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太空宇宙与地球的差异

2012-09-23  刘远景

太空宇宙与地球的差异

                作者:刘远景       (原载于“新浪博客”,原题目是:《天上人间》)

(2009-01-13 13:38:09)

这里并不是向读者介绍另一个世界有多么美好,而我们的现实生活是多么不尽人意。在这里介绍的是宇宙的千奇百怪,天际间很多现象是我们地球上的人无法想像的特殊。不读点现代宇宙学方面的书、天体物理学,不实际地观测天体,无论我们的想像力有多么丰富,多么大胆,我们都无法想像我们这个宇宙的神奇。

我们的地球上的普通人比较关注的天体只有太阳和月亮。因为这两个天体对于我们用肉眼看来比较大,又关系到我们的一年四季、白天黑夜、潮汐的涨落,特别是太阳,它给了地球上一切生物的能源,我们今天所使用的能源都是过去和现在的太阳所赐予的。大海航行靠舵手,万物生长靠太阳……”。即使是只关注赚钱,不关心客观世界的人,也不会忽视太阳和月亮对于人类的作用和影响。也许普通人不关心太阳是如何形成的,也不关心若干亿年后将会是什么结局,但是,所有的人都会关注现在的太阳和月亮,至少他会关心今天出门是晴天还是雨天。

我们应该知道,太阳系包括我们的地球只是整个宇宙的一个非常小的部分,太阳只是宇宙中极其普通的一个恒星。在宇宙中,象太阳这样的恒星还有上亿亿个。有些比太阳体积半径大得多,例如猎户座的α星,也就是中文名字叫参宿四星,它的半径是太阳的约900倍。有些恒星比太阳小,比如说有些恒星退出主序星后

变为了中子星,它的半径只有10公里左右,但是它仍然是恒星。

我们用肉眼所能够看见的星星,除太阳系的七个行星外,都是恒星。宇宙中当然有很多各种各样的物质,由于太远人用肉眼是看不见的,很多即使用现在先进的设备也看不到。那些遥远的恒星,它们好像离我们地球都一样远,或者说都一样高。其实,这些星星与地球的距离差别非常大。最近的是南门二星,人称比邻星,与地球只有4.35光年,如果你坐光子飞船到比邻星去旅游,四年多就到了。那是一个比我们太阳约大一点的恒星,它在南方偏东方向的半人马座。用肉眼能够看见最远的恒星,也就是刚才我们提到的猎户座的α星,它离地球有652光年。而太阳与地球的距离只有1.5亿公里,坐光子飞船8分钟就可以到达。也就是太阳照到我们地球上要经过8分钟左右的时间。即使真的有了光子飞船,我劝你也别去,太阳表面的温度实在是太高了,有6000多摄氏度哇!

人类用肉眼所能够看见的恒星有的虽说有数百光年远,但是那基本上都是银河系的恒星。而银河系以外的恒星、星系与地球的距离都超过十多万光年,比如说离银河系比较近的仙女座星云系,距离地球有220万光年,最近的大小麦哲伦星云系离地球也有16万光年和19万光年。600光年比16万光年这个差别真是太大了。所以,银河系以外的恒星,我们用肉眼是看不清的,即使看见也只是一小团星云。仙女座星云在晴朗的夜空能够看见,但那只是模糊的星云。视力差的人根本就看不见。虽然我们看上去只是一小块星云,可是它也像我们的银河系一样是一个庞大的旋涡星系,上面有3—4千亿颗恒星,直径约有10万光年。在直径长达100多亿光年的宇宙里,均匀地分布着像我们银河系、仙女座星云系这样星多达数亿个。

这里介绍的只是仙女座星云系,并不包括仙女座的其他恒星。仙女座星云系虽然与仙女座的恒星在一个视觉方向,但是它们与地球的距离差别非常大。仙女座的那些亮星都属于银河系,与我们地球的距离大约只有几十光年远。

这里还介绍一下中国民间传说中的两颗星----牛郎星和织女星。牛郎星在银河西边的天鹰座,俗称叫河鼓二,比太阳大一倍多,光度比太阳亮10倍,离地球16光年,离织女星的距离是14光年。织女星在银河的东边的天琴座,与牛郎星隔银河相望,体积是太阳的三倍,光度是太阳的60倍,与地球的距离是24光年。织女星离我们比较远,但由于它的光度大,体积也大,看上去比较明亮,是人用肉眼能看见的第五个最亮的星。关于牛郎和织女的恋爱故事纯粹是人们夏天乘凉时杜撰的。一是恒星是一团火球,没有情感,不可能谈爱;二是它们相隔远达14光年,不能在农历的七月初七的晚上在鹊桥上相聚。它们是离我们地球并不太远的两个恒星,如果它们真的相聚产生碰撞,那将给地球上的人带来巨大的天灾。织女星不但不会与牛郎星相聚,并且它正在向北极星方向运动,12000年后,它将取代现在的北极星,为我们晚上指明方向。而现在我们所看见的北极星其实是一个绕黄极不停运转的恒星,大约在2100年它将离开北极。

