通俗天文学- 第10部分

　　因为我们不能看见光球以下的太阳内部，所以要得到一个关于太阳内部情况的明确概念就非常困难。但我们完全可以假定越深处的压力与温度越高。早在１８７０年美国物理学家莱恩（Ｌａｎｅ）就已经计算过太阳内部的温度，他假定里面各处都在一种平衡的状态中。太阳内部每一点上物质的全部重量都完全被下面热气体的膨胀力所支持。问题便是算出内部要热到什么程度才可以使太阳不致被自己的重量压碎。




太阳的结构（2）

　　２０世纪３０年代，关于太阳及星辰内部的理论成了英国的爱丁顿（Ｅｄｄｉｎｇｔｏｎ）、詹姆斯（Ｊｅａｎｓ）、米尔恩（Ｍｉｌｎｅ）等人研究的热点。爱丁顿计算出太阳中心的密度约为水的５０倍，而温度约为３　０００万℃至４　０００万℃。米尔恩推算出来的中心密度与温度比此数目还要大得多。按目前的太阳模型推算，太阳内核的气体被极度压缩，其中心密度是水的１５０倍，而温度约为１　５６０万℃！




太阳的热源（1）

　　太阳从它表面上每１平方米倾注出８．４万马力的能量。既然知道太阳直径是１４０万千米，我们就很容易算出它的表面有多少平方米了。这巨大的数目再乘以８．４万，就可得到以马力表示的太阳不停散发的全部能量的巨大数目了。当我们想到照地质学家和生物学家的说法，太阳已用与现在同样的强度照耀了５　０００万年的时候，我们就遇上一个重要而且困难的问题了。

　　这种辐射能量的来源在什么地方？当然它是直接由光球来的。可是一定还得有新的能量供给不断地到达光球，才能维持不断的辐射。那么，这种使太阳一天一天照耀过了５　０００万年的、仿佛永不耗竭的内在供给的来源到底是什么呢？

　　据能量不灭定律，能量不可能无中生有。它可以由这种形态变到那种形态，可是宇宙间能量的总量是不能增加的。除非太阳从外面不断地接收能量，它的储藏一定要按我们上述的比率减少下去。我们完全可以假定这储藏总会有一天完全耗尽，太阳会渐暗下去以至于完全无光。可是太阳一百年又一百年地照耀下去，看起来光辉丝毫未减，这怎么可能呢？

　　两百多年以前，物理学家亥姆霍兹（Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ）曾经创出太阳热的收缩学说，以后的许多年来都被当时的科学家认为是真实的情况。他的观点是：如果太阳半径每年收缩４３米，就足够产生一年中由辐射而失去的热量。依这学说，太阳从前是更巨大更稀薄的。按照收缩说，将来太阳将会紧密得不能收缩以适应由辐射而来的热的损失。几百万年以后，它将会冷得不能再维持地球上的生命。

　　这种收缩学说画出了一幅黯淡的远景，它显示了生物世界的末日只在很短的时期以后——至少照天文学尺度说来是很短的。但在１９世纪初，收缩说遇到了强烈的反驳——不论从多大的体积收缩到现在这样，太阳照现在这样发光率，只要两千万年多一点就足够得到充分的热量了。但依这比率它却一定照得比这时期更长得多的，于是收缩说就不能解释太阳在过去如何维持辐射了。因此对于这理论对将来的预言，我们也就不能抱多大的信任。而且事实上太阳的逐渐收缩又绝无确切的证明，因此就渐渐被人们所抛弃了。

　　２０世纪初，随着相对论以及核物理学的发展，人们认识到太阳和恒星的能源来自于核能的释放。光谱观测的结果表明，恒星物质内部氢的含量相当丰富，而氢又是很好的产能原料。当氢在高温和高压下聚变成氦时，会有巨大的核能释放，因此可以维持太阳和恒星向外辐射达数十亿年之久。

　　１９２６年，英国剑桥大学著名的天文学教授阿瑟？爱丁顿（Ａ．　Ｅｄｉｎｇｔｏｎ）爵士出版了他的《恒星内部结构》一书，这是一部关于恒星内部情况极其物理特性的卓越著作。爱丁顿认为，太阳通过重力把物质聚集在一起，重力将物质拉向中心。由于太阳内部高温的气体产生的压力与重力方向相反，它将物体向外推出，这两个力互相平衡。达到这平衡点时，由经典力学和热力学原理，我们可以算出恒星的中心温度将达到４　０００万℃左右。爱丁顿认为在这样的温度下，氢核会发生聚变，为太阳和恒星提供了强大的辐射能量。




太阳的热源（2）

　　但是爱丁顿的想法遭到了物理学家们的竭力反对。他们认为要真正实现这一聚变，温度应达到几百亿摄氏度。而４　０００万℃太低了，不足以克服原子核之间极其强大的电磁力而产生氢核聚变。但是乌兰克核物理学家和宇宙学家乔治？伽莫夫（Ｇ．　Ｇａｍｏｗ）的工作证明了物理学家们的猜测是错误的。

