千亿个太阳/宇宙系列

作者简介

作者介绍： 鲁道夫？基彭哈恩(Rudolf Kippenhahn)，德国天体物理学家，1965-1974年任哥延根大学天文学与天体物理学教授，后任马克斯？普朗克天体物理研究所所长。他的著作还有《等离子体物理基础》与《来自宇宙边缘的光线》等。 译者介绍： 沈良照，黄润乾

内容简介

试读样章： 第1章　恒星的漫长生命（部分） 地球以每秒30千米的速度围绕着太阳运动。它的运行轨道接近于一个直径为3亿千米的圆。地球绕太阳运动时，朝向太阳的面（称为*面）*太阳照射，所接*的能量与它转到背向太阳时（处于夜面时）辐射出去的能量几乎相等。 由于能量的接*和发出交替进行，使地球表面能维持一定的温度，因而使这颗行星变成我们可以居住的。严格地说，并不是所有入射的太阳能量又全部被辐射出去，有一部分以化学能方式储存于植物之中，人类和动物就是依靠储存在植物中的能量来生活的。当我们用煤和石油取暖时，我们就是利用了植物在地球早期阶段所吸收的能量。同样，水电站的涡轮机也是由太阳能所驱动，因为太阳的辐射蒸发了大洋中的水，通过下雨而存储在河流之中。朝向太阳的地球表面每平方米接*太阳能的功率为1.36千瓦，整个地球表面所接*的辐射功率接近于200万亿千瓦，但是，如此巨大的能量与太阳每秒向各个方向辐射出去的能量相比，却仍然是十分微小的。采用千瓦为单位来计算太阳的辐射功率，则需要一个24位的数字。 但在这个能量中只有极微小的一部分被地球所接收。太阳的能量是从哪里来的太阳年复一年地以巨大功率向宇宙中发出光和热，即辐射出能量。它已辐射了多久，并且还能辐射多长时间？它会不会随着时间消逝而不断减小辐射，使地球上的生命被冻僵？或者它会慢慢地增大它的辐射，使地球上的大洋沸腾而生命告终？自从人们对太阳进行有目的的观测以来，即使采用*精密的仪器，至今也没有测出太阳的辐射强度有缓慢变化的迹象。根据在地壳*古老的沉积层中所发现的有机生命痕迹，也可看出太阳自很久以来就以不变的光度进行辐射。太阳长时期以来就这样强烈地辐射着，才使地球上有生命存在。在南非的特兰斯瓦尔，人们在翁弗瓦赫特地层的硅化岩中发现了和**的蓝藻有相同复杂结构的、相当进化的单细胞组织。这证明了早在35亿年以前地球上就有生命存在，那时的太阳也必定具有和**大致相同的光度。 太阳内不可能储藏无限多的能量，因为它是一个有限的物体，由有限的质量所组成。我们可以测定它的质量，因为质量可以通过引力来显示。地球和众行星围绕着太阳运动，由于*太阳质量的引力作用而被约束在一定的轨道上。根据每一瞬时离心力和引力相等的原理，可以算出太阳引力的强度，进而计算出太阳的质量（附录C）。若以吨为单位来计算太阳的质量，就需要一个28位的数字。维持我们生命的太阳辐射功率就是来自这些太阳质量，计算表明，每克太阳物质在1年内必须辐射出大约6焦耳的能量。乍看上去它似乎不算太大，因为人体每克物质所发出的热量还比这个数字要大1000倍以上。但不同的是，人们为了补偿这个能量损失，必须每天吃东西，而太阳几十亿年以来却是靠自身来维持辐射。 太阳在长时期内以很大功率辐射出去的能量是从哪里来的？是不是主要来源于化学变化？我们研究一种*简单的释能化学过程 ——燃烧。如果太阳由烟煤组成，它的燃料只能补偿5000年的辐射，然而太阳早在几十亿年以前就在向外辐射了。因此如果碳是太阳的燃料，那么太阳炉早就熄灭了。所有其他化学过程也和燃烧一样产能都太少，不能作为太阳的能源。 19世纪末人们曾经进行过很多尝试，以寻求太阳的能源。由于太阳内部的化学过程所产生的能量都太少，导致人们联想太阳是否可能从外部吸热。在我们太阳系内充满了很多小的固态物体，它们运动于行星之间，被称为流星。流星现象是我们所熟悉的。当一颗流星闯入地球大气层时，它被加热烧毁，在天空中发出亮光。某些流星在大气层中不能**烧尽，残余部分会落到地球上，这就是现在我们在博物馆中看到的陨石。 太阳巨大的引力也必定能吸引很多在太阳系中运动的流星，它们将以很大的速度撞击太阳，碰撞时它们的动能转变为热能，是否这样产生的热可以补偿太阳的向外辐射？