一概念最初是埃格特（Eggert，1919
年）提出的，後經薩哈應用（1921年）到恆星外層，因而建立恆星光譜的現代理論。
天文學家考慮了新的有關原子的知識，復回到勒恩的理論，仍假設巨星的質點的作
用如理想氣體，即使在上述的緻密的恆星裡也是這樣。在這些緻密的恆星裡，原子被剝
掉了外圍的電子，因而它們的核和脫離了的電子的作用，像獨立的質點一樣。
銀河系以外，在遙遠的距離處，還有別的星系，以旋渦星雲的姿態出現在我們眼裡。
在威爾遜山100時反射望遠鏡裡，用抽樣法估計，能夠看見的旋渦星雲之數，當以千萬
計；其中最遠的可能在五萬萬光年以外。現在制造中的200時反射望遠鏡能夠探尋到兩
倍遠處，因而可以顯出八倍多的星雲，如果它們是均勻的分佈，而空間裡又無吸光的物
質的話。這裡可以提說一下：以上所說的宇宙線來自這些外圍區域，即星際空間或旋渦
星雲。
以上說過，旋渦星雲的譜線和地面對應的譜線比較，是向紅端移動的。這表示星雲
有一種退行，這退行的速度是和距離成正比而增大的，現在認為這是宇宙在不斷地膨脹
的表現。德•西特的空間理論〔它通過弗裡德曼（A．Friedmann）與勒梅特（G．
Lemaitre）的數學研究，和愛因斯坦的理論聯繫起來〕也認為有這種膨脹的宇宙，所以
我們可說觀測與理論是符合的。
米耳恩指出，如果起初星系具有現今的速度，而密集在小範圍內，其中具有最大速
度的，現在會離開得最遠；我們應可得到所觀測到的距離與退行速度之間的關係。1932
年，愛丁頓估計這速度是每百萬秒差距每秒528公里，在15萬萬（1．5×109）年後，宇
宙的大小便增加一倍。這樣說來，宇宙的初始半徑就是328個百萬（3．28×108）秒差
距或10萬萬6800萬（1．68×109）光年；宇宙的總質量為2．14×1055克，或1．08×
1022個太陽的質量，宇宙的質子數或電子數為1．29×1079。528那個基本數字可能需要
減小。這個不可逆或單向的過程的設想所引起的問題與熱力學第二定律下熵的不斷增長
所引起的問題是相似的；兩者都指出有一確定的開始，能量的供給量逐漸降低，以至於
終於竭盡。有人說我們現令的熱力學可能是膨脹宇宙的一種特性；事實上托爾曼
（Tolman）就提出一種相對論性的熱力學，認為在不斷收縮的宇宙裡第二律是反向的。
能量愈來愈多，從輻射再形成物質是可能的。在這些思路上，我們也可猜想有一種脈動
的宇宙，我們碰巧正好生在它的膨脹階段，這樣便不需要一個開始或者終結了。
最終的問題是：太陽和恆星所輻射出的能量的來源是什麼？既然內部的溫度須維持
幾千萬度，所以這能量不能從外面而來，似乎必須是某種原子內部的能量。愛因斯坦的
質量與能量的關係（即1克物質具有9×10[20]爾格的能量）說明太陽所儲蓄的總能量為
1.8×10[54]爾格。以現在的輸出率計，這足夠供給15萬億（1．5×10[13]）年，但以
質量變少，因而輸出率逐漸變小，這時間可能還要長些。由計算得知太陽的年齡5萬億
（5×10[12]）年。這是在質子與電子互相湮滅的假設下得出的結果，但上面說過，由
於阿斯頓的工作，由於正電子的發現，這個假設難能成立了。
1920年，阿斯頓對於氫原子量的精密測定說明，氫嬗變為別的元素時，可以得到大
量的能量，這樣便提供了能量的另外一種來源。在近幾年來，這個來源看來更加可能。
這個過程進行的方式就是在碳和氮的催化作用下，氫轉化為氦。
這樣所獲得的能量自然比由湮滅理論而得的少些，因湮滅用去太陽的全部質量，而
由氫嬗變為非氫只用去了質量的10％。於是太陽的輻射可以維持100萬萬（10[10]）年，
這樣長的時間已足夠滿足地質學者，雖然比較湮滅說所說的萬億年要短些。恆星的年齡
似乎也可能只是星系退行所需的時間的幾倍，我們得出的數量級約為幾十萬萬年，譬如