　　伽莫夫认为，虽然镭核内的粒子受到核力的约束，但按照现代量子理论，它们并非不可能分裂出？琢粒子来的，尽管发生这种过程的概率很小。镭核中的粒子被核力所束缚，就好像有一座堡垒从外界将它们包围住一样，粒子的能量不足以越过这座堡垒而跑到外边去。量子力学却认为，核内的粒子在偶然间可以不从堡垒的上面越过去，而是从穿过堡垒的一条隧道中通过。人们把这种现象形象地说成是“量子隧穿”。伽莫夫进一步指出，假如粒子能够由内向外穿过堡垒，那么，粒子也应该能够由外向内穿过它而进入原子核内。

　　１９２９年，英国天文学家罗伯特？阿特金森（Ｒ．　Ａｔｋｉｎｓｏｎ）和德国核物理学家弗里茨？豪特曼斯（Ｆ．　Ｈｏｕｔｅｒｍａｎｓ）合作，发表了一篇题为“关于恒星内部元素结构的可能性问题”的文章，将伽莫夫的量子隧穿理论应用到恒星内部能量的问题上。他们认为：恒星内部的质子和质子也可以通过“隧道”越过势垒很高的堡垒，接近到可以发生聚变的距离之内，进行轻核聚变而释放出巨大的能量。这样，他们就成功地解决了在较低温度下使氢聚变为氦来实现太阳的能量需求，由于这种反应是在数千万摄氏度下进行的，他们就把这种反应称为“热核反应”。

　　天文观测表明，太阳核心的物质处于等离子态，完全适合于热核反应的物理条件。那么，太阳和恒星内部的氢是怎样聚变为氦的呢？１９３８年，美国核物理学家汉斯？贝特（Ｈ．　Ｂｅｔｈｅ）和查理斯？克里奇菲尔德（Ｃ．　Ｌ．　Ｃｒｉｔｃｈｆｉｅｌｄ）发现了氢直接变为氦的反应机制，称为“质子—质子循环”。在这一反应中１克氢将释放６　７００亿焦耳的核能，这些核能迅速转化为热能，并通过对流和辐射向太阳的外层空间输送出去。

　　贝特又和德国的弗里德里希？冯？魏茨泽克（Ｆ．　Ｖ．　Ｗｅｔａｂｃｋｏｒ）各自独立地找到了由氢转变为氦的“碳循环”机制。现代天文观测表明，太阳的能量９８％来源于质子－质子循环，２％来源于碳循环。贝特也因该理论的创立而获１９６７年度诺贝尔物理学奖。




太阳的演化

　　现代的观测表明，太阳已有５０亿年的历史。它是一个典型的中等质量恒星，正平稳地燃烧着自身的核储备，并把氢转变为氦。现在人们对恒星演化的知识逐渐完善，并勾勒出太阳的生命历程。

　　幼年阶段，原始星云在自身引力作用下不断收缩，密度不断增大，温度不断升高。历时数千万年形成原始太阳。

　　青年阶段，太阳位于非常稳定的主星序（参看“恒星”一编），按照观测得到的氢和氦的丰度估计，太阳还可以生存５０亿年之久。今天的太阳正处在它的鼎盛时期。

　　中年阶段，约持续１０亿年时间。当热核反应的燃烧圈接近一半太阳半径时，将会难以支持太阳自身的巨大引力，中心将会塌缩，这个塌缩过程中所释放的巨大能量使太阳的外部大幅膨胀，这时的太阳体积很大、密度很小、表面亮度很强，演化为一颗红巨星。太阳直径将扩大到现在的２５０倍，连地球都将被吞没。

　　老年阶段，太阳转变为一颗脉动变星，终于，内部核能耗尽，整体发生坍塌，内部被压缩成一个密度很高的核心，冷却后形成一颗白矮星，并长久地留在宇宙中。




地球

　　既然我们所居住的这球体是行星之一，那么即使它没有别的值得我们注意的地方，也该要描述一下它在天体中的地位了。虽然它跟宇宙间大天体比起来，甚至跟我们太阳系的大行星比起来，它只是微不足道的一员，可是在它自己的系统中却还是最大的一个。至于它是人类的家园——这一点我们更不用说了。

　　地球是什么？我们可以先下一个广泛的定义，说它是一个物质的球体，约有１万多千米的直径，由于其各部分的互相吸引而联成一体。我们都知道它并非严格的球形，它的赤道部分稍微鼓起来一些。因为它表面的不平，于是确定它的准确的大小与形状也就比较困难。幸好人造卫星技术的进展帮助人们解决了这个难题。

