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这一讲的内容是星光从哪里来，像我们谈得很多的是黑夜和星光。 我们想看到天上的星星，，通常不会选取在一个月朗星稀的夜晚。 但是随着这样一个人类文明的进展，城市的星光是越来越暗淡，因为有天光的污染。 我们会问星光从哪里来，什么是恒星？ 从恒星这个恒，看到它代表的永恒，它至少有双重的含义。 它从时间的角度来看，它应该是长时间的存在。另外，它应该是处于一种，稳定结构的恒星。 我们可以给它一个简单的定义：恒星它是由炙热气体所组成的，自身能够发光的球状和类球状的天体。 满足两个条件： 是一个自引力束缚系统 一定存在有能源 如果这两个条件发生破坏的话，恒星就会产生演化。 所以说恒星的一生从某种意义上来说，它像是跟引力抗衡的一生。 这是一本非常著名的一本科普读物叫《千亿个太阳》 它讲述对象就是我们银河系内，像太阳这样千亿颗的恒星是如何的诞生、演变和衰亡的。 那么右边这幅图，我们所看到的，像是我们银河系内的球状星团，它实际上是由上千万颗恒星所构成。 那么像这么多的恒星，它可能会表现为不同颜色。 我们在这里问，星光它到底从何而来？那么对于这样问题我，们可以把它换得到更加的集中一点。 我们可以问太阳光从哪而来？ 因为太阳它也是一颗恒星，是一颗普普通通的恒星，离我们人类最近的一颗恒星。 这里展示的太阳的结构，从内往外会包含着核区、辐射区和对流区。 然后太阳的表面落在光球层，光球层以上是它的冕区，当然这光球上还有黑子等等，各种各样的结构。 首先问大家一个问题 你觉得太阳它是透明的吗？实际上太阳是一个高度不透明的天体，我们肉眼能够看到太阳。 它之所以存在，就是因为太阳它不透明，我们看到的太阳是来自于太阳的光球层，是太阳从不透明变得完成透明的一个分界面，所以说看到了太阳光。 它的来源来说 所以我们可以认为，太阳光它是来自于太阳的表面光球层。 但是如果从能量的角度来看的话，那么太阳光它主要是来自于太阳核心高温，高密度的场所。 通过氢的热核聚变反应，释放巨大的能量而产生 对于这样一个核反应，像是质子—质子链式反应，作为示例来看 氢燃烧的核反应等效于由四个氢转变为氦四释放出能量，差不多是26.73兆电子伏特的能量，每个氢它的静止质能是一个1个GeV即10的9次方电子伏特 所以说这样一个核反应产能的效率约等于0.7% 这个反应它是否有问题呢？ 严格来说这个表达有问题，它应该写成四个氢转变为氦四，产生两个正电子，两个电中微子，再加上γ光子。 因为我们写核反应的时候，要注意一些物理学当中的守恒条件，它要满足重子数守恒，要满足核电荷数守恒，要满足轻子数守恒 我们刚刚提到 太阳它能源是来自于核心，所以说我们在地球上，所接受的太阳的辐射，原则上是来自于太阳的核心。 但这样一些光子，实际上是产生于差不多几十万到上千万年前。 太阳的内部以及它核心，是因为太阳内部是高度的不透明，光子在太阳内部是用无规行走的方式在传输， 所以我们要来研究太阳内部的结构，绝非易事。 但是科学家已经实现了通过中微子来研究太阳内部结构，这个工作实际上是2002年获得诺贝尔物理学奖的工作。 我们还可以通过日震学的方式来研究太阳内部的结构，通过观测太阳表面各种声波的震荡的模式来反推各种频率的声波，在太阳内部的传输过程，可以获取它内部的物质分布形式。 我们提到的太阳或者说恒星，它的一生是与引力抗衡的一生 所以像太阳像恒星这样一个天体，它的质量非常非常大，引力已经占主导了。 所以说对于这样的天体，它是如何来跟引力抗衡的呢？ 我们现在很清楚，它实际上是靠的通过核聚变反应，所产生的热压、或者辐射压，所形成的这样一个压力的梯度来跟引力来抗衡。 在这里我们会来具体来看一下时标在恒星当中的应用，我们会来具体来看一下它是处于什么样的一种状态。 我们先前提到恒星是一种稳定的结构，所以说它应该是处于一种平衡的状态这种平衡会包含两个方面： 其一，它应该是处于一种动力学的平衡状态 另外，它也应该是处于热平衡的状态 热平衡的状态就说明： 太阳内部通过核聚变反应要产生多少能量，那么它就要同时从太阳的表面就要带走多少能量，它不允许有能量的聚集。 那对于我们如何来研究恒星内部的结构呢？ 从理论的角度，我们可以构造恒星的模型来研究它，然后再跟观测进行比较。 