說2×10[9]年。如果考慮到引力收縮和放射物質所釋放的能量，這數字還可能大一些。
這個理論表明太陽和恆星具有穩定性。這是這一理論被人相信的原因之一。
我們可將這些數字和地球的年齡比較，這年齡是根據各種巖石裡放射元素鈾和釷與
其蛻變後的產物兩者的相對含量測定的。由這一研究求得地殼的形成當不晚於16萬萬
（1．6×109）年以前。
根據相對論，空間，或者時空，有某種自然曲率，這曲率在物質附近或在電磁場裡
便會增加。這自然曲率是與宇宙斥力等價的相對性。在單位距離，這宇宙斥力是一個宇
宙常數，常寫為Y。這個常數的值，可由星系的退行速度並同時考慮萬有引力而估計之。
取愛丁頓的數字，星系的退行速度與距離成正比，這速度是每百萬秒差距每秒500公里。
在15000萬（1．5×108）光年處，這速度是每秒15，000英里。在19萬萬（1．9×109）
光年處，它是每秒190，000英里，但是這個數字大過光速，顯然是有錯誤存在。也許愛
因斯坦的或德•西特的閉合的時空（其中沒有任何距離超過某一數量），可以拯救我們
的理論免於毀滅。
地質學
近年來，地質學的最重要的進展，是通過研究地球物理學而取得的。以物理學的方
法研究的結果說明，地球不恰是一個類球體，而是一個不規則的形狀，名叫「大地水准
面」（geoid）。由物理學的方法也獲得一些海陸表面下的知識。
在地面各處精確測量重力的結果，有一些異常的情況。傑弗裡斯（Jeffreys）認為，
這些異常的情況想必說明山岳不只為其下面的巖石所支持，而且部分地為地殼的力量所
支持。地殼有時受到很大應力。明內茲（Meinesz）等人在東印度附近乘潛水艇觀測，
發現地殼上有一窄帶，在不穩定的平衡狀態下，向下發生顯著的彎曲。布拉德
（Bullard）指出，非洲大裂谷一帶底部有重力反常現象；說明地殼的較輕物質，因變
山谷兩側的向內推力，而被擠下去。
地震觀測，包含近震與遠震兩種地震的觀測。近震波主要在地球表面或地殼內傳播，
而遠震波才經過地球的深層，有些甚至通過他心附近。傑弗裡斯認為，地震的研究，說
明地殼是相當薄的一層（大約只有25英里），地殼裡不同的物質分佈在不同的地層之中。
除了熟悉的凝結波與畸變波之外，現在又發現別的低速波。對這些波的觀測說明，不同
地區上有反射與折射現象，表明地殼內物質分佈的不連續情況。經過地球內部的遠震表
明，地核的半徑大於地球的半徑之半。需要固體介質傳播的畸變波並不重新出現於地核
之外；因此地核可能是液體的，據傑弗裡斯說，可能是鐵或鐵鎳的熔液。
地面下幾英尺的強烈火藥爆炸，可以激起類似天然地震的波動。用地震儀在若干選
定地點對各種波到達時刻加以記錄，可以測量其傳達的速度。有些波向下通過未凝固的
結構在比較凝固的層上反射回來，形成「回聲」，由其反射所需的時間，可以求得這些
層的深度。類似的方法可用以探尋油層，並用於海底地質學，以繪海底的地貌圖。美國
地質調查學會發明一種方法，從一個固定浮標上測量船隻的距離：一個小炸彈由船上擲
出，並記錄其時刻，聲音在海面傳播，使浮標上的一個揚聲器與一具無線電發射機開始
工作，揚聲器和發報機所發出的信號也在船隻上加以記錄；由這兩種記錄之間的時間差
便可推算距離。大部分美國沿海地貌是這樣繪成的；在大陸架與其外面的斜坡之間常有
鮮明的界限。靠了觀測波在巖層分界面處的反射，也獲得一些有用的知識，在軟的巖層
中間波行較慢，在硬的巖層中間波行較速。不列顛群島陸地是火成岩和早期水成巖的結
構，但其附近的海底是較軟和新形成的水成巖的結構，這些巖石在距岸150哩外，以百
噚（600呎）的測索測量，深度差可達8000呎之多。
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