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[新生]我们都是星星的孩子Comments>>

发表于 2010-03-19 14:15 | Tags 标签:, ,

2009年12月30日下午,我给Starryguo打电话,才得知他已于当天上午7点喜获一女,这个松鼠宝宝还真会挑时间,赶着送给她那位天文爱好者老爸送一份2009年最具份量的礼物。

2009是生物学家和天文学家的狂欢之年。达尔文诞生200周年、《物种起源》发表150周年、还有伽利略开创望远镜天文学400周年纪念从年初继续到年尾。

不过,生物学和天文学的“瓜葛”,从400年前就开始了。达尔文赖以观测生物微观结构的显微镜,最初就是伽利略发明的;400年后的今天,天文学家又告诉我们,其实生命,包括我们自己,也都是星星的孩子。

(图说:恒星的演化提供了生命的物质基础)

1.  19世纪关于太阳发光的讨论

在遥远的古代,太阳就被封为威力巨大的神灵,直到今天,幼儿园的小朋友都会念“万物生长靠太阳”。不过,科学地认识太阳的本质,却是晚近才发生的事情。

1833年,由音乐家转行的天文学家赫歇尔(Herschel,他发现了天王星)在他的著作《天文学》(Treatise on  Astronomy)中热情洋溢地表达了这个观点:

“阳光是地球表面几乎所有运动的最终根源。阳光带来的热量产生了风,由于阳光的“生气”,无机物转变成了植物,并进一步支持动物和人类的活动;在煤层中,阳光的动能效率沉积下来又能够为人类所用。”

歌颂归歌颂,对于阳光从哪里来,与赫歇尔同时代的科学家们始终不能肯定。追问太阳如何发光,其实也就是问太阳的年龄是多少,这两个问题其实是同一个。这个问题的难度,在于人们很难解释太阳发出的巨大能量。在一个平常的夏日,把边长为1厘米的冰块放在阳光下,大约40分钟就可以完全融化(这里是粗略的估算),让我们假想一下,假如有一个厚度为1厘米,半径为1.5亿公里(地球到太阳的距离)的冰壳,包裹在太阳周围,这个庞然大物也将在40分钟内瓦解冰消。什么样的物理机制能够散发如如此之多的热量?

19世纪的物理学家们最熟悉的,也是宏观上最常见的力就是伟大的牛顿爵士提出的引力作用。1855年德国柯尼斯堡大学的生理学教授亥姆霍兹(Helmholtz)在一次颇有影响的演讲中,提出太阳辐射的巨大能源来自巨大质量的引力收缩,引力能转化为热能,然后导致太阳发光。

同年,开尔文勋爵也提出了他的观点,他基本同意亥姆霍兹,只是在具体机制上略有不同,他认为阳光是由于不断地有彗星撞击到太阳上,这些彗星的引力能产生了太阳所必须的热能。

物理学家们很清楚,要想发光,就必须为太阳提供能源,这是19世纪热力学家们的共识,根据开尔文勋爵提出的热力学第二定律,热量会自发地从热的物体流向冷的物体,很显然,如果没有外来的能源供应,太阳、地球都会逐渐冷却,生命就无法继续在地球上生存。开尔文勋爵是热力学的主要奠基人之一,他的观点在科学界拥有举足轻重的地位。

与物理学家们关心太阳发光机制有所不同的是,生物学家和地理学家们关心的是太阳光的效应,他们所擅长的,是从各种生物、地理现象出发,推算这些现象所持续的时间,也就是地球以及太阳的年龄。

1859年,达尔文在他发表的《物种起源》第一版中对地球的年龄做了一个粗略的估算,他估算了一下由于腐蚀作用,要多长时间才能形成英格兰的威尔德峡谷(Weald),他算出的威尔德峡谷的“剥蚀时间”大约是3亿年,显然在这3亿年里,足以在地球上产生名目繁多的物种。正如赫歇尔说的,阳光是生命和地理现象进化的动力,达尔文估算为地球的年龄,也为太阳的年龄提供了一个下限。