　　关于地球形状及大小的结论可概括如下：

　　极直径１２　７１３．６千米

　　赤道直径１２　７５６．３千米

　　我们由此可以看出赤道直径比极直径大４２．７千米了。




地球的内部

　　我们由直接观察所知的地球差不多完全限于它的表面。人类在上面挖穿的最深处与全球大小比起来不过像苹果皮之于苹果一样。

　　我先要请读者注意一下地球上的重量、压力、重力等事实。我们试着研究一块１立方米的泥土，这是地球外层表面的一部分。这块泥土加在自己底上的重量也许是２．５吨。下面１立方米也有同样重量，因此加在自己底上的重量就是自身重量加上面１立方米的重量了。这种压力的增加一直随着我们的深入。地球内部的每１平方米都支持着一直到表面的１平方米的柱形的压力。表面下不到若干厘米的地方这种压力就以吨计了；１千米深的地方大概是２　５００吨；１００千米的地方就是２５万吨了；这样一直继续到中心。在这种不可思议的压力之下，地球中部的物质被高度地压缩。那儿的物质也更沉重。地球的平均密度被认为等于水的５．５２倍，但其表面密度却只有水的两三倍。

　　关于地球的确定事实之一就是在表面以下的矿坑中，愈深处温度愈高。增加的比率依地域与纬度而各处不同，平均增加率是每下降约３０米增高１℃。

　　这种温度的增加到地球中心时将怎样呢？回答这问题我们可以说不能仅仅根据表面的情形。因为地球外部在很久以前就冷却了，所以我们不能在下降时得到很大的温度增加。从地球存在以来热量都被保持着这一点事实，表明中心温度一定更高，而近表面的温度增加的比率也一定会保持到更深的若干千米直到地球的内部。

　　依照这增加率来看，地球的２０千米或２５千米深的地方的物质一定是灼热的，而２００千米或２５０千米以下的热度则一定足以熔化所有构成地壳的物质了。这事实使早期的地质学家认为我们的地球是一个熔化了的大块，正如一大块熔化了的铁，上面蒙了一层几千米厚的冷壳层，我们就居住在这壳上。火山的存在以及地震的发生都增加了这种见解的可靠性。

　　但在１９世纪２０年代，天文学家与物理学家收集了一些证据，似乎证明地球从中心到表面都是固体，甚至比同样大的一块钢还坚硬。这学说是开尔文爵士（Ｌｏｒｄ　Ｋｅｌｖｉｎ）第一个发展的。他认为如果地球是被一层壳包着的液体，月亮的作用就不是吸起海洋的潮汐而只要将全地球向月亮的方向拉起来，却不改变壳与水之间的相对位置。

　　同样可靠的是那奇特的现象，地球表面的纬度变迁，这在下面我们就要讲到。不仅一个内部柔软的球体不能像地球这样旋转，甚至硬度不如钢的球体也不能。

　　那么我们如何能调和这固体性质与那不可思议的高温度呢？看来只有一个可能的解决方法：地球内部的物质因那巨大的压力而保持其为固体。据实验证明：强大的压力能提高物质的熔点，压力越大，熔点就越高。一块岩石到了熔点以后再加以重压，压力的结果使它又还原为固体。因此，我们增加了温度只要同时考虑压力的问题就可以使地球中心物质保持固体了。

　　当然我们还有一些实际的办法来获得证据，在地表人工制造一个震源（如炸弹），通过接受地下的回波来确知地下结构。通过地震技术获得的资料发现，地球的内核与地壳为实体，而中间的外核与地幔层为流体。地核可能大多由铁构成，虽然也有可能是一些较轻的物质。地核中心的温度可能高达７　２００℃，比太阳表面还热；下地幔可能由硅、镁、氧和一些铁、钙、铝构成；上地幔大多由橄榄石、辉石、钙、铝构成。地壳主要由石英和类长石的其他硅酸盐构成。




地球的重力与密度

　　与地球有关的另一有趣问题就是它的密度，或说比重。我们都知道一块铅比同样大的一块铁要重，而一块铁又比同样大的一块木头重。是不是有方法确定地球广大内部的深处一立方米有多重呢？如果有方法，我们就能确定全地球的实在重量了。这问题的解决要依赖物质的引力。

　　任何小孩从会走路时起就很熟悉于万有引力的效应了，可是最深刻的哲学家也不能真正明白它的起因。依照牛顿的万有引力的学说，将所有地面上的东西引向中心去的力量并不仅存在于地球的中心，却由于构成地球的一切物质的共同努力。牛顿还把他的学说更推进一层，说宇宙间一切物质都吸引着其他的物质，而这引力的大小是依两者之间距离增加按平方规律减少的。这就是说，距离加１倍，引力的大小就要除以４；远３倍除以９；远４倍除以１６，依此类推。

　　承认了这一点，那么我们四周的物体就都有自己的引力了，于是我们又有问题了：我们能不能用实验测出这引力的大