描述
开 本: 32开纸 张: 胶版纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787302471592
借助于现代的高科技,我们如何重新解读太阳系和银河系?
如何认知太空中那些遥远玄奥而又形形色色的各种天体?
太空的探索与开发又如何改变了人类的生活和思维方式?
你将至少从以下三个方面获益:
1.通过介绍人类航天史上一些妙趣横生、震撼人心的故事,从古代的飞天传奇,到世界各大国之间的太空争夺战,使读者对人类的航空航天简史了如指掌。
2.用通俗易懂的比喻,图文并茂的解释,幽默风趣的语言,引导读者学习、思考和探索星星背后的物理现象,了解天体运行的基本物理规律。让读者体会大自然造物之巧、感受科学之美。
3.介绍几个典型、著名的航天器和航天计划,解读其中涉及的基本物理原理和关键技术,了解现代航天技术的*发展和未来展望。
引言亮剑太空
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章火箭研发/ / 00
第1节纳粹溃退烽火灭绝美军挺进人才捕获/ / 00
第2节古人爱做太空梦大师练就理论功/ / 0
第3节戈达德饱受嘲讽奥伯特见证登月/ / 0
第4节委以重任科罗廖夫举世无双冯·布劳恩/ / 0
第5节苏联卫星发射抢先美国落后心有不甘/ / 0
第二章登月之路/ / 0
第6节古月依然照今人犹抱琵琶半遮面/ / 0
第7节双子星计划成功俄罗斯栋梁病逝/ / 0
第8节“阿波罗”载人月球漫步N1火箭发射失误/ / 0
第9节三体运动生混沌引力助推荡秋千/ / 0
第10节气象通信科研忙人造卫星立大功/ / 0
第三章星海拾贝/ / 0
第11节恒星也有生老死太阳尚在中青年/ / 0
第12节大伞撑起地磁场变幻莫测太阳风/ / 0
第13节“尤利西斯”英雄汉太阳极区勤为探/ / 0
第14节离地远旅行者高速飞入寰宇中/ /
第15节望远镜九霄揽银河“哈勃”深空探宇宙/ /
第16节天体间的引力之战希尔球和洛希极限/ /
第17节钻石星球价连城无毛黑洞却有熵/ /
第18节信息悖论难解决霍金软毛论辐射/ /
第19节天文观测寻黑洞物理学者赌输赢/ /
第四章航天漫谈/ /
第20节气态木星朱庇特巨大神秘行星王/ /
第21节欲为夫君揭面纱全靠“朱诺”布罗网/ /
第22节广义相对论太空验证探测引力波地面响应/ /
第23节潮汐锁定共振曲混沌自转土卫七/ /
第24节“惠更斯”登上泰坦“卡西尼”智探土星/ /
第25节木星周围伴侣多土星腰间环带美/ /
第26节梦想殖民火星大难临头逃生/ /
第27节太空之路不平坦失误酿成大灾难/ /
参考文献 / /
第三章
星 海 拾 贝
“天地玄黄,宇宙洪荒,日月盈昃,辰宿列张。”——千字文
第11节恒星也有生老死太阳尚在中青年宇宙是如此浩渺,但人造物体能够到达的,还主要仅限于太阳系这个大家庭内部,这些人造物体丰富和加深了我们对太阳及其八大行星的知识。 古人望着满天繁星说: “天上一颗星,地上一个人”。他们将星星看作是地球上人的化身,用心目中的英雄人物为亮的星座命名。如今的孩子们,早就知道了星星并不是人,他们要问的问题可能是: “星星是不是也有生老病死呢?” 的确,星星和人一样,也有生老病死。不过,星星的寿命要比人类个体的寿命长得多,经常需要以“亿年”为单位来计算!从天文观测的角度看,恒星会主动发光,而行星只是被动地反射或折射恒星发出的光线而已。恒星的质量较大,它们“心中燃着一把火”,它们的生命过程轰轰烈烈、多姿多彩。科学家们将各类恒星的诞生、演化,直至死亡的整个过程,称之为“恒星的演化周期”。根据恒星质量的不同,它们的演化周期(寿命)也大不相同。一般而言,恒星质量越小寿命越长,从几百万年到数兆年不等。
