恒星奥秘

神秘的恒星将是地球流浪时停泊的港湾

 

星星绝大多数叫做“恒星”。离我们*近的恒星是太阳。恒星的“恒”包含什么意思？它们如何运动？二是它们的亮度不变吗？如何变化？为什么会变化？它们是怎么来的？它们是如何产生的？恒星是怎样发光的？恒星有多少？它们分群吗？等等，本书将讨论这些与恒星有关的有趣的问题。

张邦固，1944年5月出生在重庆市永川县，1966年7月吉林大学物理系毕业后留校任教，1981年中国科学院高能物理研究所理学硕士，2004年退休前在科学出版社工作。

张邦宁，1946年11月出生，1966年毕业于北京清华附中预科，1982年毕业于哈尔滨工业大学精仪系光学专业，2009年退休前在航天部中国空间技术研究院北京空间机电技术研究所工作。

第1章.物理基础    001
1.1.物质世界    001
1.2.质量    002
1.3.能量    003
1.4.空间与时间    004
1.5.狭义相对论    007
1.6.波与多普勒效应    013
1.7.黑体辐射    017
1.8.特征光谱    019
第2章.周边    021
2.1.太阳    021
2.2.天体距离测量    023
2.3.银河系    026
2.4.我们的周边    041
第3章.恒星诞生    045
3.1.传统理论    045
3.2.相空间    047
3.3.新方程    049
3.4.恒星胎    053
3.5.星系形成    063
第4章.恒星成长    070
4.1.赫罗图    070
4.2.传统模型    071
4.3.恒星的状态    076
4.4.太阳核聚变概率    077
4.5.目前太阳结构    078
4.6.结束主序期的膨胀    079
4.7.变星    080
4.8.推论    083
4.9.一个自由度    090
4.10.恒星的寿命    091
4.11.新星.超新星    093
4.12.造父变星    098
4.13.恒星的年龄    100
4.14.生产元素的大熔炉    103
4.15.新模型的长处与缺陷    108
4.16.太阳演化史    111
第5章.恒星的死亡    117
5.1.白矮星    117
5.2.脉冲星    119
5.3.黑洞    122
名词术语    125
附录.作者简历    128
附件.作品明细（不含编辑作品）    131

这是一本专门介绍恒星的书。包括恒星的环境、起源、演化、消亡等。为了吸引青少年，书中用了诞生、成长、死亡等拟人化的词。但希望不会误导读者。实际上，本书是十分认真的科普读物。本书的一切都以实际和观测数据为依据，再根据一些科学定律，推演出许多有意思的结果。相关处都留有线索，以方便读者深究。但凡是笔者想象的，大都明确有推测、可能等词。不过更多的是假设。读者可以想一下，这是为什么？不那样会怎样？
确实，这里有太多有意思的事，太多太多没有弄明白的问题。本书希望吸引更多的人，特别是青少年关注这些一直眨着眼睛、微笑的“小”星星们。
感谢宋成斌编辑和清华大学出版社的领导，有了他们真诚的帮助，本书才得以出版。
书中部分内容取自百度百科。笔者对百度网和相关的撰稿人表示感谢。
 张邦固
2018年8月15日