那么我们来构造模型，仍然是按照我们先前的这样要求，我们要构造简单的模型来研究它。 那么对于恒星而言，我们通常会取做单星近似。除非我们强调，这存在有非常非常近临的恒星 那么绝大部分恒星，都可以作为单星来处理。 比方说像我们的太阳的半径比上它最近的一颗恒星，人马座比邻星的距离的平方差不多有10的负15次方的比值 有表征这样一个，它近邻的这样一颗恒星，对我们太阳辐射的贡献，实际上是非常非常微弱的。 第二个近似我们会取没有磁场的近似，我们可以通过采用太阳黑子的磁场与太阳表面最强的磁场获取这样的磁能的体密度。 然后再比上太阳的自己的能的密度，我们会发现这个比值是10的负11次方，所以说磁场我们也可以不考虑。 那么对太阳来说，我们还可以来考察它旋转的贡献，我们可以通过观测太阳表面黑子的运行。 我们取太阳表面旋转最快的地方，在它的赤道上，差不多是27天可以旋转一周，我们可以构造太阳的转动能。 把转动能再比上太阳的自引力能，那么会发现这个比值差不多是落在10的负5次方。 所以说旋转也可以忽略，同时我们还可以注意，太阳它表面逃逸速度只有618公里每秒。 是远远小于光速的大小，所以说研究太阳，用牛顿力学那么就足够了。 同时太阳它实际上是处于主序的阶段，它非常的稳定。 所以我们可以作为静态假设来处理它，所以描述它的方程当中可以不含时间，所以我们可以构造恒星结构。 这样的基本模型这实际上就是由四个常微分方程，再加上三个辅助方程。 所构成的这样方程组，结合具体的边界条件，通过数值计算，我们就可以来获取恒星的模型。 那么在这里，我们会以流体静力学平衡方程为例，来演示一下时标分析，那么时标在我们物理学的研究当中，是一种非常非常重要的这样量。 比方说对一个物体，有两个不同的物理的过程，对它起作用，哪个过程占主导呢？ 往往是时标短的这样物理过程会占主导，所以我们可以用这样一个流体静力学平衡方程来展示 那么如果当太阳或者说当一个天体，是完全处于流体静力学平衡状态，那么它一定是满足压强的梯度。 跟引力平衡是一个负的梯度，越往中心走它的压强来得越大 但是如果压力梯度跟引力不平衡的话，那么这样一个质元，那么就会受到压强梯度和引力的合力 会使它产生一个加速度。 所以我们可以用偏微分，用关于r对时间的二阶倒数来表征。 那么这就是流体力学的欧拉方程，那么对于这个流体力学的欧拉方程的左边这一项。 我们可以用量纲分析的方法把它写出，那么它实际上就可以等效于，这个天体的半径除以这样一个具体的时标т的平方。 所以我们就可以来进行时标分析，我们首先取一种特殊情况，如果恒星内部压强突然消失那么这个时候自引力占主导，那么这个天体会在自引力的作用下塌缩，那么这就对应着自引力时标。 所以我们按照量纲分析的方法，可以给出R比上，自由塌缩时标的平方，就等于这样一个引力加速度 小g，所以我们可以给出自引力，塌缩时标的表达，R比上小g开根，如果我们取性外一种情况内部的引力突然消失，或者说引力不重要的时候。 星体在压力的梯度下，就会向外膨胀，那么这个时标就叫做爆炸时标，用类似的方法我们可以给出，这个爆炸时标是等于，天体的半径除以声速的，它也就对应着声波从恒星中心的位置。 传到天体表面所花的时间，我们有了这样一个，关于时标的定义之后，我们就可以把刚刚所写的这个欧拉方程用时标给它改写。 那么它就可以写成r关于时间的二阶偏微分导数，等于天体的半径，除以自由落体时标的平方再加上天体的半径除以膨胀时标的平方。 那么由此可以看出来哪个时标来得短，对于的物理过程那么就会将占主导如果我们这样一个天体 它是处于流体静力学平衡 那么也就说明等式的左边等于零 那么很自然就可以给出 它的自由落体时标 和它的爆炸时标相等 那么这个时候我们就可以给出 这样一个流体静力学时标 那么这时标是跟天体的平均密度的 负二分之一次方有关 如果带进去太阳参数 可以给出这个时间 差不多是27分钟 当然这个时标 与星体的脉动会有所关系 那么在2018年 有一个印度的影片叫做《炸星记》，它讲述有一颗小行星，即将会落到印度的某一个区域 为了拯救地球，那么人们需要把这颗星给它炸掉，那么现在给大家的问题就是，如果你是一个具体的操作者，你会如何来设计炸掉这颗小的行星呢？ |
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