大爆炸宇宙通史-完全版- 第8部分

我们知道氢是最简单的原子，由一个质子和一个环绕的电子组成。恒星内部是如此之热，电子被从原子核边剥离走，剩下不完整的原子称为“电离”。在恒星核心，压力和温度都极端地高，这些原子核的速度是如此之大，当它们互相碰撞时核反应就会发生。氢原子核结合成次轻的元素，即氦原子核。大家公认这一过程是间接而曲折地发生的，其最终效果是4个氢原子核结合成1个氦原子核。这个过程除了产生我们看到的恒星发出的光芒外，同时还产生另一个叫做中微子的副产品，这种奇特的粒子以后还要谈到。在形成氦的过程中要损失点质量，同时释放出很多能量。正是这些释放出的能量使得恒星发光。而对太阳来说，每秒钟要损失400万吨的质量。现在太阳的质量已经比你刚开始阅读这段话时少了许多。氢燃料不可能永远地提供下去，但目前还没有危险。太阳大约在50亿年前诞生，以恒星的标准来看正值壮年。当所有的氢耗尽后，太阳并不是简单地暗淡下去，而是会发生另一段故事，这在以后的章节中会讲到。

所以至少在太阳中，能量来源于在4个氢原子核结合成为1个略轻的氦原子核时损失的质量。自然界中最着名的公式E＝mc2告诉我们质量（m）等效于能量（E），而换算系数c2是光速的平方，非常大。所以很小的一点质量消耗就会产生出巨大的能量，而太阳每秒钟要损失400万吨的物质并转化成能量！

这些消失的质量从何而来？氢原子是最简单的原子，只有1个电子环绕1个质子。所以4个氢核中的每个都是1个单独的质子；氦核则由2个质子和2个中子组成。但是，中子比质子稍微重一点，所以如果把这些粒子的质量直接加起来就会发现，1个氦核比4个氢核要重，质量反而增加了！但实际上，尽管氦原子核由重一些的粒子构成，然而其总质量却确实比4个质子要小。要记住这一领域是由量子力学和其关联效应所主宰的，答案也就在这里。如果我们测量单个质子的质量，那么它确实比中子轻。但这些亚原子粒子不是自由的。在氦原子核中它们被强核力束缚在一起，无法自由运动。在亚原子粒子形成这种束缚时会释放出能量，我们测量到的结果就是质量的降低。

正文　恒星能量的源泉（2）

2010…1…28　21：14：32　本章字数：1139

为什么产生的原子核要有2个质子和2个中子？如果2个单独的质子之间能形成稳定的约束关系，那么天体物理学家们对于核反应的研究就会变得简单得多。因为那样的话两个质子迎头相撞就能结合成这种“轻氦核”，并释放出电磁波。然而，两个质子带有相同的正电荷，电磁力使它们互相排斥，而它们之间的作用力不足以将它们约束在一起。因此，与这种简单的结合质子的方式所不同的是，在太阳和其他恒星内部，这一过程相当错综复杂而且惊人地缓慢。

由于无法把两个质子简单地结合到一块，我们必须绕过这一阻碍形成更复杂的原子核的状态。在下面的讨论中只需要考虑原子核，而非整个原子。因为在恒星内部这样的高温下，环绕原子核并组成原子的电子早已因能量过高而无法捕获。唯一起作用的是弱核力，它会造成质子自发地衰变成中子，并释放出1个正电子和1个中微子。新产生的中子可以被一个经过的质子捕获，形成一个氘核。氘实际上就是重的氢，等于1个中子加上1个质子。弱力真是名副其实，这一步骤会耗费很长时间。在太阳中心，一个质子可能平均要等上50亿年才会形成一个氘核，而此后的一切就进行得快多了。

在平均1秒左右的时间里，氘核就会抓获另一个质子结合成一种有2个质子和1个中子的稳定的原子核，即氦…3，氦的一种较轻的形式。经过约50万年，这个原子核会撞上另外一个，形成我们更为熟悉的有2个质子和2个中子的氦核，同时释放出2个质子，它们会参与到下一个循环中。这个步骤要把两个带正电的原子核结合到一起，难度较大因而较为缓慢。只在极近的距离内才起作用的强力把两个原子核吸引到一起，而电磁力又抵抗强力使它们互相远离。最后原子核会靠近到使强力发挥作用的地步。这样我们最终获得了辐射形式的能量，一个正电子它会和它的反粒子结合释放出能量及一个中微子。