那么,首先让我们考察一下我们这个大家庭的主人,离我们近的恒星——太阳。太阳诞生于何时?经历了什么样的生命周期?它还能照耀多久呢?太阳的“生死”决定了大家庭成员们的生死,也与我们地球上人类的生存息息相关,千万不可小觑。 目前的太阳几乎是一个理想球体,从中间向外依次为核心区、辐射区和对流区(图111(b)左上太阳内部截图)。恒星发光的原因是因为它们内部有热核反应,太阳也是如此。公众熟知的核反应例子是世界上一些大国掌握的核武器: 原子弹和氢弹。前者的物理过程叫作“核裂变”,后者则叫作“核聚变”。裂变指的是一个大质量的原子核(例如铀)分裂成两个较小的原子核,聚变则是由较轻的原子核(例如氢)合成为一个较重的原子核,比方说氢弹便是使得氢在一定条件下合成中子和氦。无论是裂变还是聚变,反应前后的原子核总质量都发生了变化。爱因斯坦的狭义相对论认为质量和能量是物质同一属性的不同表现,它们可以互相转换。在两类核反应中都有一部分静止质量在反应后转化成了巨大的能量,并且被释放出来,这就是核武器具有巨大杀伤能力的原因。太阳内部所发生的,是与氢弹原理相同的核聚变。
图111太阳内部的核聚变反应
(a) 核反应; (b) 太阳中心的热核聚变
核聚变要求的条件非常苛刻,需要超高温和超高压。人为地制造这种条件不是那么容易,虽然人类已经有了氢弹,但那是一种破坏性的、对付敌人的武器,要想办法控制这种能量而加以和平利用,仍然是困难重重。可是,在太阳的核心区域中却天然地提供了这一切难得的条件。那里的物质密度很高,大约是水密度的150倍,温度接近1.5×107℃。因此,在太阳核心处进行着大量的核聚变反应。 太阳内部的热核反应会产生大量能量极高的伽马射线,这是一种频率比可见光更高的光子,同时也产生另外一种叫作中微子的基本粒子。因而,在我们的宇宙中,不仅飞舞着各种频率的光子(电磁波),也飞舞着大量的中微子!中微子字面上的意思是“中性不带电的微小粒子”,是20世纪30年代才发现的一种基本粒子。中微子有许多有趣的特性,有待人们去认识和研究。比如说,科学家们原来以为中微子和光子一样没有静止质量,但现在已经认定它有一个很小很小的静止质量。
如图111(b)所示,光子从太阳核心区出来后的轨迹弯弯曲曲,平均来说,要经过上万年到十几万年的时间,才能从太阳核心区到达太阳的表面,并且从伽马射线变成了“可见光”,继而再飞向宇宙空间。中微子的行程则是直的,两秒钟左右便旅行到了太阳表面,并且逃逸到太空中去了。 无论如何,太阳系大家庭的有用能量之来源是太阳核心区的核反应。聚变反应的每一秒钟,都有超过4×106t的物质(静止质量)转化成能量。如此一来,科学家们不由得担心起来: 太阳以如此巨大的速度“燃烧”,还能够烧多久呢?简单的计算可以给我们一个近似的答案。太阳的质量大约是2×1027t,每秒钟烧掉4×106t,每年大约要烧掉1014t。因此,如果太阳按照这个速度进行核反应,大约还能燃烧1013年,即100亿年。这个结论只是粗略的估算,太阳具体的演化过程,可参考图112。 恒星的生命周期和演变过程取决于它初的质量。大多数恒星的寿命在10亿岁到100亿岁之间。粗略一想,你可能会认为质量越大的恒星就可以燃烧更久,因而寿命更长。但事实却相反: 质量越大寿命反而越短,质量小的(矮子)细水长流,命反而长。比如说,一个质量等于太阳60倍的恒星,寿命只有300万年,而质量是太阳一半的恒星,预期的寿命可达几百亿年,比现在宇宙的寿命还长。
