晴朗的夏天之夜,繁星满天。仰望天空,看着那一颗颗竞相生辉的恒星,禁不住的令人深思和神往。它们与我们的距离是那么遥远:我们现在看到的星光竟是它们在几十到几百年前发出的,就连距离最近的太阳光也是在500秒前发出的;而它们又是那么无私,自从数十亿年前形成以后就一直向外发出自己的光和热,其中距离我们最近的太阳是地球上一切生命的源泉。 太阳和我们的关系是如此的密切,所以多少年来人们也一直在探索太阳的奥秘。特别是到了现代,这种探索更是有增无减。但不管科学手段多么发达,我们仍然坚信:我们永远也没有可能深入到太阳内部,实地考察一下它的构造。因为它的高温可以烧毁一切测量仪器,更能烧死所有上去的人。 但我们庆幸人类有一个聪明绝顶的头脑,我们还有强大的逻辑推理能力,所以即使我们上不去,也同样能揭开恒星内部的秘密。这就像我们不吃猪肉,但只要看到"在大街上跑的猪哼哼,就应该知道猪肉"好吃一样。 通过反复的科学观测,我们已经知道太阳的半径是70万千米,它的质量是2×10^30千克,它的表面温度是6000开,它内部的温度肯定更高。我们还知道在地球轨道上,每平方米的正对面积所接受的太阳光能是1360瓦。照此推算,到了太阳表面,它的热流密度就应该是 1360×(1500/7)^2 = 6.245×10^7 瓦/米^2 到了太阳内部,这个数值还要继续增大。如此高的热流密度单靠对流来传递是绝对完不成的。不仅只此,甚至对流和传导方式在太阳内部的热传递微乎其微,其主要方式应该是强烈的辐射。 太阳是一团炽热的等离子气体。在上万开的高温下,原子核外的电子都已经挣脱束缚,成为高速运动的自由电子;与此同时,各原子核也在里面剧烈运动着,通过相互冲撞而发生聚变反应,放出大量的光和热。所以对于光来说,太阳内部应该是一个透明体,辐射起来畅通无阻。既然这样,那么太阳内部的对流运动就可以忽略,而将整个太阳看成是一个孤立的稳态气团。 既然太阳是一个孤立的稳态气团,那么我们就可以利用有关的规律推算出它内部的温度、密度和压强。可惜在过去的许多年里,由于人们还未发现温度和引力的关系,这就使得推算结果严重偏离真实的情况。例如在许多资料上都说:太阳中心的密度是水的150多倍,中心压强是1000亿个大气压以上,这些数据都远远超过了实际情况。到了现在是应该进行纠正的时候了。 在太阳内部的温度分布规律,应该是遵循不发生对流的最大温梯。按照太阳内各元素的原子数构成比例,可知其平均摩尔质量是 μ= 0.00123千克,各质点的自由度是 i = 3 ,因而在任意半径r处的温度梯度是 dT/dr = -(Gm/rr)2μ/5R 式中的m 是半径r球面所包围的质量,它等于总质量减去从外到内各圈层的质量之和。即 m = M - ∫4πrrρdr r的积分区间是 r → r。 式中ρ是半径r处的密度,可根据绝热过程方程式算出来: ρ=ρ。(T/T。)^1.5 半径r处的压强也可以根据气态方程式算出来: P =ρRT/μ 从外向内推算,已知 r。= 70万千米,T。= 6000开,但我们还必须知道此处的密度大小。且这个数据非常关键,它关系到当到达太阳中心时,质量m是否为0 的问题。到了此处,不论质量盈余还是亏空,都说明初始密度是不对的。 笔者利用计算机经过反复的计算和比较得知:初始密度的大小为 ρ。= 0.065438 千克/米^3 . 但在半径r。处的质量却不是M ,因为它包含太阳大气的质量,所以必须减去这一项,尽管它数值极小。即 m ≈ M - 4πr。r。P。/g。 式中g。太阳表面的引力场强 g。= GM/r。r。= 272.3 米/秒^2 太阳大气的压强 P。=ρ。RT/μ= 2653910 帕 = 26.2 标准大气压 太阳大气的厚度 h = 5RT。/2μg。=371.4千米 太阳大气的标高 H = P。/ρ。g。= RT/μg。= 148.6千米 随着深度的增加,半径r所包围的质量越来越小,引力场强也越来越小。所以温度、密度和压强的增加就越来越缓慢。在半径的中点上,可算出 温度 T = 851.6万开 密度 ρ= 3498.9 千克/米^3 压强 P = 2.014×10^14 帕 而在中心区域,在距离中心只有500米的半径上,可算出 温度 T = 1518万开 密度 ρ= 8328.5 千克/米^3 ,为水密度的8倍多。 压强 P = 8.546×10^14 帕 ,为80亿个大气压。 笔者计算的温度与前人的结果一致;而密度和压强则悬殊较大,这说明前人的结果是错误的,因为他们没有考虑引力对温度的影响。
在恒星内部,当氢聚变氦的核反应停止以后,由于继续向外辐射,所以星体外侧温度就要下降,体积收缩。而当体积收缩时,引力势能将变成热能,引力温梯也将大大增加,所以即使恒星表面降到很低的温度,也仍能使中心温度升得比原来更高,从而引发下一步的核反应:三个氦核聚变成一个碳核。为此,笔者特意计算了当太阳半径收缩到一半即r 。= 35万千米时的情况。假设此时的表面温度只有T。= 3开,则可以算得 表面密度 ρ。= 0.0000020728 千克/米^3 大气压强 P。 = 0.042 帕 同样在距离中心500米的半径上 温度 T = 3038万开 密度 ρ= 66796.6 千克/米^3 压强 P = 1.372×10^16 帕 星体收缩的越小,中心温度就越高,所引发的核反应级别也越高。这是一个越来越不稳的过程。不光有膨胀和收缩的脉动,最后还可能发生猛烈的爆炸,抛出大量的物质。 在恒星最稳定的"主序"阶段,可以证明:在质量不变的情况下,恒星中心温度与半径成反比,中心密度与半径的立方成反比,中心压强与半径的四次方成反比。 而在大小相同、质量不同的恒星内,则中心温度和密度都与质量成正比,中心压强与质量的平方成正比。 其综合公式为 T ∝ M/r。 ρ∝ M/(r。^3) P ∝ MM/(r。^4) 具体计算时可将太阳的数据作为参数。
正确的科学认识依赖于最基本的物理定律。其中引力温梯定律,重力压强的积累,气态方程式,是我们正确揭示恒星内部秘密的三把钥匙。可惜在前面的若干年里则少了一把,这使我们的天体物理研究偏离了正确的轨道,实在令人痛心!由此看来:一颗恒星,如果只知道它的质量、大小和组成元素成分是不够的,虽然它已有了确定的解,但如何得到这个解还必须有一颗足够聪明的头脑。
|