人类对太阳的不懈探索 -- 读《千亿个太阳》(上)

2015-11-13 21:58:33   最后更新: 2015-11-13 22:47:38   访问数量:1257




工作之余,放眼窗外,陷入一阵沉思

记得小时候,还在读小学的我就听身边的同学神秘兮兮的说“埃及金字塔是外星人给建的,最大的那座他的高度乘以一个整数刚好是地球和太阳之间的距离”,当时觉得好神奇

等到大约初中的时候吧,得知古希腊哲学家就已经计算出地球到太阳之间的距离了,不禁感叹两千年前的古希腊就已经有如此的文明之余也在想,他们究竟是怎么计算的呢?如果这么说的话,是不是意味着胡夫金字塔是当时已经知道地日距离的情况下刻意使用这个结果除以一个整数作为高度呢?

 

本周又再次拿起了鲁道夫·基彭哈恩的《千亿个太阳》,七八十年代的一本科普读物

记得初中二年级的时候,学校里的图书室落成,主要以自习为主要目的,有大约十来个书架的书在仓库里,我们可以根据书单上的书名抵押借书证免费借阅

开馆第一天,就兴高采烈的拿着新办的借书证去借书了,看了半天书目,也没有决定想要借阅哪一本,突然目光所及,扫到一本《千亿个太阳》,那时有一本杂志,名叫《奥秘》正让我读的津津有味,上面主要介绍是一些未解之谜,让还是初中生的我大开眼界,而此时看到的这本名叫《千亿个太阳》的书究竟会讲什么呢?难道是构想如果地球的上空有一千亿颗太阳会发生什么吗?还是说天上有一千亿颗恒星呢?无论如何吧,借来再说

 

如今,再次翻开这本书,还能够想起当时读起他的震撼,仿佛进入了一个从未了解过的崭新世界,初二的一个学期中,先后又读了格林的《宇宙的琴弦》霍金的《时间简史》《果壳里的宇宙》,仿佛有一座座大门在面前突然敞开

然而,初二的我迫于升学的压力,受限于知识的缺乏,很多地方无法理解,也很难有深刻的记忆,如今重读起来,别有一番感触

 

仰望苍茫的夜空,繁星闪烁,一条浩瀚的银河斜贯天际,那就是银河,从古到今,无数伟大的诗人、哲人描写过这条银白的带子,那是人类梦想的所在,也有无数的人猜测过他的由来

直到 18 世纪,伟大的哲学家意马努埃尔·康德写道“我们之所以看到天空中的银河是带状的,那是因为我们站在盘子上”,直到两百年后,人类才终于通过观测,证实了银河系的存在,宇宙正是由无数个这样的圆盘所构成,他们就是星云,而在银河系中,又有着上千亿颗恒星,这些恒星和我们的太阳又有着什么样的关系呢?《千亿个太阳》就此娓娓道来

 

小时候的我凝视天空,也曾经想,太阳究竟是什么,为什么会发光,从何而来又会发光到什么时候呢?没有人能够告诉我答案,而回答往往是“太阳就是一个大火球,永远都烧不完”

在两千多年前,古希腊的哲学家曾经也想过同样的问题,究竟太阳离我们有多远,月亮又离我们有多远呢?

 

公元三世纪,伟大的希腊哲学家、数学家、天文学家阿里斯塔克通过观测月食,将地球、月球、太阳三者建模为三角模型,通过现在看起来很简单的三角函数,计算出地月距离是地球直径的三十倍,而在此之前,古希腊天文学家埃拉托西尼根据不同纬度的太阳阴影测量得到地球的直径,这样他们就得到了地月距离,通过月偏食的持续时间,我们也因此可以估算出太阳的直径和地日距离

真是为古希腊人的天才而折服,虽然他们的观测手段有限,结果并不能非常精确

今天,我们通过发射激光,计算激光到回来的时间*光速/2就得到了地月距离与地日距离

 

 

1687年,伟大的自然科学家牛顿发现了万有引力定律:F = GMm/(R^2),而随后卡文迪许通过复杂精密的实验测算出 G 的大小,因此,通过 GMm/(R^2) = mv^2/R 带入地日距离(地球轨道半径)就可以计算出太阳的质量了

卡文迪许晚年,通过精密的仪器,终于测量出了地球的精确质量,这份执着真的是令人钦佩,正是一位位伟大的科学家的执着,为人类历史谱写了这一首气势雄浑的史诗

 

然而,令人不解的是,10^28吨的太阳质量是无法支持他辐射这么久的,如果太阳是煤炭构成,只要五千年,太阳就会烧尽,而在地球上发现的35亿年前的藻类化石说明,太阳至少已经像今天这样燃烧了35亿年了

如果是小行星撞击太阳而补偿太阳燃烧的消耗,那每年都需要有1/200地球质量的小行星撞上去,太阳早就不可能安分的呆在那里了

直到20世纪,人类发现了核能,才终于可以解释,10^28吨的太阳可以燃烧一千亿年,通过太阳密度计算,太阳只有 10% 到 20% 的氢用于核聚变,而当他们燃烧 70% 以后,太阳将会发生明显的变化,因此事实上,太阳可以稳定燃烧 70 亿年左右

