NO.1032 为什么太阳是天文学的枢纽?


今天推荐的内容来自高爽老师的《天文学通识30讲》。

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那接下来,给你分享的是高爽老师课程里的一讲,非常的有意思。我们一起来看看:天文学家是怎么通过一颗太阳,来了解宇宙中亿万颗恒星的?有请高爽老师。

你好,欢迎来到《天文学通识》,我是高爽。

太阳是天文学了解远方的枢纽。为什么这么讲呢?这就要先讲一个科学家的小故事了。

据说这个人是世界上第一个知道遥远的恒星为什么会发光的人,是核物理学家汉斯·贝特。因为他发现了恒星的热核反应原理。

就在刚想明白这个道理的那个晚上,他和自己的女朋友一起约会。他的女朋友指着天上的繁星说:“它们真美。”汉斯·贝特听到后回答说:“是啊,而且我还是世界上唯一一个知道它们为什么会发光的人 。”

这是一个浪漫的故事,但是在这个背后却有一个更深刻的问题。恒星那么远,数量又有无数多个,汉斯·贝特是怎么能知道它们是如何发光的呢?我们现在肯定知道,因为太阳,太阳就是一颗恒星,在恒星中它很普通,只是距离我们比较近。

所以,太阳就可以作为亿万恒星的样本,我们只需要搞明白太阳,就相当于搞明白了所有恒星。或者,我们有了一个想法能用来解释某些恒星现象,但是不知道对不对,那我们就可以把太阳作为检验对象进行验证。

太阳,是我们能与遥远恒星发生联系的枢纽。至于我们是如何知道太阳和其他恒星是同类的,其实我们在第一章的时候就已经讲到了,通过光谱分析可以知道,所有恒星,包括太阳在内,它们的元素模式是一致的,所以它们的规律也应该是一致的。正因为这样,汉斯·贝特才能如此自信地对女朋友讲出那句话,他知道恒星为什么会发光。

不过,你有没有好奇过,汉斯·贝特是一个核物理学家,研究的都是最微观的问题,结果却解决了一个恒星尺度的宏观问题。他为什么能做出这么跨界的事情?这就是太阳作为枢纽的另一个层面了。它在天文学的模型体系中的地位非常重要,因为作为一个枢纽,它连接了宏观与微观。

汉斯·贝特知道为什么恒星能持续发光,那是因为他搞明白了核聚变反应如何能够持续发生,这正是恒星内部发生的事情。

最开始人们对太阳的最大好奇就是为什么它能持续地发光发热。这个问题一直困扰着科学家,因为太阳释放出的能量实在是太大了。

我们地球上绝大多数的能量来源都是太阳,而这还只是非常小的一部分。所以,到底是什么维持着太阳活跃,很多科学家都给出过自己的思路。有说太阳就是一个大煤球的,有说太阳是靠引力势能维持发光的,但是没有一个办法可以让太阳发光几十亿年 。

第一个给出靠谱猜想的是爱丁顿,就是那个在日食的时候,观测了星光偏折现象,证明了广义相对论的天文学家。他的猜想,也是受到了相对论的启发。相对论里有一个重要的结论,就是质能方程E=MC²。这个方程告诉我们质量和能量可以互相转换,即便是一点点的质量损失也会释放出巨大的能量。太阳只有通过这样的方式将质量转换成能量,才有可能持续几十亿年的发光发热。

但是,这还只是一个想法,具体是怎么发生的在当时还是一无所知。我们现在知道是因为核聚变,可是当时连原子核里有中子这件事都不知道,所以这个问题,就不是天文学家能解决得了的。这也是为什么汉斯·贝特是一个核物理学家却能回答天文学问题的原因。

于是,为了解决太阳发热的问题,核物理被连接到了天文学的模型体系中。微观世界和宏观世界产生了关联,太阳的枢纽价值再次体现。

就这样在物理学家的努力下,太阳持续发光发热的问题解决了。物理学家顺便也建立起了核物理的基础。当然了,我这么说,是因为我是天文学家。如果是站在物理学家的立场,他们肯定会吐槽,核物理才是关键,太阳才是顺带解决的问题。

好吧,这都不是重点。不过,只是靠核物理的话,太阳的问题还是无法完美解决的。还需要把更多领域的知识给连接进来才行。 

我们在第一章就讲过了,天文学的可靠性是建立在模型之间的互相关联上的,关联的模型越多,跨越的领域越多,也就越稳定。太阳就把这点发挥到了极致。现在关于太阳的模型叫做标准太阳模型,它就因为自己强大的关联能力,成为了天文学中最稳定的模型。