不过达尔文的自然选择理论遭到了开尔文勋爵的坚决反对。虽然天文观测表明没有那么多的彗星来支持开尔文的理论,不过开尔文把他的理论修正为引力能量来自于太阳形成时所吸收的彗星。1862年,开尔文自信满满地宣称:

“彗星理论无疑是正确的,它对于太阳热能的解释是毋庸置疑的,其理由如下:(1)除了化学反应的理论之外,没有任何一种自然的解释值得考虑;(2)化学反应的效率比较低,即使最强的化学反应的能量也不足以解释太阳热能,太阳质量所能产生化学能只能让太阳发光3000年;(3)彗星理论支持太阳寿命为两千万年以上,这不存在什么困难。”

开尔文根据太阳的质量和直径,计算了这样一个物体所能够辐射出来的引力能,估计的太阳寿命约为三千万年,从而对达尔文对于地球寿命超过3亿年产生了怀疑,进而认为达尔文所谓的“自然选择”也是不太可能实现的。

19世纪许多科学家对地球和太阳的年龄进行了估算,理论物理学家们根据当时所知道的能量类型的估算,太阳寿命至多为千万年的量级,而地理学家和生物学家们则认为,为了产生地理学的变化和生物进化所需要的能量,太阳至少已经闪耀了几亿年。由于开尔文在科学界的巨大权威及其在理论物理学方面的造诣,达尔文对自己的估算结果产生了深深的怀疑,在他最后一版的《物种起源》中,他删去了所有对时间尺度的提法。在1869年写给自然选择理论的另一位发现者华莱士的信中,达尔文抱怨说,开尔文关于世界年龄的观点是他最烦恼的事情之一。

今天我们知道,实际上开尔文勋爵的观点是错误的,达尔文的想法更接近真实情况。根据对陨石的放射性测量,太阳的年龄约为46亿年。不过这也说明,在19世纪的时候,科学界已经达成了一种共识,任何领域的研究结果都必须要受制于基础物理学定律。开尔文所没有想到的是,当时人们对于物质结构的理解还仅限于原子-分子的层次,而支持太阳发光的能源恰恰来自更深层的结构,因此对于太阳发光理解,还必须有赖于基础物理学的进一步发展。

2.  放射性的短暂迷局

理论物理学家和地理学家、生物教学之间的争论在1896年出现了转机,在前一年,德国科学家伦琴发现了X射线,在这一年,法国科学家贝克勒尔在试图研究X射线的过程中发现了天然放射性——某些物质(比如铀盐)能够使照相底板感光,这种“放射性”来自原子核内的转变,1903年,皮埃尔·居里和他的年轻助手拉波尔德注意到,同样具有放射性的镭盐可以持续的产生热量,通过实验结果知道,每克纯镭每小时可以产生100卡的热量。这些发现让物理学家们逐渐明白了一个事实:一种此前没有注意到的能源被发现了。威廉·威尔逊和达尔文的第二个儿子乔治·达尔文(他是一位天文学家家兼生物学家)立刻提出来放射性可以作为太阳发光的能源。

正在蒙特利尔的麦克吉尔大学担任物理学家教授的卢瑟福也发现放射性元素伴随着α衰变也会放出大量的热量,在1904年,他宣称:

“能够释放大量热能的放射性元素的发现,延长了地球上可能存在生命的时间期限,使得地理学家和生物学家们所提出的进化过程所需要的时间可以得到满足。”

放射性元素的发现把理论物理学家不再纠缠引力能的计算,开始考虑来自原子核内部的能量。不过天文观测发现,在太阳的主要成分是最简单的氢、氦元素,中并不存在数量巨大的放射性物质。而且对于大量恒星的观测表明,恒星释放的能量与其温度直接相关,而放射性元素释放能量的多少和温度并没有任何关系。但理论学家们来不及为这个问题担忧,因为20世纪初迅猛发展的物理学让他们迅速找到了太阳发光的正确答案。

3. 爱丁顿的核聚变假说

1905年,正在苏黎世专利局工作的爱因斯坦从他的狭义相对论推导出了著名的质能关系E=mc2(E代表能量,m代表质量,c代表光速),这个简洁有力的公式至今无数人为之着迷。它将质量包括进了物理学最为“放之四海而皆准”原理——能量守恒原理之中。但它和太阳发光有什么关系呢?