中微子是以高速运动的微小粒子，几乎不与其他粒子发生作用。所以在从太阳中心发出后相对不受周围气体的阻碍。它们中的一些会到达地球，被我们建造的大型探测器所发现。许多年以来都有这样一个问题，就是我们预计每一次产生氦核的碰撞过程中都会产生一个中微子，而探测到的中微子太少。不过中微子有一个惊人的本领，就是在途中改变“味道”或者类型。粒子物理学家发现存在3种中微子，而且它们能够随着时间互相转化。原来的实验都只对其中一个特定类型的中微子敏感，而无法探测到其他类型。总之，这些实验告诉我们，在太阳中心，这一比地球上进行的任何实验都高得多的温度下所发生的反应，我们对它的认识是基本正确的。这些实验也首次提供了可靠的证据，证明中微子具有有限（虽然很小）的质量。因为如果它们像以前认为的那样不具有质量，那么就不可能从一种粒子类型转化成另一种类型。

正文　光谱

2010…1…28　21：14：34　本章字数：1343

光谱

艾萨克·牛顿爵士首次将一束阳光穿过一只玻璃棱镜，证明了阳光是由从红色（长波长）到紫色（短波长）的各种波长的光线的混合。他把阳光通过小孔和棱镜，射出后形成一条彩色光带，这是首个有意制成的光谱。牛顿并未做进一步的实验，可能因为那时棱镜的玻璃质量欠佳，无疑更为可能的是还有其他的事情正等待他去考虑。下一个真正的进展来自英国科学家W。H。渥拉斯顿。1801年，渥拉斯顿在屏上用一道狭缝代替了小孔，得到了里面横跨着许多暗线的带状太阳光谱。渥拉斯顿认为这些线仅是各种颜色之间的分界，从而与一项重大发现失之交臂。十多年后，德国光学家约瑟夫·夫琅禾费做到了这点。

像渥拉斯顿一样，夫琅禾费获得了太阳光谱。他把暗线描画下来，发现它们的位置和强度是不变的。例如在光谱黄色的部分有两条非常明显的暗线。这些线条是如何形成的？1858年古斯塔夫·基尔霍夫和罗伯特·本生给出了答案，同时奠定了现代光谱学的基础。

就像望远镜收集光线一样，光谱仪把光分解成彩虹样的光谱。观察发光的固体或者液体的光谱，你可以看到彩虹似的连续谱带；而低压气体的光谱却大不一样，与一条彩带不同，只能看到分立的亮线，即发射光谱。基尔霍夫和本生发现，每条谱线都是某种特定元素或者元素组合的标志，而且不会重复。例如钠会产生2条明亮的黄线以及其他亮线。有些元素的光谱比较复杂，比如铁有数千条谱线。而他们伟大的洞察力在于，发现太阳光谱中的暗线和实验室里发光气体光谱中的亮线是一一对应的。现在知道每条谱线都产生于气体原子外层电子某个特定的状态跃迁。如果气体很热，电子的能级降低时就会放出能量，我们就能看到发射线；如果气体较冷并且背景光是像阳光那样的连续谱的话，我们就会看到一条暗线，因为电子在相同的频率上吸收了能量，并跃迁到上面的能级。在太阳光谱黄色部分里的那一对特殊的暗线就是相对较冷的钠蒸汽存在的明确迹象。通过对这些夫琅禾费线的研究，可以得到被称为“反变层”的太阳内层大气中所有气态元素的丰度。

被称作夫琅禾费线的这些暗线还可以提供运动的信息，继而间接地告诉我们天体的距离。注意一下救护车鸣笛的声音。与静止时相比，当汽车朝我们开来时，每秒钟内有更多数量的声波进入耳朵，其效果是波长变短了，所以声调听上去越来越高；而当汽车经过后驶离我们时，每秒钟进入耳朵的声波数减少，波长增大，所以音调变低。奥地利科学家多普勒首先对这种现象做出了解释，后来这种现象被称为“多普勒效应”。对光来说也存在同样的现象。对于一个正在靠近的源，波长的缩短令光线变蓝；对于正在退行的源，光线变红。这种颜色变化极其微弱，难于察觉。但是会在夫琅禾费线中有所反映。如果所有的谱线都向红端，即长波长端移动，那么光源就正在远离我们。红移越大，退行速度就越大。