图112显示了恒星诞生后的演化过程。太阳是在大约45.7亿年前诞生的,目前“正值中年”。太阳在 45 亿年之前,是一团因引力而坍缩的氢分子云。科学家们使用“放射性测年法”得到太阳中古老的物质是45.67亿岁,这点与估算的太阳年龄相符合。 恒星自身的引力在演化中起着重要的作用。世界万物之间存在的引力使得两个质量互相吸引。一个系统中,如果没有别的足够大的斥力来平衡这种吸引力的话,所有的物质便会因为引力吸引而越来越靠近,越来越紧密地聚集在一起。并且,这种过程进行得快速而猛烈,该现象被称为“引力塌缩”。在通常所见的物体中,物质结构是稳定的,并不发生引力塌缩,那是因为原子中的电磁力在起着平衡的作用。
图112恒星的生命周期(彩图见后)
在恒星形成和演化过程中存在引力塌缩。所有恒星都是从分子云的气体尘埃坍缩中诞生的,随之凝聚成一团被称为原恒星的高热旋转气体。这一过程也经常被称作引力凝聚,凝聚成了原恒星之后的发展过程则取决于原恒星的初始质量。太阳是科学家们熟悉的恒星,所以在讨论恒星的质量时,一般习惯将太阳的质量看成是1,也就是用太阳的质量作为质量单位。 质量大于1/10太阳质量的恒星,自身引力引起的塌缩将使得星体核心的温度终超过1千万℃,由此启动质子链的聚变反应,氢融合成氘,再合成氦,大量能量从核心向外辐射。当星体内部辐射压力逐渐增加并与物质间的引力达成平衡之后,恒星便不再继续塌缩,进入稳定的“主序星”状态。我们的太阳现在便是处于这个阶段,如图112所示。
质量太小(小于0.08倍太阳质量)的原恒星,核心温度不够高,启动不了氢核聚变,就终成不了恒星。如果还能进行氘核聚变的话,便可形成棕矮星(或称褐矮星,看起来的颜色在红棕之间)。如果连棕矮星的资格也够不上,便无法自立门户,终只能绕着别人转,变成一颗行星。 太阳的主序星阶段很长,有100亿年左右。到目前为止,太阳的生命刚走了一半。 并不是所有恒星的生命演化过程都和太阳一样,恒星后的归宿是什么?主要取决于恒星的质量。从主序星到红巨星阶段,大家的过程差不多,后来则因为质量不同而走了不同的路,见图112。分叉点是在“8 倍太阳质量”之处,对应于“钱德拉塞卡极限”。这个界限值是由印度物理学家钱德拉塞卡在20多岁时发现的,他为此而在70多岁时荣获诺贝尔物理学奖。
图112中向下的分岔是质量小于8倍太阳质量的恒星演化过程,也就是我们太阳将来要走的路。太阳在主序星阶段中,温度将会慢慢升高。当它 100 亿岁左右时,核心中的氢被烧完了,但是内部的温度仍然很高,就开始烧外层的氦。于是,太阳会突然膨胀起来,体积增大很多倍,形成红巨星。经过了红巨星之后,可以进行聚合反应的元素燃烧完了,星体慢慢冷却下来,继续塌缩,体积从红巨星大大缩小,星体中的物质以离子和电子云的状态存在。电子是费米子,遵循泡利不相容原理,任何两个电子都不能处于完全同样的状态。然而,逐渐缩小的星体体积却力图迫使它们处于相同的(简并的)状态,如此便在星体中产生一种“电子简并压”与引力塌缩作用相抗衡。也就是说,引力塌缩的作用要使星体体积越变越小,而电子简并压则使得星体体积增大,才能有更多的空间容纳更多的电子状态。两者在某个点取得平衡,形成白矮星。这里我们用“矮”字来表示那种体积小但质量大的星体。天文学中有5种小矮子: 黄矮星、红矮星、白矮星、褐矮星、黑矮星。白矮星白而不亮,还能够慢慢散发出暗淡之光,延续若干亿年,后什么光都没有了,变成黑矮星。这便是这一类质量小于 8倍太阳质量的恒星(包括太阳)的归宿。
