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第二十三章 密度波理论（第1页）

（此章为番外介绍篇）

现在我们要更进一步，来了解这些旋涡臂、新生星诞生等问题，首先要提醒大家，星系旋转一周，大约须时二亿五千万年，所以天上的涡状星系在我们蜉蝣生命之中是丝毫不变的，旋涡臂如何旋转，无法直接观测，但是我们知道这些星系都有很强的较差自转。如果这些旋涡臂随著臂中的星星气体绕中央转动的话，里快外慢只消一两周，旋涡就旋紧数倍。但是我们看到的涡状星系多半有三十周的历史，而他们旋涡臂的距离多半很松，毫无旋紧现象，这个事实叫做旋紧矛盾（windingdilemma），它成了研究银河结构理论家的核心问题。有些人认为是磁流（hydromagnetics）造成，又有些人说银河气体会跑出银河面，再从外围跑回来，但是解释来，解释去，仍无法解决。

瑞典天文学林德柏在二、三十年前就留意这个问题。他算了很多星球运行的轨道问题，这些经验，使他隐隐约约的想到，旋涡臂也许不是物质臂（materialarm），即随臂中的物质银河运行而周转，而是密度波之呈现。我们都熟悉水波，波起时，有起，有伏，起伏朝一定的方向，用一定速度前进，林德柏觉得也许旋涡臂是这个密度波的密度较高处（有如波纹之高出水而者），涡臂间则为密度波的密度较低处（有如波纹之低于水面者），而这个密度波沿星系自转方向以一定的角速度前进。星体与气体流进旋涡臂，再流出去，就像水面上的叶子上下漂浮一般。这样一来，整个银河系虽在转动，但旋涡臂却不会被旋紧了，好像流水上的波澜在流水上滚动前进一般，在短时间并不为流水拉远或拉近。

这个想法固然佳妙，林德柏花了二、三十年仍不能有所成，主要的原因他对星体动力学中的合作现象（cooperativephenomenon）认识不够，虽有良田美玉，不得所用。这问题到了旅美中国科学家林家翘，才次第解决。林家翘不仅从理论上著手，证实这种旋涡密度波（sprialwaves）之存在。并且从天文观测中找到证据，支持他的立论。他的研究使天文学进入崭新的一页，海内知名的荷兰籍天文学家包克（b.j.bok）在三十年代中，望涡状星系而兴叹。「那一个能在我有生之年，告诉我旋涡臂到底是怎麼一回事」。他现在才六十出头，答案已清清楚楚的放在眼前了。密度波造成的涡状结构观念已经被人普遍的接受了。

去年九月在瑞士巴索（basel）举行专门以银河系结构为名的国际天文会议，几乎无人提出异议。当然这个问题并不如想像的单纯，其中牵涉极广，限于本文的篇幅，我们在这儿只大体谈谈。密度波可以运用到任何一个涡状星系上，因为我们对银河系的知识最周全，所以目前重点放在银河系上。根据密度波的理论，我们可以推算出－个具有二个旋涡臂的波式（wavepattern），这个波式起于四千秒差距，密度波绕银河中心的角速度叫式速（patternspeed），银河式速只有银河自转（以太阳为准）的一半，涡臂中总密度比平均密度大十分之一而已，这十分之一主要是由星际气体与低速星球所造成，因为低速星球多半是新生星，所以涡臂虽然质量并不太多光度却甚强。

然后再看星球为什麼在涡臂中诞生，那是因为式速比自转为低，假如我们跟著式速转动，看见气体与星体流入旋涡臂中，当星际气体流入涡臂时，涡臂本身的重力场，会使气流形成一个冲激波（shockwave）这个冲激波使氢气云（hiclouds）周围压力陡增数倍，很多氢气云本来无法凝聚成星的，现在都被压缩成星，所以新生星不断在涡臂中产生出来。星体因其质量不同，演化（evolution）时程也不一样，o，b型的新生星，演化很快，光度特强，但一亿年就寿银河终正寝，不复见矣，一亿年的光景，这些星还跑不出涡臂的范围之外，所以涡臂永远被新生星点缀著，这点正说明了前一节的第二个问题，同时可以算出这个冲激波超过一万二千秒差距就失去了力量，所以银河系的涡臂只延伸到一万二千秒差距，这点正与观测相吻合。

另外密度波的理论，发现二个主涡臂是不可避免的结果，这点也是与所有观测符合，除了这些重点之外，密度波对星际磁力场，宇宙线，星际尘都有极合理又与观测一致的安排，所以这个理论一出，造成天文界洛阳纸贵的现象，林家翘为国人争光，不让杨李专美。密度波的理论是建立在星体力学（stellardynamics）上、星体力学与等离子物理（pla**aphvsics）的基本原理是是不可分割的，等离子物理主要的目的在控制核反应，使原子能能用在工业上与日常生活上，这工作如果做成了，别的不说一加仑海水里所包含的重氢（deuterium）用来作燃料，可以开汽车走遍中国不要加油，用来烧饭，可以烧几年。

其重要性是不必言喻的，现在各国都在花钱发展等离子物理，但是这门学问之难，难于上青天，这麼多年的努力，成果渺乎其小，尤其做实验，费钱无算，而困难重重，星体力学与等离子物理在理论上非常相似，星体间是以重力互相牵制，离子与电子是以电磁力互相牵制，普通星系都有自转，这点又与等离子有外加磁场相同，所以研究星体力学与解决等离子物理有相互关系，密度波理论之成功，很引起等离子物理学家注意，因为有些实验，不是有限的金钱力量可以做的。但是这些实验可能大自然已经替我们做好了，放在天上，只要等我们去观测。当然目前这两门学问离沟通之日尚远，但是从科学的发展史来看，这一天的来临是不会太远的。我们从这个角度看去，天文学家存著这种理想去研究大自然的现象，他们不仅不是只图空想，不务实际的人，而是时代的拓荒者。进行在线转换。

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