天文发现十八法（下）

（选自《天文爱好者》1995年第五期。作者李启斌）

本文的上半部分，介绍了发现天体的方法和测量天体特性的方法。这一部分着重讲述推理的方法以及创新乃至突破的方法。

由于天文学的研究对象是不可接触的，不能把天体拿来做实验，按照我们的意志，按照认识的需要去测量它们的特性。可以说，天体向我们表现什么特性，我们才可以得知什么特性，因此，天文观测结果往往不是天体特性的全部，在这种情况下，为了认识天体的本质，推理就显得特别重要了。天文推理，是建筑在逻辑推理的基础上，而又高于逻辑推理的复杂推理。更确切地说，天文推理的特点还不在过程的复杂，而在于它的巧妙。下面先谈几种天文学推理的方法。

（10）列谱成序

按照天体的某种特性或参数排成一定的谱序，从外在序列性求知内在特性的序列性。所谓序列，就是把客体按照某种特性排列起来，形成一个特性连续变化的群。在对恒星进行光谱观测后，发现恒星光谱中的一些谱线的相对强度有序列性，即可以排成一个连续的渐变序列，按照这种序列把恒星分为O、B、A、F、G、K、M等光谱型，后来发现有一个因素制约这个渐变序列的次序，这个因素就是恒星内部的温度：O、B型星温度高，K、M型温度较低。后来又把恒星按照光度的强弱分为几种光度型。把光谱型和光度型结合起来，恒星又排成一个二维的序列，这就是赫罗图。恒星演化理论建立起来后，发现赫罗图表现的是恒星演化的序列。

（11）关联探律

通过寻找各种特性的相关性，从而找出规律来。这是找出客观事物规律的最普遍的方法。如从行星位置与角速度关系导出开普勒定律。又如哈勃发现星系红移与距离有关系，即星系的距离越大则其红移越大，从而得出红移与距离成正比的关系，这就是哈勃定律。由于红移代表天体远离我们的速度，从而得出了宇宙膨胀的结论。对于变星，有两个最重要的参数，一个是光变周期，一个是它的光度，20世纪初观测造父变星时发现了它们的周期和光度之间有明显的关系，叫做周光关系。造父变星的周光关系成为测量河外星系距离的基本方法。

（12）限值定类

由某些临界值判定天体的性质。例如，恒星核心坍缩后，可能有三种结果，即白矮星、中子星和黑洞。如果坍缩的核心大于1.4个太阳质量，就成为中子星，如果超过3.2个太阳质量，就会形成黑洞。白矮星和中子星的分界点是质量的极限值（1.4个太阳质量），这个极限叫做钱德拉塞卡极限，中子星和黑洞的分界点叫做史瓦西极限，即3.2个太阳质量。从这两个极限值可以确定恒星核心坍缩之后会变成什么天体。前面说到，天文学家寻找黑洞的一个判据就是质量超过3.2个太阳质量这一极限值。在研究恒星演化时，有一个重要的极限值，叫金斯极限，分子云的密度超过这个极限值，就要发生引力坍缩，从星云状的坍缩成星球状的天体。

（13）周期寻根

从周期重复现象中寻找它的根源。在天文学领域中可以找到很多周期性的重复现象。产生天文周期现象最普遍的原因就是旋转，旋转是天体十分普遍的特性。太阳、行星、卫星都会自转。卫星绕着行星公转，行星又绕着太阳公转，于是就都有自转周期和公转周期。太阳又绕着银河系中心公转。天体中还有一种引起周期性变化的原因，即脉动。是膨胀和收缩交替形成的周期，最典型的例子是造父变星的光度变化周期。每观测到一种天文现象的周期性，在寻找周期性的根源时最优先考虑的是自转、公转和脉动。在发现脉冲星时，注意到这种信号出现时间每天提早4分钟，也就是说跟恒星一样东升西落，于是判断它不是地面上的干扰，而是来自天体的信号。后来又在探寻其脉冲信号周期性时推断出它是快速自转的天体。什么天体能在不到一秒的时间自转一周？于是就考虑到只有坍缩使转动惯量减少而导致自转周期变快，从而推断这种天体应该是坍缩星，于是就把观测事实同1930年代提出的关于超新星爆发后坍缩成中子星的理论联系起来，加上与中子星其他观测特性对比完全符合，遂证实脉冲星为中子星。

（14）聚类求同

把某种重要特性相近的天体归为一类，寻求它们的其他共同特性，追溯能说明全部共同特征的原因。如果归为一类的天体只有一项共同特性，往往难以找到其产生共同特性的原因，即使找到了某种解释也不足以确信。如果尽可能地找到更多项共同特性，从各项特性分头去追溯其起因，就有了更多的机会。如果这些各路追溯都归到了一个共同的起因，就可以得出结论也可以确信了。例如1970年代发现了X射线暴，有一类X射线暴在一秒钟内达到极大值，峰值X射线流量大于每秒10³⁷～10³⁸尔格之多。要解释X射线暴的起源，首先要解释的就是这一共同特性。但也不能只解释这一特性。X射线暴的持续时间、爆发能量和宁静能量的比值等六个方面都有共同性。从几个特性都归结为中子星吸积物在中子星表面堆积而产生的薄壳核反应理论。也就是说满意地说明了几个共同特性，就成为公认的解释了。

