伽莫夫科普经典译丛2《太阳简史》 《地球简史》

作者简介

享誉世界的物理学家、天文学家，杰出的科普作家，“宇宙大爆炸”理论的倡导者，提出了生物学“遗传密码”理论和放射性量子论和原子核的“液滴”模型。伽莫夫一生致力于研究化学元素的起源、不断膨胀的宇宙以及银河系恒星系统的演化。他才思敏捷，对科学有着敏锐的洞察力，为天文物理学的普及作出了重要贡献。伽莫夫一生科研和著述两不误，一生笔耕不缀，正式出版了25部科普著作，其中代表性作品为《从一到无穷大》《物理世界奇遇记》《太阳简史》《地球简史》。因为他在在科学普及方面作出的杰出贡献，1956年，联合国教科文组织授予他卡林伽科普奖。

内容简介

第一章 太阳及其能量 太阳与地球上的生命 “太阳和月亮哪一个更有用？”著名的俄国哲学家库兹玛?普鲁茨科夫（Kuzma Prutkov）问道。经过一番深思后，他认为：“月亮更有用，因为它在漆黑的夜晚给我们带来了光明。而太阳只有在白天才会发光，可白天已经明光烁亮了。” 虽然学生们都知道，月光只是太阳光反射的结果，但人们普遍未曾了解到，地球上几乎所有的现象都源于太阳辐射的能量。 特别是，人类文明所开发的所有能源都源自太阳。事实上，太阳热能的直接利用，例如大型凹面镜收集太阳热能，仅应用于亚利桑那沙漠中冷饮站的冰箱、东方城市塔什干公共浴室的热水供应系统等少数复杂的装置中。然而，你也许不知道，当我们的取暖设备燃烧木材、煤炭或石油时，也是在释放太阳辐射的能量——这些能量以碳化合物的形式沉积在今天或很久以前的地质时代的森林中。 利用太阳光的照射，植物的绿叶将自身的二氧化碳和水转化为碳和氧气，并将氧气释放到大气中（这就是房间里的植物能使“空气清新”的原因），而碳则沉积在植物体内，准备随 时与大气中的氧气在炉火中再次结合。 我们燃烧树木所获得的能量，永远无法超过树木的叶子从太阳光中吸收并储藏的能量。因此，无论是现在还是过去，没有阳光，就不会有森林，也就不会有地球表面煤和石油的沉积。 毋庸置疑，水能也是太阳热量的一种转换形式，太阳热量将海洋表面的水蒸发，并使其沉积在更高的水平面上，然后再使其流回原来的水域。风力发电也是如此，由于地表不同地区 受热不均匀使空气开始流动。在任何地方我们都能发现，我们的能量来源于太阳这一事实，没有太阳，地球表面将死气沉沉。 但是，太阳能来源于哪里？这个源头已存在多久，并将继续存在多久？我们的太阳是如何形成的？在所有的能源耗尽后，它将何去何从？要回答这些问题，我们首先必须知道太阳 每天辐射的能量，以及储存在其内部的能量总量。 能量单位 在物理学中，能量的常用标准单位是尔格，尽管在特殊情况下也使用其他单位，如卡路里（热量单位）或千瓦时（电力单位）。 1尔格是质量为1克的物体以1厘米/秒的速度运动的动能的两倍，简而言之，1尔格是一个相对很小的单位。例如，一只飞着的蚊子有几尔格动能；要加热一杯茶，我们需要数千亿尔 格；一盏普通台灯每秒消耗250亿尔格。1克优质煤完全燃烧能释放3000亿尔格能量，以目前（1940年）的煤价计算，煤场里袋装煤释放1尔格能量的成本约为0.000000000000003美分。 由于增加了将煤燃烧所释放的热量转化为电能的机械成本，所以沿着电线进入每个家庭的能源价格也就升高了。 太阳的辐射能 地球表面每一平方厘米每秒接受的太阳辐射能量为135万尔格，这个数值是根据大气层的吸收率得来的。因此，如果我们用目前的煤炭价格来评估这种能量，就会发现，在阳光明媚 的日子里，一个中等大小的后院可以获得价值几美元的能量。 按照工程技术上常用的功率来计算，照射到地球表面的太阳能能量相当于每平方英里a469万马力。太阳每年给地球提供的能量是全世界每年燃烧煤炭和其他燃料所产生能量总和的数 百万倍。 但地球也只接受了太阳辐射总能量的很小一部分，绝大部分太阳辐射自由地进入星际空间，达到每秒3.8 × 1 0 3 3尔 格，或每年1.2×1041尔格。