 

可是,这一切都只是猜测,因为据估测,太阳内部的温度只有四千万度,是不足已让原子核活跃到四个氢原子同时相遇并发生核聚变反应变成氦

 

隧道效应与碳循环

20世纪中后期,伽莫夫发现了隧道效应,在实验中,理论上不会发生的核反应确实可能会发生,氢原子核有一定几率会进入其他原子核并与之发生反应,这样,就可以解释恒星内的反应了:

  1. 在四千万度的低温环境下,一个氢核与一个碳原子核发生聚变,生成一个 N13 原子核
  2. N13 原子核很快会衰变成一个 C13 原子核,同时释放出一个正电子和一个中微子
  3. 而当一个H原子核轰击这个C13原子核的时候,他们又会聚变为一个 N14 原子核
  4. 当这个 N14 原子核再次受到 H 原子核的轰击,就会聚变成一个 O15 原子核
  5. O15 原子核很快会衰变为一个 N15 原子核,同时释放出一个正电子和一个中微子
  6. 当一个 H 原子核轰击这个 N15 原子核,他们就会聚变为一个碳原子核和 1 个 He 原子核

 

 

这样便顺利完成了由 4 个氢原子核聚变为 1 个氦原子核的核聚变过程,而碳原子还是那个碳原子,在整个过程中它充当了催化剂的作用

所幸的是,太阳内部氢原子核的含量非常高,加之催化剂的存在,这一过程可以顺利进行

 

这一过程在 1938 年由贝特和冯·魏茨泽克发现

 

那么,充满氢原子的星级环境中,C 原子是从哪里来的呢?

事实上,另一个核聚变反应也在发生:

  1. 两个氦原子核聚变为一个玻原子核
  2. 一个氦原子核和一个玻原子核聚变为一个碳原子核

 

质子-质子链

1938年,汉斯贝特和查理斯·克里奇菲尔德发现了质子质子链反应,可以在温度更低的一千万度以下实现氢核聚变为氦:

  1. 两个氢原子核聚变为 D,并释放出一个正电子和一个中微子
  2. 一个氢原子与一个氘核聚变为一个 He3 核
  3. 两个 He3 核聚变为一个 He4 核并释放出两个氢原子核

这样也顺利实现了 4 个氢原子核聚变为一个 He 原子核的核聚变过程,并且他可以在一千万度以下的低温中进行

 

 

接下来,一个新的问题就出现了,既然你说太阳内部发生着上面的两个核反应,那么你是怎么知道的呢?仅仅通过地球表面上的物理实验就可以信誓旦旦的说太阳上发生着相同的核聚变反应吗?显然是不行的

我们没有办法捕捉太阳上核反应的终产物来证明科学家的猜测,但是我们却可以捕捉中微子,中微子的质量极其微小,甚至一度被科学家认为是没有质量的,他可以轻易地穿过地球,那么只要我们可以计算辐射到地球上的中微子数量,就可以知道上述两个反应是否在进行了

然而,十分遗憾,从 20 世纪 60 年代开始,就有着很多实验去捕捉中微子,而结果捕捉到的中微子仅仅是理论的 1/3 到 1/2,几十年来,成为了困扰科学家的难题,有着很多猜测和假说提出:

  1. 太阳上正在进行着我们所不能理解的另一种反应产生能量,核能只占所有能量的 1/2 左右
  2. 我们捕获中微子的手段不够先进,只能捕获某一种类的中微子,而中微子有很多种类
  3. 捕获实验中有干扰条件
  4. 中微子会在来到地球的过程中发生变化

 

这个世纪难题困扰了很多科学家,同时,很多发达国家不惜动用战备物资用来进行相关的检测环境搭建

直到 2001 年 6 月 18 日,中微子震荡被明确证明,同时,也通过实验验证了中微子质量的存在,同时,根据中微子震荡的计算,太阳中产生的中微子数与上世纪的理论值完全相符,世纪难题终于被揭开

2015 年,麦克唐纳凭借中微子震荡理论的实验结果获得了诺贝尔物理学奖

 

蒙在太阳面前的面纱终于被掀开,就此,一个不停地发生着核聚变的大氢气球展现在了我们的面前,然而人类探索的脚步却从未停止

 

英国诗人波普为牛顿写的碑铭说:“自然和自然的规律,都藏在黑暗的夜间;上帝说‘让牛顿降生’,使一切变得灿烂光明

人类在自然科学的领域里一路走来,从几千年前一直到两百年前进入量子物理,中间一步步的探索,无数伟大的物理学家化学家为之倾注青春,回首望去,一部浩大的史诗历历在目

我们感谢上苍的赐予,更加感谢先人的探索,这个世界还非常的奇妙,人类面前的道路依然无比漫长、充满艰辛,伟大的造物主说:想要我的财宝吗?想要的话可以全部给你,去找吧!我把所有财宝都放在那里!

 






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