（15）拟算解秘

从观测事实和物理定律，拟出天体结构的模型或演变的图像，衍生出若干推论，与更多观测事实比对或与新的观测相验证。恒星演化理论就是一种通过模型的计算和拟合来发展的理论。首先是根据引力理论和流体力学以及辐射理论来建立恒星模型，在没有找到充足的能源前，这种模型连最起码的一个观测事实，即太阳能够连续燃烧几十亿年也不能解释，在核聚变反应理论提出后，计算出来的恒星模型不仅与太阳的观测事实相符合，而且解释了恒星在赫罗图上的演化路径。最奇妙的是1930年代根据恒星演化理论推断出超新星爆发后可能形成中子星，到1967年果然发现了中子星。一个理论模型的成功不仅要解释现有的观测事实，而且要能预言某些现象，然后被观测所证实。

天文学中还有一些克服时空限制、察知不可见的事物、追溯远古历史乃至摆脱自身限制、更新观念等一些特殊的方法，这些方法已不属于推理的范畴，而应该说是一种大彻大悟的方法。

（16）时空替代

不能超越时间看到一个天体亿万年的历史，但空间和时间可以互相转化，通过观测不同的空间可以追溯到久远的时间。例如，在宇宙中存在着不同年龄的天体。把它们按年龄顺序排起来构成一个序列，从而替代单一天体演变序列研究天体的历史。用这种方法建立了恒星演化的历史。又如，由于光速有限并且是常数，每秒30万公里，天体的光传到我们这里需要很长时间。这就是说，我们观测到的天体的样子，不是它的现在而是它的过去，距离越远，光走的路程越长，过去的时间越久。所以我们观测的天体越远，我们就看到天体的样子属于更古老的年代。这样，就通过空间距离的推远，转换成了时间历史的追溯。

（17）自限解脱

人们对天体的认识受到人本身所处的客观现实的局限，认识这种局限，摆脱这种局限，就会导致新的突破。人生活在地球上，受这个地位的限制察觉不到地球在运动，以为星星都在一个以大地为中心的球面上运动。行星的运行轨道又很复杂。于是，托勒密及其信徒用所谓“均轮”和“本轮”的方法来解释行星的运动，结果用了80多重轮子，也不能使计算结果与观测相符合。哥白尼却完全不从增加轮子或改变轮子形状的角度来解释行星的运动，他对“地心说”提出了怀疑、否定，然后建立了太阳是行星系统的中心，地球绕太阳公转的日心说。由于否定了错误的“地心说”大前提，找到了正确答案，简明而准确地解释了行星的运动。这一重大突破来自于对一个前提性局限的突破。人们常常受到了某种局限性而不自觉。能够突破不自觉的局限和错误的隐含前提，正是一些大师产生观念性革命的方法论上的特质。

（18）大谬知新

从现行理论的判断推演出的结论与观测事实有矛盾，而意识到必须代之以全新的观念。20世纪初，天文学家观测到一些星云有一些特殊性质，一是这些星云的谱线的红移值很大，说明它们以很高的速率远离我们，如果它们是银河系的一部分，早就应该退出银河系边界以外了；其二是在这些星云中发现了新星，如果星云在银河系之内，这些新星光度也就比其他新星小得太多、太特殊了。由于这两个推论的荒谬，使柯蒂斯顿然醒悟，提出了全新的观念，即这些星云根本就不在银河系内，而是在银河系外很远的地方，从而产生了“河外星云”的观念。后来被哈勃利用造父变星测定它们的距离而证实了，人类对宇宙范围的认识大大推进一步。从现行理论推演出的结论荒谬到极点的时候，勇敢的人能摆脱现行理论，提出全新的观念，这是大彻大悟的方法。

天文学方法论之丰富，一方面是由于天体的性质涉及一切自然科学的研究范围，因而它博采一切学科方法论之精髓，另一方面是由于天体不可接触，迫使天文学家必须善于观察，并且通过观察提取出信息。天文学家发明了许多探测不可捉摸的天体性质和察觉观测不到的天体的方法，巧妙地建立并应用了关联性，发现了独特的推理方法。而天文方法的最高境界是观念革命，观念革命的许多著名事例如哥白尼、牛顿、爱因斯坦等，不仅在自然科学的观念革命中起了重大作用，而且也在人类思想史上写下了光辉的一页，天文方法对方法论贡献之重大，远非本文所举十八法所能概括。

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