1.1 物质世界
我们都知道，世界上的东西都是由原子构成的，包括人造原子在内，我们知道的共有一百多种原子。原子由原子核与电子构成；原子核由质子与中子构成。这些都是物质，另外，光子也是物质。
简单地说，物质就是质子、中子、电子与光子，以及由它们构成和可能产生的一切。其基本特征是可以被检测。
一切新发现的物质，新星系、新彗星、新物种、新元素、新粒子，都经历了首先被发现和被他人检验的过程。如果只有某个人或者某些人宣布的首次发现，而他人却不能对其进行检验，那么这种“发现”便不会被承认，“它”就不是物质。
不属于物质的还有神、鬼、仙、佛等精神。其特征是，信则有，不信则无。例如，人们所说的“佛在心中”“上帝与我们同在”等。
此外，人们相当关注的不明飞行物（unidenti.ed .ying object，UFO）是不是物质？或者说，它们是不是真实存在？对于这些不明飞行物，我们应该针对每一个事件进行具体的调查研究、分析判断。
许多人同时观察到的不明飞行物应该被认为是真实存在的，因为许多人的观察可以互为检验。但实际上，经过事后认真的调查研究，许多这一类不明飞行物都被确认为军方的隐形飞机、球状闪电，或是气象气球等。这些物体之所以没有在当时就被人们辨认出来，是因为人们不熟悉它们，或者是因为当时的气候条件比较特殊才会出现少见的景象。单个人的与不明飞行物有关的经历则不能被认定为真实存在。因为它缺少被检验这一必要环节。
有关不明飞行物的更多情况，读者们可以读一读李大光所译、美国天文学家、著名科普作家卡尔·萨根（Carl Sagan，1934—1996年）所著的《魔鬼出没的世界》*。
所有物质都具有两种基本性质：一是惯性，二是引力。
篮球、铅球等被扔出去以后仍然可以继续向前飞行，飞机、汽车等在关掉油门之后仍然可以接着前进；板凳等物体不会自己发生移动……这种在不受力或者在所受合外力为零的情况下，维持其匀速直线运动或者静止状态的性质就叫做惯性。为了定量地描述物体的惯性，人们定义了一个物理量——质量。当物体受力时，会产生加速度，牛顿（I. Newton，1642—1727年）第二定律告诉我们，其加速度正比于所受到的力。这个比例常数就定义为该物体的质量。
我们吃早饭时，滚出桌边的鸡蛋会掉下去；秋天，离开了树枝的叶子会落下来；抛向空中的物体会落回来；卫星和月亮会绕着地球转；地球绕着太阳转……这些都是因为所有的物体之间均会相互吸引。两个物体之间的引力正比于它们的质量之积，反比于它们之间的距离的平方。这个比例常数叫做引力常数，通常用G表示，它等于6.6732×
10-11N·m2·kg-2。人们用秤来称量物体就是利用了物体与地球之间的引力。
1.2 质量
因为由这两种基本性质定义的质量相等，所以可以把质量直接定义
*　萨根 C.魔鬼出没的世界[M].李大光，译.长春：吉林人民出版社，1998.
为物质的量。国际计量单位制（System International，SI）中，质量的单位就规定为保存在巴黎的铂铱合金标准体（这块物质）的量。质量的定量度量方式仍然要借助于上述两种基本性质。
我们知道，物质一般呈现为三种形态：固态、液态和气态。固态物质是具有固定大小和形状的物质形态，通常也叫做固体或物体。例如，我们周围的石头、瓦块、金属木材等。液态物质没有固定形状，容易流动，密度比较大，与固体差不多，不容易压缩。我们周围最大量的液态物质是水，油和水银也呈现为液态。气态物质没有固定形状，容易流动，密度比固体和液体都小得多，容易压缩。空气是最常见的气体。水蒸气、煤气、天然气和各种蒸气也是常见的气体。
物质的各种形态在一定条件下会相互转化。春天，冰会化成水,水蒸发会变成水蒸气。煤燃烧会产生二氧化碳和灰烟，并放出光和热。
在一切变化过程中，物质的量不会变化。这就是质量守恒定律：孤立系统的任何变化都不会改变它的质量。所谓系统就是一定量的物质；而孤立系统就是与其他物质没有任何质量、能量交换，也没有相互作用的系统。1kg冰融化之后会有1kg水；它蒸发之后会有1kg水蒸气。
质量守恒定律是最普遍的自然规律之一。
1.3 能量
马儿在跑，羊儿在跳，云在飘动，风在呼啸……所有物质都在运动。物质的运动是绝对的，而静止是相对的。躺在卧铺上的人相对于车厢是静止的，相对于大地却是运动的；睡在家中床上的人，相对于地面是静止的，而相对于太阳来说，他一方面随着地球的自转运动，另一方面还随着地球的公转而绕着太阳运动。这些都是宏观的运动。微观方面，他的心脏在不停地跳动，血液在不停地流动，细胞在不断地新陈代谢。我们早晨起床后，枕头上往往会留下几根头发，这就是头部皮肤和头发经过了一晚上运动的结果。生物有着新陈代谢的运动，没有生命的物体也有着微观的运动。山上的岩石看起来没有变化。但是，它会随着白天、夜晚气温的变化而热胀冷缩。长年累月下来，再坚硬的岩石也会风化。
