宇宙新概念

宇宙新概念

今天，我想就以下几个问题与大家进行探讨。

第一，一些学生置疑学习物理究竟有多大用处？

我就这个问题给大家举一个例子：扬振宁先生在国内招博士生时出了这样一个题目：“估计每年地球上落叶有多少？”这样的题目，众所周知是没有标准答案的，解答的关键在于建立物理模型。换言之，学习物理就是提供给大家一个分析问题的方法。另外，对于现在大学生来说需要对各方面知识都有一定的了解，物理也不例外。

第二，太阳系存在第十大行星吗？2002年10月，美国加州理工学院的天文学家布朗和特鲁希略在美国天文学会行星科学部的一次会议上宣布，他们在太阳系的最外缘发现一个球型天体，暂用名为“夸欧尔”。它绕太阳公转的周期为288年，直径约为1290千米，距地球64亿千米。“夸欧尔”由冰和岩石组成。这是自1930年发现冥王星以来，太阳系中最重要的发现。这就引发了对这样一个问题的思考：冥王星是否是太阳系中九大行星之一呢？九大行星离太阳的距离由近到远排列为：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星，而它们离太阳的距离是满足一定规律的。可写成如下的数学公式：Rn=0.4+0.3*2n-2。而当n=5时有一颗没有被发现的行星，而陆续找到了智神星、婚神星、灶神星和义神星，这些都是直径为几百千米的小行星。到1991年底，算出轨道并获得国际编号的小行星已有5012颗。这么多的小行星从哪儿来呢？自然想到火星和木星之间存在过一颗大行星，后来爆炸成小块，形成小行星群，还有一种观点认为小行星起源于原始星云，原始星云在逐渐形成太阳和太阳系的行星时，有一部分星云演化不健全，形成小行星群。

夸欧尔直径相当于冥王星的一半，位于太阳系边缘的“柯伊伯带”，“柯伊伯带”在冥王星饶太阳轨道更远的一个带状区域内，天文学家认为彗星是从这一带起源的，所以这一带区域又被称为是彗星的“产房”。在“柯伊伯带”内侧，有条被称为库伯带的小行星带。冥王星就是在库伯带中发现的一棵大行星。也就是说，冥王星是在库伯小行星带中被发现的“大”行星。因此布朗的发现动摇了冥王星作为太阳系九大行星之一的地位。

第三，恒星的一生。

自然界中的四大之迷为“宇宙的起源”，“太阳系的起源”，“生物的起源”以及“人类的起源”。与太阳系起源和演化学说相比较，恒星起源和演化学说比较成熟和完整。这是因为迄今为止人类所观测到的太阳系只有一个，加上Peg51过两个。而对这些恒星的年龄进行分类，我们发现了相对于人类而言的胎儿期、婴儿期、少年期、青年期、中年期、老年期的恒星，因此恒星的一生也就明白的摆在我们面前了。

形成恒星的星云物质，初始在空间的分布是不均匀的，形成大小不相同的星云。当星云的温度达到100 K，又小于173K，密度达到10-23克／厘米3 ——10-22克/厘米3，质量达到了金斯质量，即太阳质量M⊙。化学成分主要是氢时，则星云开始在自身引力的作用下收缩。收缩又分为快收缩阶段和慢收缩阶段。

快收缩阶段：这是从星云过渡到恒星的阶段，在这个阶段，物质几乎是向中心自由降落的。在几万年到上百万年时间内，密度增加十多个数量级，收缩中引力势能转化为热能，使温度增高，内部压力逐渐形成和加强。当中心密度达到克／厘米后，气体不透明度增加，产生的热量不容易散开而使得中心温度不断提高。再进一步收缩到一定程度时，由于中心温度的提高，引起剧烈运动，大云团会碎裂成许多小云团。一块块小云团开始形成恒星的雏形，它们被称为原恒星或恒星胎，形成原恒星的整个过程是一个引力势能转化为热能的过程。

慢收缩阶段：当内部压力与引力几乎相等时，原恒星处于准流体力学平衡状态，便开始慢收缩过程，但此时吸引力仍是矛盾的主要方面，处于这一阶段的时间要比前一个阶段长得多。当中心温度升高到700万Ｋ以上时，氢聚变为氦的热核反应就开始了，这种热核反应的