(一),一个充满等离子体的宇宙

我们生存的地球上的物质状态共有四种:固体、液体、气体和等离子体。前三种物态(即固体、液体、气体)在宇宙中是稀有的,而地球上稀有的等离子体在观测到的宇宙中却是最主要的物态。也就是说地球上的一块岩石、一杯水对于全宇宙来说,就象钻石一样稀罕。我们在读中学在作物理实验时,老师都教我们如何把液态的水变成固体的冰和汽体的水蒸汽。似乎物质的形态就只有这三种。其实物质的形态有四种,那就是等离子体。我们的太阳就是一个由等离子体为主的恒星。

等离子体由离子、电子及未经电离的中性粒子所组成。因为正负电荷密度几乎相等,所以从整体看呈中性。像火焰和电焊弧中的高温部分,恒星中的表层都是等离子体,电磁力在其中起主要作用,能引起和普通气体大不相同的内部运动形态,如电子与离子的集体振荡。从微观角度看,等离子体的相碰主要由带电粒子间的电磁相互作用占统治地位,自由电子补偿了带正电的离子的电荷,因此等离子体呈电中性。由于粒子的热运动,在小范围内可能呈现出对电中性的偏离,成为准中性的等离子体。太阳是一个巨大的等离子球体。宇宙中所有的物质的原子都经历过等离子体这一物态。在宇宙星系的前阶段,所有的物质以氢(和氦)等离子体形式而存在。宇宙中的大部分物质(非全部)在某些时期都经历恒星相。在热星内部通过损失氢而增加重元素。宇宙中物质的平均原子数是增加的,而核反应中的质量亏缺是恒星的主要能源。我们银河系绝大部分物质由恒星形式的等离子体所组成。星际尘埃仅占星际物质质量的百分之零点几。而星际物质大约是星系质量的百分之几。这是由于星系中还有大量的暗物质(dark  matter)。暗物质照英语的字面意思就是黑物质。天文学家们在估算星系中物质数量时发现,有些物质以暗物质的形式存在。当我们宇宙拍照片时,这种暗物质不出现在照片上,暗物质到底是什么?这个问题现在是粒子物理和宇宙学的一个存疑的问题。不过,有一点是肯定的,那就是它不发光,甚至其他光源照在它的表面时,它能吸收全部光,自然就不反射光。据宇宙学家按角动量计算,暗物质占宇宙物质总和的90%。如果仅有发光的物质,难以维持宇宙的角动量。

早期的恒星周围的星际气体被电离而形成HⅡ区,来自这些热星的紫外辐射维持HⅡ区的氢处于电离态,电子和质子的复合则发射射电谱线和很强的线。远离热星的星际物质呈中性,但是受到星际光子和宇宙线的作用也有轻微的电离,主要是低电离势的原子被电离。观察已经证明在中性星际气体中有自由电子。

所以,我们可以说银河系所有可观测的物质是处于等离子体态,星际尘埃仅占很少的部分。太阳系中的固体仅占百分之一。地球虽然是固体,但是地球的质量只占太阳质量的33万分之一,火星、金星、水星虽然也是固体的,但质量都很小。木星、土星、海王星质量大,可它们也是等到离子体。因此,电磁相互作用在银河系中占重要地位,我们所能够观测到的天体98%都是等离子体。

  (二),高温的恒星

我们的地球表层的平均温度是摄氏22度,地球上人工制造的最高温度的途径是核爆炸,能产生上亿度的高温。太阳的表层温度相对地球来说是很高的了(摄氏6000度),但是相对于宇宙中的其他恒星来说还不是很高的,只能算个不热不冷的恒星。温度过高是要消耗能量的,太阳之所以已经是46亿岁的高龄星球了,相对它的整个寿命还只能算个中年恒星。相对它的整个寿命来说,它现在还是个中年汉子。其原因是太阳不太热,释放的能量不太快有关。如果像那些变星那样高速地释放能量,早就到了风烛残年了。这要感谢太阳公公平时保养身体,不过分地消耗能量,以让我们能够长久地从它的身上吸取能源。