为了定量描述运动，人们定义了能量。能量就是运动的量。
能量基本上可以分为两类：动能和势能。动能是物质（物体）因为运动而具有的做功的能力。例如，空气运动（风）能吹动帆船、风车等做功；水流动能推动水车、船等做功。所以，风能、水能等都是动能。势能是物质（物体）系统处于一种状态时所具有的能量，在一定条件下，这种能量可能转化为动能。例如，老式挂钟中的重锤，当它逐渐垂下时会带动钟摆，从而做功；而它没有下垂到最低点之前，它都具有势能。势能是一种储存着的能量。
根据物质的运动形态，动能还可以细分为机械动能、分子（或粒子）无规则运动动能（又叫内能）、声能、光能等；势能也可以细分为引力势能、弹性势能、电磁势能等。各种能量形态可以相互转化。大坝上水的势能在流下去时会转化为动能，进入涡轮发电机之后又会转化成电能。在所有的能量转化过程中，能量不会减少，也不会增加。这就是能量守恒定律：孤立系统的能量在任何变化过程中保持为恒量。它也是最普遍的自然规律之一。
1.4 空间与时间
我们知道，物体有大小。例如，桌子一般高约80cm，足球的直径约20cm，地球的半径约6400km。这些例子都说明，物质具有广延性。
物体运动时，位置就会变化。这种物质及其运动的广延性就定义为空间。
空间是可以测量的。去过大型剧（会）场的人都知道，其中的座位分排、号，还有层。一个桌子除了有长和宽，还有高……这些例子说明，空间有三维。一维空间是一条线，两维空间是面。而我们所生活的现实空间是三维的。一维、二维空间都是忽略了其余的维度所得到的。例如，一张纸，可以看成一个二维空间，但是它一定要很薄。如果它很厚，以至于其厚度必须要考虑时，它就是三维的了。
那么除了我们所在的三维空间之外，还有没有第四维空间？
如果有，它就应该被测量到。空间是物质的属性。如果有四维的物体，那么，它在运动通过我们这个三维空间时，我们应该观察得到。人们上下楼时，就是三维物体通过二维空间的例子。这时，在二维空间中的生物看来，会出现什么景象呢？人们会看到一个生物的头、身体、腿、脚依次出现。就是说，会出现三维空间中质量不守恒的现象！
我们的空间是三维的，对空间有兴趣的读者可以看看本人所著的《空间奥秘》（作品明细，著作[3]）。
物质运动不仅具有广延性，还具有持续性。我们知道，太阳每天都会从东方升起，在西方落下；钟摆会不停地来回摆动……这种持续性就定义为时间。
所有物质都在运动，所以可以通过任何物质的运动来度量时间。故宫里的日晷是通过一根斜棍子的影子长短和方位来度量时间的。而直接观看太阳的高度和方位也可以度量时间。用“一炷香”“一袋烟”来表示时间的方法，在我国古代民间也经常用到。古代还有沙漏等计时器。后来，人们又逐渐使用机械钟表、石英表、电子表来计时，现在使用铯原子钟作为时间的计量基准。
时间有方向性。它只能“前进”，不能“后退”，也就是说，时间只能由“现在”到“将来”，而不能回到“过去”。如果非要回到“过去”，就会违反因果律，从而出现混乱。例如，如果回到“过去”。那么，一旦发生了下述事件，应该如何理解？如果回到“过去”的主角使当时的一个小孩死掉了，而这个小孩恰巧是主角的祖先。是不是主角应该在其祖先死掉的同时就消失？连尸体也突然消失？不仅如此，主角的、并未回到“过去”的、仍然生活在“现在”的父亲、祖父等人，只要是那个祖先的后代就都应该消失！这还没有完，这些人的配偶该有什么变化？他们参与建造的房屋、桥梁等建筑物该怎样变化？总之，完全乱套了。
这并不是一个离奇的可能。只要能回到过去。离奇的可能很多。例如，一个人回到过去，杀死了刘邦；或是一个物理爱好者回到纳粹时期，帮助当局先于美国制造了原子弹……
还可以设想一个浪漫的故事。一个少年回到“过去”，邂逅了一个少女。两个人一见钟情，然后美满地生活在一起。但是，这样一来，故事里的主角还会存在吗？那个“过去”的少女很可能是主角的很多代前的祖母。我们来估算一下其概率。一个人的父母是两个人，祖父母有4个人；或者说，他的第二代祖先有22个人。以此类推，他的第n代祖先有2n 个人。如果一代按20年计算，那么，一个人在1000年前就应该有250 个第50代祖先。而
250=107亿
一千万亿！这是现在全世界总人数的10万多倍。也就是说，一个人如果回到1000年前，那么，他遇到的每一个人都是他的祖先！
上面的估计没有考虑可能发生的重复。不过，无论如何，回到1000年前遇到自己祖先的可能性都是非常大的。如果他改变了其中任何一个人的生活进程，就都会使他自己不复存在。
即使不和人交往，回到“过去”以后，吃掉一只鸡、一条鱼，也会对多少年后的“现在”产生影响。即使不吃不喝，只要回到“过去”，总要占据一块空间、要呼吸、要观察，这也必然会改变某些事件原来的进程，会对多少年后的“现在”产生难以估计的影响，出现不可调和的矛盾。
所以，回到“过去”，与因果律矛盾，是绝对不会发生的。