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第28页

书籍名:《1分钟物理》    作者:中国科学院物理所
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    《1分钟物理》第28页,页面无弹窗的全文阅读!

    其实,人类目前无法证明宇宙中的星体无穷多。即使有无穷多星体,我们也可以从另一个角度去看:根据现代宇宙学的基本假设,宇宙初期是近乎各处均匀、各向同性的,在相同的天体演化与结构形成的规律下,大尺度上,地球周围的星体是均匀分布的,对地球的总引力也是基本互相抵消的,能够明显影响地球运动的是小尺度(如太阳系)上的力。
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    18.恒星那么大、那么远,人们如何测出它的大小和质量?
    首先通过望远镜测量视星等(恒星看起来的亮度)与光谱,其次根据视星等与光谱直接得到恒星温度,而温度与质量有非常紧密的关系,因此对不同的恒星我们可以根据相应关系直接利用温度求出质量。然后,通过三角视差法、哈勃关系、标准烛光等方法我们可以测量出恒星与地球之间的距离,进而根据视星等与距离计算恒星光度。最后,对于一般的恒星,根据斯特藩-玻尔兹曼定律,光度与恒星半径平方以及温度的四次方成正比,我们由此可以解出恒星半径;对于较近且较大的恒星,我们也可以采用迈克尔逊干涉法、掩食法等方法直接进行测量。
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    19.宇宙微波背景辐射是什么?为什么人们能看到宇宙初始的样子?
    根据现有的宇宙学模型,宇宙微波背景辐射的来源,要从宇宙最早期天地一片混沌时讲起。
    大爆炸刚结束不久的时候,宇宙温度极其高,这样高的温度下重子物质还不能与电子复合,电磁波在这团带电的炽热的物质中无法自由穿行,经常会与周围物质发生相互作用。但是宇宙在膨胀,膨胀会降温,温度降低后电子与重子物质复合,光子就可以自由穿行了。
    第一批被解放出来的光子弥漫整个宇宙,形成背景辐射,随着宇宙膨胀,这批最早的光子的波长也随着空间膨胀而拉长,其频率降低,现在宇宙背景辐射差不多在微波附近,这就是宇宙微波背景辐射(Cosmic Microwave Background,CMB)。在频率谱方面CMB是完美的黑体辐射,从角分布上看,CMB在大尺度上是各向同性的,从哪个角度看都差不多。但是探测技术发达以后,人们发现CMB的温度有很小很小的涨落,并不是哪个角度看上去都差不多,而很多有关宇宙的信息就包含在这各向异性的分布中。
    从CMB形成开始,以后各种宇宙演化过程或多或少都会有CMB的光子掺和一下,宇宙极早期的一些过程,比如重子声学振荡(当重子与电子还没有复合时宇宙间传递的“声波”,声波的参数和宇宙早期的物质组分、空间曲率、初原涨落等都有关系),也会在CMB留下蛛丝马迹。因此CMB中蕴含丰富的信息。
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    20.我们怎样确定宇宙中天体的位置?我们怎么知道一个几亿光年远的天体在哪里?
    要确定一个天体的位置,我们需要了解它相对于我们的方位和距离。描述方位有很多方法,常见的赤道坐标系假设有一个包围地球的天球,然后把天体投影到球面上,用类似地球经纬度的概念给出天体在球面上的坐标。对于距离的测量,古老的传统方法是三角视差法,地球在绕太阳公转时,待测天体在天球上的位置在半年内会有一个角度变化,如果我们知道了地球的公转半径,就可以利用简单的几何关系测出天体的距离。对于更遥远的天体,我们可以利用超新星测距。一类Ia型超新星的光度是恒定的,可以用作标准烛光,利用观测到的亮度就可以换算出目标天体和我们的距离,所以它可以作为宇宙中距离的参照物。2011年诺贝尔物理学奖就授予了利用超新星测距发现宇宙加速膨胀的三位科学家。当然还有很多其他的测距方法,这里就不再一一叙述了。
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    21.请问气态行星真的都是气体吗?气态行星为什么没有变成固态呢?有纯液态星球吗?