宇宙现在的温度高低不一致。当恒星脱离主序期后,温度会出现中心由于收缩升高到一亿度到五亿度,表面温度会降低成为红巨星。由于氦核开始聚变为铍核,铍核又很快和另一个氦核反应结合成碳核,这两种反应都产生光子在氦核聚变阶段里,恒星内部物理状态发生改变导致外层的收缩,使恒星表面面积减少,表层温度升高。这时,恒星就结束了红巨星的阶段。我们的太阳将来也要经历红巨星阶段,这一阶段的时间大约持续10亿年。那时,光度会比今天高几十到一百倍,我们的地球的温度升高到今天温度的二至三倍,北温带也就是北京地区以北夏季的最高温度会接近100度。不过,我们不要担心,那至少是30亿年以后的事。到那时,地球上的人类早已经不复存在了。

恒星经过红巨星后,就进入脉动变星阶段,然后就进入爆发阶段,持续数万年地抛射大量的物质,光度迅速增大,排斥力克服吸引力,到了恒星晚期,当内心温度升高到几十亿度,密度升高到水的一亿倍以上时超新星爆发时,内部的温度能达到一万亿度。但由于超新星爆发会产生大量的中微子从中逃出,它会带走大量的能量,使温度迅速降低,一秒钟后就会降到一百亿度。一千年后左右降到一亿度,再变到不发光的黑矮星为止。这是说的那些超大恒星。我们的太阳由于质量比较小,发生这种现象的可能性小,应该说,不会发生。

(),高密度的天体

我在中学上化学课时,老师说,任何物质都有空隙,我们可以把喜马拉雅山使劲地压,压、压、压,一直把它压成一块饼干大小装进口袋里。当时我虽然相信原子中电子与原子核之间是有非常大的空隙的,但说能把喜马拉雅山压成一块饼干,真佩服老师的夸张能力,觉得好笑。认为那是不可能的事,到哪里去找那么大的压缩机呀!

地球上的人间没有那么大的功率的压缩机,但宇宙的自然力把喜马拉雅山压缩成一块饼干那是非常容易的事。通过恒星的高速运动能把两个太阳大小的的恒星压缩成不到十公里直径的中子星。按这个比例压缩,我们的地球能压缩成只有一厘米直径的小弹子球。我们的太阳可以压缩成直径只有六公里的天体,喜马拉雅山放在那里一压缩,可能只有针尖那么大了。

1967年,人类发现一种新的天体----称作脉冲星。这种星发出很强的无线电脉冲,慢的几秒钟发出一个脉冲,快的一秒钟能发出几个到三十个脉冲,一个脉冲发出的总能量有的达到30×1035尔格,这比地球上最猛烈的火山爆发时所释放的能量还要大几亿倍。按目前全世界的用电量,脉冲星一次脉冲的能量就等于全世界一亿年的用电量。

公元1054年,也就是宋仁宗至和二年,我国在金牛星座发现了蟹状星云。中心那颗恒星就是一个脉冲星。到现在,已经发现了几百颗脉冲星,这些脉冲星都在银河系内。这些脉冲星的特点就是:自转快、磁场强、密度大的中子星,其外层的密度就有水的一千亿倍。密度向内增加,到了中心部位,密度增加到水的几百万亿倍到一千亿倍。恒星的密度超过了水的密度的一千亿倍时,电子的能量就大到足以能够打进质子内,和质子结合成中子,质子的正电荷就消失。由于这种超密度的恒星是由中子组成,所以称为中子星。中子星的外壳具有晶体结构,内部处于超流状态的中子,夹杂着少量的质子和电子,接近中心的部分可能有一些超子,这是一些比中子和质子都大的基本粒子。

中子星的质量不超过太阳质量的三倍,由于密度大,所以体积很小,半径只有几公里,磁场强度高达一万多高斯以上。而太阳的磁场没有超过二高斯。中子星自转快,由于中子星磁场强,其表层的高能电子会产生强大的辐射。如果中子星的高能电子多的那部分向着地球,我们会接受到一次强烈的脉冲辐射,这对人类和生物将是不利的。

通过抛撒物质而变成的中子星有一个质量极限,约等于三个太阳的质量。小于这个质量的恒星可以直接演化为中子星,不经过爆发;大于这个极限的恒星通过爆发减少质量而成为中子星。如果爆发后质量仍然大于三个太阳的质量,恒星就继续收缩到几何半径,小于所谓的引力半径时,恒星就成为黑洞。引力半径的公式是:

       引力半径==2GM/C2

G为万有引力常数,M为恒星质量,C为光速。

对于太阳的引力半径等于:

      2×6.67×10×1.99×1033/(2.998×1010)23公里。

也就是说我们的太阳今后的引力半径只有三公里。由69.6万公里收缩到只有三公里,小了二十三万倍。

如果照这样收缩,我们的地球会收缩成怎样呢?