撞击太阳的流星物质，每克可以提供大约1.9亿焦耳的能量。为了补偿太阳的辐射，每年必须有大约为1/100地球质量的流星物质落到太阳上。太阳质量的增加可以通过太阳的引力变强而被觉察到。它能使地球绕太阳的运动发生变化，例如*近2000年地球轨道长轴要明显缩短。但是根据古代关于*食和月食的记载，没有发现太阳系运动状态有能测量到的变化，因此“流星假说”是不成立的。太阳不是由撞击它的流星所加热。 假若太阳可以将自身的引力能释放出来，这也是一种可能的能源。早在19世纪，赫尔曼？冯？黑尔姆霍茨（Hermann Von Helmuholtz）——一位多才多艺的物理学家和医生，就已注意到这个可能性。如果太阳没有某些能量的输入，它将会随着时间的推移收缩，它的半径将会变小。每克太阳物质会缓慢地向太阳中心靠近，即以较大的减速度下落。正如流星物体下落一样，这里也释放出能量。和流星假说不同，在这里是太阳物质自身的“下落”，但保持太阳的质量以及它对地球的引力不变。这个过程只能维持大约1000万年的太阳光度，仅仅是太阳已辐射几十亿年的1/100。因此结论是太阳自身的引力能释放不能补偿太阳的辐射。 太阳和恒星里的核能 **我们知道，核能是已知产能率*大的能源。我们使用的电有一部分是由核电站所提供。在核电站内，重的铀核被分裂为轻的原子核，原子核分裂时会释放出能量。假如能使轻原子核聚变为重核，并获得有用的能量，那么这样的核电站会产能*多，特别是氢核聚变的产能率*大。 太阳像大多数恒星一样，主要是由氢组成。因此我们要问，太阳的辐射是否可能由氢聚变来补偿？以后我们将会看到，氢的聚变确实是太阳的能源。在第3章里我们将要详细讲述在恒星内进行的核过程。不过在证明核反应维持了太阳的生命，从而也维持了我们的生命以前，我们应假想一下，假如在太阳和恒星内氢原子不断地聚变为氦原子，并释放出核能来维持恒星的辐射，其后果是什么。 当1克氢原子核聚变为氦核时，可以从这1克物质中释放出6300亿焦耳的能量，这相当于燃烧相同质量的烟煤所获取的能量的2000万倍。因此核能可以使太阳的寿命延长2000万倍，达到1000亿年的寿命。这样我们终于找到了一种可以维持太阳辐射达数10亿年的能源，即氢转变为氦时所释放出的核能。据估计，太阳中的氢所能提供的核能可以维持太阳辐射1000亿年，实际上这有点过于乐观了。因为太阳只有70％是由氢组成，所以它的核“燃料”要小于估计值。正如以后我们将会看到的，如果在一颗恒星内有10％～20％的氢被燃烧掉，它就会明显地呈现出核能被耗尽的种种现象。所以我们认为，太阳可以均匀辐射约70亿年，这个时间显然比地球上有生命存在的时间长得多。 正像我们用肉眼所看到的7000颗恒星或是用望远镜所看到的数目*多的恒星一样，太阳也是一颗恒星。除少数例外，它们主要是由氢组成。假若它们的辐射**是由氢聚变为氦所提供，那么可以计算出它们所储存的核能可以维持多长时间，对于太阳是70亿年。不过还有*早就把氢消耗尽的恒星，例如室女座中*亮的一颗恒星——角宿一。由于有一颗伴星围绕着它运动，所以我们能测定它的质量（附录C），它的质量大约是太阳质量的10倍。我们还知道它的辐射比太阳强10000倍。由于质量大，它所储存的核燃料约为太阳的10倍，因此它的辐射比太阳大得多，使得它把氢耗尽的时间比太阳短1000倍。这样角宿一只能辐射几百万年。相对宇宙历史长河来说，这样的时间间隔确实很短。我们只要想一想，早在100万年以前地球上就已经有像爪哇森林中的猿人那样的**哺乳动物了。 作者运用大量观测事实而非数学公式，把恒星的生命过程讲述得十分清晰，令人印象深刻。 千亿个太阳在百亿年的时间中不断的出生、成长、爆发和凋零，那是一种远比我们所能理解与想象的极限还要广大无数倍的生命。 2018年新版的《**推动丛书》全新设计了版式和封面，简约个性，提升了阅读体验，让科普给你*多想象。 随书附赠价值39.6元由汪洁、吴京平掰开揉碎,带你懂科学好书的《经典科普解读课》**券。