1919年,理论天文学家罗素(这是个美国人,不是法国哲学家罗素)总结了天文学中关于恒星能源的研究线索,他指出,最重要的线索应该是恒星内部异常的高温。1920年英国的物理学家兼化学家阿斯顿(F.W.Aston)发现了解决这个问题最重要的实验线索,他在寻找氖元素的同位素时,对许多原子的质量做了最精密的测量,其中就包括氢和氦这两种太阳里最常见的元素。他发现含有两个中子两个质子的氦原子的质量要比四个只含有一个质子的氢原子质量要轻一点儿。

杰出的天文学家爱丁顿爵士立刻意识到了阿斯顿测量结果的重要性,就在同一年爱丁顿向英国科学促进会做了一个报告,指出基于阿斯顿的测量结果,通过将氢元素转变为氦元素,根据爱因斯坦的质能关系,这可以支持太阳发光。通过氢燃烧变成氦,损失大约0.7%的质量,原则上,太阳可以燃烧……1000亿年!(当代进一步的计算结果是100亿年)这是个令人惊异的结果,大大超出了此前关于太阳年龄的任何估计。

而爱丁顿以他同样令人惊异的预见,提出了这种“恒星能源”与将来人类社会的关系:

“既然恒星能够自由控制这种亚原子的能源保持长期有效运转,那么看来离人类能够控制这种潜在的能量以满足人类的福利又进了一步……”

这个“可控核聚变”之梦,在能源危机频发的今天显得更加可贵,目前正在法国建造的国际热核聚变实验堆(ITER)正是爱丁顿之梦的现实版,据乐观估计,30~50年后,人类可以用上这种“恒星能源”。

4. 我们都是星星的孩子

爱丁顿爵士提出“核聚变”的时候,这还仅仅是一个假说,究竟如何实现这种聚变还没有人知道。而且从经典物理来说,氢原子核(也就只质子)本身带有正电荷,同样的电荷靠近时,根据平方反比关系的库仑定律,两者之间的排斥力会趋向于无限大,“聚变”根本就不可能实现。不过这个“不可能”随着描述微观世界的量子力学的进展逐渐变成了“可能”。

1928年,在德国哥廷根大学工作的苏联乔治·伽莫夫(Gamow)提出了“伽莫夫因子”,指出当两个带同样电荷的粒子在靠得足够近的时候,存在一定的几率可以克服库仑势垒结合在一起,把它们拉在一起的是强作用力(一种不同于引力和电磁力的新作用力),用这个伽莫夫因子可以很好的解释放射性衰变的速率。十年之后,已经逃离苏联到美国定居的伽莫夫和他的学生泰勒又把伽莫夫因子应用到在恒星内部高温条件下可能存在核反应上,计算的结果让他们相信,恒星内部确实存在极其高的温度。

1938年,冯·魏扎克发现了一个核反应循环链,以碳元素为催化剂,通过碳-氮-氧的连续反应,可以把4个氢核合成为氦核(现在成为CNO循环),只可惜他没有能够计算出这个反应的产能速率,也没有得出这个反应所需要的温度。

太阳发光问题的最终解决是由贝特(Bethe)来完成的。贝特是一位资深的核物理学家,他所撰写的三篇关于当时已知的核物理知识的评论分析被他的同事们称之为“贝特圣经”。良好的核物理学训练为他解决恒星能源之谜奠定了坚实的基础。1938年4月伽莫夫在华盛顿组织了一个关于恒星内部结构的小型研讨会, 在这个会议上,天体物理学家们列出了他们已经知道的关于恒星的知识,贝特发现,尽管天文学家们还不知道恒星能源的具体知识,只是基于能源来自恒星中心(附近)的假设,他们已经得到非常好的结果。在这次会议之后仅仅过了6个月,贝特就完成了恒星内部氢元素燃烧成为氦元素的基本核物理过程。