    气态行星当然并不只有气体,它只是外表看上去是气态的;气态行星的结构一般是,外层为气态分子,向内压强升高,分子凝聚成液态,最里面是固态内核。
    例如木星,它外层是一层氢、氦混合气体,往内大概1000千米,逐渐由气态变成气液混合态,然后变成液态金属氢;液态金属氢再往中心下降大约木星半径的78%,里面有一个固态内核(不过目前内核的存在还属于模型猜测阶段)。所以严格意义上来说我们叫它气态行星并不准确,因为它大部分(无论是质量还是半径)都是固态和液态的。当然我们也可以这么来理解,气态行星就是表面只有气体的行星;而固态行星,像地球、火星,就是其表面有固态陆地的行星(事实上,我们知道地球内部是液态的熔浆)。
    其实行星上的物质(从内核到外层)是固态、液态还是气态,取决于其组成物质、质量、压强、温度以及存在的环境等。在真空中,纯液态的星球是不可能存在的。只需考虑这一点,液态和真空之间需要存在过渡。要么引力太小,液态分子渐渐扩散到真空中,挥发干净;要么在引力作用下,物体内部是液体,外层包裹着气体(就是木星去掉固态内核的那种情况)。一个误导我们认为纯液态行星能够存在的画面,我想应该是电影中飞船里飘浮着的水滴。但我们不应该忽略它存在的环境——飞船内压强是一个标准大气压。
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    22.新的星星是怎么形成的?宇宙不是倾向于通过熵增来演变吗?
    新的星星就是指新的恒星吧。星际空间中充满了星际介质,而且星际介质的分布很不均匀,就拿银河系来说,大约一半的星际介质集中在2%的星际空间,这些相对致密的区域称为星际云。
    在星际云的最致密的核心区,分子可以存活,这些暗云被称为分子云,新的恒星就起源于此。当分子云变得足够致密,质量足够大且温度足够低(使得压力足够低),自引力大于压力的时候,分子云就会发生坍缩,因为分子云密度分布不均匀,较致密的区域比其他区域坍缩得更快,就会裂变成很多分子云核,尺度数光月的分子云核就是恒星形成的种子。分子云核中心坍缩比外层坍缩快,中心与外层分离,由里到外一层接着一层自由落体坍缩,角动量守恒使得下落物质形成吸积盘,吸积盘供养中心正在成长的原恒星。质量为8%到10000%太阳质量的原恒星再经过一系列演化就会成为主序星(太阳就是一颗主序星)。
    至于宇宙演化的方向问题,不太严谨地说,分子云在坍缩成原恒星的过程中,本身熵的确是减少了,但它还会不断地向外辐射能量,外部的熵增加了。更严谨地说,自引力系统可以推出其无法达到平衡态(整个宇宙就是一个自引力系统),故热力学不适用,也就谈不上熵增原理。
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    23.引力弹弓如何实现加速?从能量守恒考虑,它的能量应该不变,有气体阻力时还会减小,那速度为什么会增大?
    考虑能量守恒时,我们要考虑的不仅仅是我们要发射的“子弹”——假设这就是飞行器吧——还要考虑与其发生相互作用的“弹弓”。假设“弹弓”是一颗行星,这个两系统遵循能量和动量守恒。
    我们从简单的推导可以得出结论,二者的相对运动速度不会发生变化,假设行星速度为U,飞行器速度为V,二者初始相向运动,那么相对运动速度为U+V;待飞行器绕过行星,二者的运动方向同向,而行星的运动速度基本不变(其实略有减小,但可以忽略不计),那么飞行器的实际运动速度就变为2U+V,如此便实现了加速。
    当然,这只是一个简化的推导,不过我们所说的正是《火星救援》中NASA的黑人小哥所提出的救援方案。实际上引力弹弓效应的确被用来为航天飞行器加速,美国于1977年发射的“旅行者1号”探测器在经过木星和土星时便是通过引力效应加速的,2014年9月13日它终于飞出太阳系,成为首个冲出太阳系的人类制造的飞行器!
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