      2×6.67×108×5.97×1027/(2.998×1010)2 =6毫米。

回答是地球如果引力半径收缩后只有六毫米半径大小了。

当然,地球不是恒星,只是行星,也没有那么大的的质量,自然也不会变成中子星。也不会单独地变成黑洞。但是我们的太阳完全是可能在几十亿年后成为中子星的,我们可以看到,大自然的力量是多么神奇呀!

当一个恒星变成了中子星,它的密度就高得惊人。在收缩的过程中,肯定会失去一些质量,但是,当物质的密度达到水的一千亿倍时,一立方厘米的物质会超过十亿吨重。比方说一个打麻将的骰子大小的中子星物质,用地球上的磅秤称会有十亿吨重。这样的物质,地球上没有任何地方能够承载,即使用一米厚的钢板垫在中子星物质的下面,也同样如针插在水里一样。会在地球上穿出一个洞来,由于地球的引力,它又会被吸引回来,重新在地球上穿出一个洞,并且会这样反复地进行,那么,地球就成筛子,到处都是洞。

     (),高速运动的宇宙

地球上能看见的固体物质的运动得最快的应该要算是枪支射击的子弹,它每秒钟飞行的初始速度达1000多米.当然,也能看见光的运动,那是每秒钟30万公里。但我们平时生活中没有把光从光源到照明点这一过程当作是一个运动过程,人们的视力通常把光的短距离运动忽略不计。

在宇宙中,每秒1000米的运动不算什么高速运动。请看以下天体的运动速度:

1,地球赤道自转线速度是每秒4638米,公转线速度是每秒30000米;

2,太阳绕银河的银核公转速度是每秒25万米;

以上是太阳系的运行速度的举例,即使是太阳以每秒25万米在速度公转,相对于宇宙中的其他天体的退行(分离)来说,也是慢的。比如:

3,编号为4G0534的类星体的退行红移值Z2.877,按红移值Z1=光速计算,那么,它的退行速度等于每秒86万公里。如果除以2,也等于43万公里;

4,编号为PKS2000-330的类星体,其退行速度红移值Z=3.78,它的单边退行速度应该是113.4万公里÷2=56.7公里.即这个类星体以每秒56.7万公里的速度运动;

5,最近几年观测到的红移值Z=6的类星体,其退行速度应该是6×300000/2=90万公里,即每秒90万公里的速度退行;

6,距离地球6300光年位于金牛座的蟹状星云,是我们银河系的一颗恒星爆发后的残骸,900多年前就发现它爆炸了,现在这些残骸还正以每秒四万公里的速度向四面八方膨胀扩散,这个速度也是子弹速度的四万倍。

一颗子弹以每秒1000米的速度从我们身边飞过,我们会听到的一声,感到很吓人,如果一个物体以每秒1万公里的速度从我们身边飞过,那个声音的频率应该更高,耳朵会有一种被针剌的感觉;如果以光速的速度多我们身边飞过,即使我们是站在真空的环境里,那会是一种什么感觉?很难想像!

按爱因斯坦的相对论,如果我们乘光子航天器飞行,时间就会停止。如果我们在乘坐在这种飞行器上不下来,就会永远保持现在这个年龄。如果这种飞行器比光速更快一些,我们乘坐在这种飞行器上,就会变得越来越年轻,乘坐一年后,我们会由四十岁变为三十岁,返老还童。如果我们乘坐的飞行器飞行速度达到光速的两倍,乘坐一段时间后,我们就会回到过去,看见我们的祖先。

照此看来,回到过去并不是不可能的事,而是我们现在还不具备这个条件。如果条件具备了,可以把秦始皇的遗体放在超光速的飞行器上飞行,他也许会复活;学历史的教授们乘坐超光速的飞行器,也许能够看见三皇五帝。

说到这里,天上(太空)与人间(地球)主要有以下几种不同:

一是物态不同。宇宙中主要物态---等离子体---地球上稀有,而地球上的三种主要物态气体、固体、液体宇宙中又是非常稀有。地球上气体、固体和液体占所有物质的99.9%

二是温差很大。地球表面平均温度是22摄氏度,冶金温度也没有超过4000度,核爆炸能达到一千万度,而宇宙中的恒星到达晚期温度可以达到五亿度。在宇宙大爆炸时,温度曾达到100亿度。

三是密度相差大。地球平均密度是每立方厘米5.5克,最大的密度也没有超过每立方厘米15克。而宇宙中现在发现的最大密度的物质超过每立方厘米20亿吨;

四是地球上物质是慢速运动,宇宙中的物质大多是高速运动。

 

   

最高温度(摄氏度)

最大密度G/cm3

最高速度KM/

 

固、液、汽

1000(曾经)

   15

公转29

 

等离子体

   100亿

  20亿吨

光速的6

差别就是这样大。我们生活在地球上的人所经验过的知识是那样的少,真有点井中之蛙的意思。

 

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