贝特提出了“质子-质子链反应”,这种反应过程是太阳或者较小质量的恒星能量的主要来源,而冯·魏扎克所发现的“CNO循环”,则在比太阳更大质量的恒星中占据主导。第二次世界大战结束之后的二十年中,一批杰出的物理学家和天体物理学家如福勒、霍伊尔等,纷纷投入到恒星核反应的工作中,对贝特理论进行了完善。 

太阳如何发光——恒星核反应理论是现代天文学最重要的成就和基础之一,有了它,科学家们就可以出发解释更多的恒星、星系,以及整个宇宙的演化历史。在恒星这个核反应“熔炉”中,把最初的氢这两种简单的元素进行加工,锻造出来元素周期表中各种元素,才有了我们所看到的这个缤纷的五彩世界——我们都星星的孩子。

(图:猎户座星云(局部)。星云中的白色发亮处是新的恒星正在其中诞生。)

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27 Responses to “[新生]我们都是星星的孩子”

  1. 小如说道:

    啊耶~沙发~

    最后一张图图好漂亮哇!

  2. sjlant说道:

    星星的孩子——在医药精神领域,好像指的是患有自闭症的孩子

  3. Zis76_2mm说道:

    多么伟大壮观的新生啊。

  4. 坤女说道:

    恩,的确,星星的孩子泛指那些有发育障碍的自闭症/孤独症的孩子,因为他们不擅长交流,和我的距离就像我们与星星之间一样,所以起名叫星星的孩子。

  5. su6说道:

    希望科学松鼠会能介绍一些更加前沿的科普知识。

  6. Metaverse说道:

    嗯,我们都来自于核灰烬,不严格地说。。。

  7. Ariel说道:

    在《日出之前》这部电影里,有个算命的吉普赛女人对着女主角说了类似的一句话:“我们都是星辰!”意思跟本文也是差不多。

  8. ss109说道:

    灰烬,听起来也挺不错的。一个轮回。

  9. 孤竹牧狼人说道:

    我经常抬起头.......
    然后想到我目光看不到的N光年之外.......
    有个家伙也在抬着他的头在看着我这个方向....
    如果他也有头的话

    • 有个人说道:

      严重同意,我也曾有过这样幻想,那家伙也许会说:WOW an awful alien!!!

  10. Rayn711说道:

    星云中的白色发亮处是新的恒星正在其中诞生。

    结尾很有爱。

  11. bk201说道:

    我对可控核聚变更感兴趣,到那时候是不是就不存在能源危机了?但也可能人类到那时候消耗的能量比现在大上N个数量级,那我们只能炸恒星来获取能量了。

  12. diesirae说道:

    哲学家罗素是英国人……

  13. 集市小猴说道:

    可怜的罗素,变成法国人了

  14. Leonardo的使者说道:

    看到法国哲学家罗素,我吓了一大跳...

  15. arthurhawk说道:

    我们体内的重元素都是由上一代太阳合成的

  16. badlime说道:

    最后一句“在恒星这个核反应“熔炉”中,把最初的氢这两种简单的元素进行加工,锻造出来元素周期表中各种元素”,有失偏颇,据推测,“熔炉”中进行的元素加工,只能加工到“铁”元素,而质量更大的元素以及其它所有的元素,是靠“熔炉”即恒星的大爆炸产生的!!

  17. 丁晓辉说道:

    英国哲学家罗素吧!!!

  18. 小马说道:

    伽利略发明的是望远镜 显微镜是列文虎克发明的

  19. 呼噜卡说道:

    这个太阳看起来像个毛线球啊

  20. 呼噜卡说道:

    这个太阳看起来像个毛线球啊

  21. 呼噜卡说道:

    发重了,对不起。。。

  22. 我是那吹啥求啥的人说道:

    那个……爱因斯坦的公式里的数字2应该是上标……
    抱头,果断撤……

  23. [...] 老孙:我们都是星星的孩子 [...]

  24. [...] [新生]专题中《我们都是星星的孩子》一文以浪漫的标题激发了大片读者的共鸣,也招来了孤独牧狼人同学 [...]

  25. 流浪的火狸说道:

    表示无语