稳定到什么程度呢?举个例子,在一些游戏里面,玩家可以设置自己的宇宙。假如创建一个太阳,你是可以任意修改各种参数的。比如,可以让太阳的温度高一点,但是其他的参数,比如体积啊、质量啊、颜色啊都保持不变。

这里我可以告诉你,如果一个游戏设计成这样的话,那么这个游戏的设计者一定不专业。因为在标准太阳模型中,质量、体积、温度、光度等等,都是紧密关联的,任何一个参数都不能单独修改,否则太阳将不能稳定存在。

为什么会出现这个情况呢?那是因为在核聚变的背后隐藏着一个长长的逻辑链条,而且这个逻辑链条关联了太阳的几乎所有参数。

什么意思呢?这么来说吧。太阳能够发生核聚变,是需要在巨大的压力下才能发生的。所以太阳只有在核心部分才能有这么大的压力。这就是说,太阳不是整个都在发生核聚变,会发生核聚变的部分只占太阳体积的0.8%,大概是地球体积的8000倍。

不过这并不是说,剩下的99.2%并不重要,如果没有它们因为重力向内挤压核心,太阳核心是没有条件发生核聚变的。就比如木星,它就像是一个发育不全的太阳,核心压力虽然也很大,但是还不够发生核聚变。如果质量再大个80倍,那么它也能点燃自己。

也就是说,核聚变的程度与太阳质量是紧密相关的。质量越大,核聚变发生的程度越大。所以,要想有一个完整的模型解释太阳发光发热,那么就需要把太阳质量这个参数关联进来。而且这条逻辑链条还远远没完。

质量越大,核聚变程度越大。核聚变程度越大,那么释放的能量就越多。释放的能量越多,那太阳的温度也就越高。这样温度这个参数也就需要被关联进来了。

温度被关联进来了,那么太阳的亮度,准确地说是光度也需要被关联进来。我们都有这样的经验,烧红的铁块,温度越高它越亮。所以温度越高,往往表面也越亮。

我先举这几个参数作为例子,这个逻辑链条还要更长,几乎所有太阳可以测量的特征都可以被关联到这个模型中。

更重要的是这些参数也都不是独立的,在它们的背后还有一长串的观测数据和理论也被关联了进来。

就比如质量,我们肯定没有一个秤去称一下太阳多重,它是通过牛顿力学和其他行星的运行轨道计算出来的。所以,把质量关联进来,就是把牛顿力学给关联进来。

还有光度,我们是可以直接测量地球上太阳的亮度的。我们在第一章已经知道了,亮度把距离因素消除掉才是光度,这下又把测量距离的方法关联了进来。

温度就更复杂了,温度是根据太阳的颜色推测出来的,这又把热辐射理论关联进来了。 

这就像是解数学题,如果未知数只有一个,那么一个方程就行了。如果有2或3个未知数,那么就至少需要2个或3个方程,才能把未知数解出来。这就是方程组。所以,发现的方程越多,那么能解决的问题就可以越复杂。

前面讲的每发生一次关联,都相当于有一组相关的方程。最后的标准太阳模型就是在这么多的约束条件下求解出来的。它也因此成为了连接所有这些知识的枢纽,精确而稳定。

在天文学里,能把如此多的理论和知识关联起来的模型是绝无仅有的,所以我才说标准太阳模型是天文学里最稳定的模型。正是因为这样,在我们把这个模型推广到所有恒星的时候,才有勇气承认我们是正确的。这才是太阳对于天文学最大的价值。

今天我们就先讲到这里,等后面我们讲到恒星的时候,你会对太阳的枢纽价值有更深刻的体会。

思考题:

我们可以了解太阳这么详细,的确是因为它距离我们近。但是它真正的价值并不是因为近,而是它作为一个核心枢纽连接了各个领域。这样的情况在我们日常生活中也经常能够见到,你可以从自己的身边举几个例子吗?

内容听完了。我是罗胖。

你看,天文学家思考问题的方式是不是很特别?他们面对的问题特别的大,大到整个宇宙,但是,他们能用来解决问题的信息却很少。所以,怎么利用有限的信息,来寻找事情的真相,这是天文学最有魅力的地方。

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罗胖精选,明天见。