现在回到太阳光谱。太阳的明亮表面，即光球，产生连续光谱。其上的是一层压力低得多的大气（色球层），所以预计应该产生发射光谱。事情也确实如此，然而在一个明亮的彩虹背景的映衬下，这些谱线被“反转”了，看上去不是亮的，而是暗的。但是它们的位置和强度不受影响。日光光谱黄色部分的两条暗线对应着钠的发射线，所以我们断定太阳上存在钠。

正文　首批恒星的命运

2010…1…28　21：14：36　本章字数：495

首批恒星的命运

随着最早的恒星出现在宇宙中，它们的光芒终结了黑暗时代。这些恒星质量巨大，每个可能相当于150个太阳。伴随着巨大体积而来的不断增加的重力把它们的核心加热到非常高的温度。为恒星提供能量的核反应继而加速进行，所以物质被迅速地消耗掉。最早的恒星有可能在100万年里就把自己的燃料用光。

在首批恒星诞生之前，宇宙是一片原子的海洋，主要是氢原子。巨大的恒星开始发光后，其辐射四处传播，将电子踢出原子，使之电离。逐渐地，每个新恒星的周围都围绕着一个电离气体的气泡。恒星能量越大，产生的气泡就越大。恒星的能量只能影响有限范围内的气体，但这些恒星的体积和能量是如此巨大，它们造成的电离气泡可能有数万光年大小。

接下来会发生什么？围绕着两个不同恒星的气泡会偶尔相遇，一旦如此，里面的所有物质都会处在两颗恒星共同的辐照之下，被两倍的能量所激励。气泡扩展得更为迅速和庞大。这意味着有很大的可能这个扩大的气泡又和另一个邻居相接，于是整个过程进一步加速。经过相对短暂的时间，在原来充满中性氢的宇宙中，99％以上的物质都被电离了！



正文　黑洞，一个单向的旅程

2010…1…28　21：14：38　本章字数：717

黑洞，一个单向的旅程

这种最初的电离相当不合逻辑地被称为“再电离时期”，它的产生还有另一个可能的原因。包括我们星系在内的几乎每一个星系，其中心都有一个大质量黑洞。黑洞是大质量恒星坍缩的产物，它的引力是如此之强，即便光也无法逃离出来：它的逃逸速度太大了。逃逸速度的概念一目了然，就是一个物体要脱离某个质量更大的物体的重力场时，所必须具备的速度。最终，一个坍缩恒星的逃逸速度会达到每秒300。000千米，即光速。光是宇宙中最快的，而当光都无法再从那里传出，那么在这个古老恒星的四周就会形成一个禁区，没有任何东西能从那里逃逸。当然我们无法直接看到黑洞，因为它根本不发出任何辐射。但我们可以确定它的位置，因为能够探测它对其他天体的引力效应，例如当黑洞是双星系统的一个成员时。

结果是黑洞与其周围被割裂开来。因为任何辐射都无法逃出，所以我们没有办法探索其内部，而只能猜测里面的情况。如果掉落到黑洞里自然是有去无回，所以我们强烈地建议不要这样做。科学家们创造了一个新词叫“抻面条”来形容这个过程，相信任何人想到这点就都不会贸然前往了。

黑洞通常是由大于太阳质量8倍的恒星坍缩形成的，而在星系中心，等于数百万个太阳质量的巨大黑洞可能另有来历。这些庞大的黑洞可能是在宇宙非常早期的阶段形成的。如果这样，那么第一缕光线可能还不是由恒星发出的，而是物质掉落进黑洞时被加热的结果，这也足以造成普遍的电离。如果是这种情况，那么这些黑洞依然存在着，在目前仍然隐藏在星系的中心。现在还不清楚，这两种可能的再电离机制中到底是谁在起作用。我们必须对这个时期有更多的了解，才有可能平息这场争论。

正文　超新星

2010…1…28　21：14：39　本章字数：505

超新星

无论哪种理论正确，这种最早的庞大怪异的恒星都存在过，而且在再电离时期，它们对周围的影响也未结束。我们已经看到它们的寿命短暂，而其灭亡的过程却很激烈。不像正在等待我们太阳的相对平静的未来，这些巨星的终点是灾难性的爆炸。

一颗恒星的外层是由中心发生的核反应所产生的能量来支撑的。当这一过程的燃料