质量大于8倍太阳质量的恒星,后来的结局有所不同。它们内部的引力太大了,压抑太厉害了爆发起来也厉害。爆发成了一个红巨星还不能使它们过瘾,紧接着又爆发成一颗亮度特大的超新星。超新星之后才慢慢冷却,内部的巨大引力使得其中的物质继续塌缩。这次塌缩的结果又会是什么呢?即使经过了与白矮星类似的电子简并压阶段,但因为质量太大,电子简并压抗衡不了引力以达到新的平衡。那么后,物质将塌缩到哪里去呢?这些问题困惑着20世纪 二三十年代的物理学家们。当时从实验中已经发现了电子和原子核,但中子尚未被发现。后来,实验物理学家发现并证实了“中子”的存在,证明物质是由电子、质子和中子组成的。这个消息立即传到了哥本哈根,量子力学创始人波尔(1885—1962)召集讨论,正好在那里访问的著名苏联物理学家朗道(1908—1968)立刻将这个发现与恒星塌缩问题联系起来。朗道敏锐地认识到,质量大于8倍太阳质量的恒星,将塌缩成为“中子星”。也就是说,巨大的引力作用,将使得电子被压进氦原子核中,质子和电子将会因引力的作用结合在一起成为中子。中子和电子一样,也是遵循泡利不相容原理的费米子。因此,这些中子在一起产生的“中子简并压”力,可以抗衡引力使得恒星成为密度比白矮星大得多的稳定的中子星。 中子星的密度大到我们难以想象: 108~109t/cm3。 不过,恒星塌缩的故事还没完!后来在“二战”中成为与原子弹有关的“曼哈顿计划”领导人的奥本海默,当时也是一个雄心勃勃的年轻科学家。他想: 白矮星质量有一个钱德拉塞卡极限,中子星的质量也应该有极限啊。一计算,果然算出了一个奥本海默极限。 超过这个极限的恒星应该继续塌缩,结果是什么呢?如同图 112 右上方所显示的,这种超大质量恒星后将塌缩成一个“黑洞”。有关黑洞,我们将在后面介绍。 虽然科学家们在20世纪30年代就预言了中子星,甚至黑洞,但是真正观测到类似中子星的天体却是在30多年之后。
中子星和白矮星都是已经被观测证实在宇宙中存在的“老年”恒星。天文学家们也观测到很多黑洞,或者说观测到的是黑洞的候选体。将它们说成是“候选”的,是因为它们与理论预言的黑洞毕竟有所差别。例如,离地球近的孤立中子星位于小熊星座,被天文学家取名为“卡尔弗拉”(Calvera)。这种中子星没有超新星爆发产生的残余物,没有绕其旋转的星体,因为发出X射线而被发现。 太阳的后“归宿”是白矮星。但是,我们中的任何人都等不到那一天,好几十亿年,实在太长了!不过,银河系中如此多的恒星给我们展示了这两种星星的样板。在离太阳系大约350光年远的地方,有一对有趣的联星系统,正好由一颗红巨星和一颗白矮星组成,它们的英文名字叫“Mira(A和B)”。Mira的中文名是蒭藁增二,来自中国古代的星官名。
图113MiraA和MiraB(图片资料来自NASA)
前面的章节中说到人类社会中的各个大国正在进行太空争夺战。十分有趣的是,宇宙中的各个天体之间,也在进行着无言的、永恒的争斗。天体之间基本的力是引力,但很多天体周围都有电磁场,因此星体间的电磁作用有时也起主导作用。在这两种长程力的作用下,天体之间互相影响,互相制衡,形成宇宙中一幅十分有趣的物理图景。 地球和太阳间的电磁场也有“搏斗”,欲知它们如何搏斗,且听下回分解。 第12节大伞撑起地磁场变幻莫测太阳风太阳的活动情形与人类在地球上的生存环境息息相关,因此,太阳自然地成为人类航天计划重要的探索目标。20世纪90年代,以“尤利西斯号”(Ulysses)、太阳和月球层探测器(Solar and Heliospheric Observatory,SOHO)等为代表的一系列太空飞船的任务,还有近的欧洲空间局与中国科学院合作的“SMILE”计划,目标都是直指太阳以及地球附近空间的辐射带。俗话说得好: “万物生长靠太阳”。太阳发光又发热,供给地球
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