能量与以辐射方式向外传输的能量相等时，原恒星就不在收缩了。

进一步研究发现，不同质量的原恒星收缩为恒星经历的时间是不相同的，质量大的原恒星，慢收缩时间短；质量小的原恒星，慢收缩时间长。恒星进入主星序阶段后就开始了一个比较长的相对稳定的时期，恒星基本上膨胀也不收缩。质量越大，光度也越大，能量消耗越快，恒星停留于主星序的时间越短。最短的约为107年，最长的约为1013年，太阳停留在主星序阶段的时间约为100亿年。

恒星演化晚期，在经过脉动阶段后，很大一部分恒星可能还要经过一个爆发阶段。随着条件的不同，爆发方式不止一种。

到２０世纪６０年代后期科学家才肯定恒星状星云的核心是演化到晚期的恒星。其核心由碳核组成，外层还有氦和氢。当外层物质落入内部后，变迅速聚变，释放出大量能量，引起大量的物质抛射。也可能是氦聚变区域由内部向外层延伸，当其接近恒星表面时，光速迅速增大，辐射压力超过引力，导致物质大量流出，这是爆发的一种方式。而另一种爆发方式是新星爆发和超新星爆发。当恒星演化到晚期时，内部温度已高达几十亿开，密度已达到水的一亿倍以上。这时候恒星的内部会产生的大量的中微子，中微子的穿透力很强，大量逃逸出恒星，导致恒星的引力收缩。恒星以极大的速度收缩，引力能转化为爆发能量，这很可能是超新星爆发的原因。当然也可能是其他原因，如核爆炸，碳、氧聚变成更重的元素等。超新星爆发后会留下许多碎片。如最强的射电源仙后A其光学照片上只能看到一些从一个中心点以每秒7440千米的极高速度朝四面八方飞奔的碎片。

现在大多数天文学家认为白矮星、中子星、黑洞是恒星演化的最后阶段，它们都是高密天体，故临终阶段又可称为高密阶段。恒星经爆发或经其他途径后演化成上述3种天体中的一种，至于是哪一种天体就要取决于星的质量了。

恒星在核能消耗尽后，如果它的质量小于1.44⊙（张德拉塞卡极限），就可能演化成白矮星；如果它的质量在1.44~3M⊙之间，就可能演化成中子星；如果它的质量更大，就可能演化成黑洞。

白矮星、中子星内部没有核能，它们都是靠剩余热量逐渐冷却而发光的。中子星的温度比白矮星高，能量消耗较快，寿命只有几亿年。当白矮星、中子星内部的热能消耗完后，它们就演化成为不发光的黑矮星。黑矮星就不再是恒星，而是恒星的残骸。恒星的一生到黑矮星就结束了，但黑矮星作为一个天体，还将进一步演化。

第四，多普勒效应与谱线红移。

河外星系有一个很重要的现象——谱线红移。在讲述这个现象之前，我们先了解一下什么是多普勒效应。不少人有这样的经历：在站台上等车的时候，如果一列火车鸣着汽笛呼啸而过，就会感觉到随着火车的接近和离开，汽笛的音调有明显的变化。当火车接近我们时，汽笛的音调尖锐些，当火车离开我们时，汽笛的音调低沉些。这是因为声源和观测者的连线方向上有相对运动时，观测者接受到的声波的波长会发生变化。当声源接近观测者时，观测者感到波长变短（频率变高）、声调升高；当声源远离观测者时，观测者感到波长变长（频率变低）、声调降低。这就是多普勒效应。光源和观测者在两者连线方向作相对运动时，也有多普勒效应。当天体离开我们时，天体光谱中的谱线都向光谱的红端位移，波长变长；当天体接近我们时，谱线向光谱的紫端位移，波长变短。进一步研究表明，在41个星系中，只有离银河系较近的几个星系是紫移，其余都为红移。星系愈弱，距离愈远，谱线红移愈大。谱线红移的原因虽说目前没有定论，但通常还是用多普勒效应来解释。星系中活动最剧烈的要数类星体了，类星体是20世纪60年代天体物理的四大发现之一。由于类星体的照片像恒星，所以给它取名为类星体。实际上，类星体并不属于恒星这一层次，而属于星系这一层次。迄今为止发现的类星体已有数千个之多。

类星体虽然看上去像恒星，却与一般恒星有很大的差别：首先是光谱有很大的不同。其