用太阳的辐射能量除以其表面积（6.1×1022平方厘米），我们发现，太阳表面每平方厘米每秒释放6.2×1010尔格的能量。 太阳的温度 太阳表面要多热才能产生如此强烈的热辐射？水加热系统中的一个极热的散热器（沸点温度）每平方厘米每秒释放大约100万尔格的能量，一个炽热的火炉（约500℃）可释放约2 0 0 0万尔格的能量，一个普通电灯泡的白热灯丝2000℃）可释放约20亿尔格的能量。发热体的辐射随其温度的增加有规律地增加，而且与按绝对零度计算的温度的四次方成正比。如果我们把太阳表面的辐射与上面的例子进行比较，很容易计算出太阳表面的温度接近6000℃。这一温度比实验室条件下使用特制电炉可获得的温度高得多。为什么没有一个炉子能达到这么高的温度呢？事实上，原因很简单：在6000℃的高温下，所有可以用来建造熔炉的材料——包括像铂或碳之类的耐火材料——不仅会融化，而且会完全蒸发。在这种高温下，除了气态，没有任何物质形态可以存在，而这正是我们在太阳表面所发现的，即所有的元素都以气态的形式存在。 从理论上讲，如果太阳表面是这样的话，其内部也必然如此，那里的温度肯定会更高。因为只有达到足够的温差才能使热量从其中心流向表面。事实上，对太阳内部的研究表明，太 阳中心的温度高达2000万℃。要理解这种高温的重要性有点困难，因此，为了便于理解，不妨看看以下实例：一个中等大小的炉子（由某种不存在的、能承受这种热量的耐火材料制成），如果达到这种温度，它的热辐射会把方圆数百英里内的 一切都烧掉。 太阳的密度 对太阳温度的这些考虑使我们得出了一个非常重要的结论：太阳是一个由极热气体组成的巨大球体。但你如果把这种气体理解成通常意义下的非常稀薄的物质状态的话，那你就大错特错了。 在标准大气压下，我们接触的气体比液体或固体的密度小得多，但我们别忘了，太阳中心区域的压力是标准大气压的100亿倍。在这种情况下，任何气体都会被压缩，其密度甚至可能超过常规液体或固体的密度。气体与液体或固体的区别不在于它们的相对密度不同，而在于气体在外界压力作用下具有无限膨胀的趋势和可压缩性。若从地球内部取出一块岩石，这块岩石的体积几乎不会发生改变，但如果太阳外部的压力足够小，来自太阳中心区域的物质将会无限膨胀。 构成太阳的气态物质的可压缩性使其密度从表面向中心迅速增加。据计算，太阳中心的密度比其平均密度高出50倍（即太阳核心的密度是太阳整体密度的50倍）。我们可以用已知的 太阳质量除以太阳的体积（质量为2×1033克，体积为1.4×1033立方厘米），计算出太阳的平均密度，其结果相当于水的密度 的1.41倍。由此我们得出，太阳内部的气体的密度是汞密度的6倍。另一方面，太阳外层的气体非常稀薄，在形成太阳光谱吸收线的色球层的压力只有大气压力的1‰。 尽管我们所有关于太阳物理性质和化学性质的直接观测证据，都仅限于在这种稀薄的太阳外层的大气层中所发生的现象，但如果我们以这些表面证据为基础，并利用我们掌握的物质性质的一般知识，就有可能清楚地了解太阳内部的状况，就像我们亲眼所见一般。我们对太阳内部的数学分析要归功于英国天文学家阿瑟?爱丁顿爵士（Sir Arthur Eddington），根据他的计算我们绘制了太阳内部结构的示意图（见图1）。在这幅图中，T、P和p的值分别代表太阳不同深度的温度、压力和密度。 ◆20世纪百部科普佳作、风靡世界的科普经典！13 本最适合普通读者的科学书籍之一。 ★美国主流科普刊物一致推荐的经典读物，诺贝尔物理学奖得主、美国理论物理学家 史蒂文？温伯格、美国地质学家科特利？弗莱彻？马瑟、美国生态学家、作家 保罗？毕格罗？西尔斯众多大家推荐 的科普读物 ★爱因斯坦、玻尔、费曼、霍金、阿西莫夫、杨振宁、萨根一致推崇的科普大师 ★权威解读太阳、地球数十亿年的漫 长进化史，解读太阳、地球前世今生及未来的命运 ★入选英、美、德、法等多国中学生必读书目！