宇宙、地球和生命的进化:时间的1000个-第6节

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　　核反应消失以后，只有引力作用的内核不可阻挡地向内塌陷，体积越来越小，密度越来越大。它的半径最后缩到只有几百公里，而密度却比岩石高了几亿倍。现在的内核已经没有原子核了，所有的原子核都已经被挤碎成为非常小的微粒。我们知道，在原子核外面旋转的电子，当原子已经被压缩到间隙足够小的时候，电子之间同性相斥的力就开始起作用，它阻止了内核继续向内的塌陷，拯救了这颗无可救药的恒星。　

　　于是，这颗恒星终于稳定了下来，因为体积小，所以亮度很低，于是它出现在赫罗图的左下角，被称为白矮星。　

　　6．第五阶段…超新星、中子星　

　　如果一个恒星在青年时期过大，　那它衰亡的过程就激烈得多。由于它质量大、引力作用强，在核反应结束的时候，向心引力非常大，所以它收缩得非常迅猛。这种剧烈的坍塌使内核压缩到密度极高的状态，同时又向外发出强烈的冲击波，使外层物质猛然向星际空间抛射，这就是超新星爆发。　

　　超新星爆发时亮度骤增几千万倍甚至1亿倍以上，经过几个月时间才慢慢变暗下来。剧烈爆发把很大一部分恒星物质抛射到周围的空间中，成为弥漫星云。　

　　超新星爆发后，恒星致密的内核在坍塌造成的巨大压力下压缩成为超高密度的状态，密度比白矮星还要高几百万倍。在这种情况下，原子里原来的核外电子几乎全部被挤到原子核里去，和原来在核里的质子结合成中子。这时候恒星的全部物质都由中子构成，恒星就成为中子星。由于密度大，中子之间也会产生一种斥力，能对抗引力塌陷，使内核达到一个稳定平衡的状态。　

第22节：一、恒星（5）


　　7．第六阶段…黑洞　

　　恒星进一步塌陷，成为充分紧缩到某种程度的天体，致使光线都不能外逃，第一个测出此事件发生时该天体半径的是美国天体物理学家史瓦西。史瓦西称得上是20世纪上半叶最伟大的天体物理学家，他曾为天体物理学的许多分支学科撰写了指引方向的论文。爱因斯坦推导出广义相对论引力场方程组后，史瓦西在去世前不久求出了第一个严格解，其中就包含了黑洞推论。天体紧缩到光线都不能向外逃逸的临界半径被称为史瓦西半径。太阳的这种半径大约为3公里，这就是说如果把太阳物质紧缩到半径为此值或更小的一个球内，它的光线就休想往外逃逸了。任何物体的史瓦西半径都可以算出来，质量愈小，这种半径也愈小。对应于一个人体质量的史瓦西半径实在微小，如果用厘米为单位来表示，就是小数点前面一个零，小数点后面要先来20个零才出得来非零数字。如果把一个人的质量挤压在如此小的半径范围中，光线就不能由此人逃逸到外界了。　

　　一个天体失落在一个黑洞中绝不是它在宇宙中消失了，它的引力使它仍可以被外界所觉察。光线贴近它就被它捕获，在它周围较远处穿越的光线则发生方向变更。它能够用它的引力和别的天体组成力学系统，能够控制住一批行星，还能够和另外一颗星结成一对双星。　

　　一颗恒星的命运要么以老老实实冷却的白矮星结束，要么以中子星而结束。但当一颗恒星演化到结束时，如果剩下质量太多到既不能形成白矮星，也不能成为平衡态中子星时，那么，这种残余天体的下场就是在黑洞里永远地收缩下去。　

　　恒星的结局是致密天体，其中的物质永远处在一起。不过在此以前它们把一部分质量抛向空中，这就为新一代恒星的诞生准备了物质基础。那么，归根结底宇宙中的一切恒星都要缩聚为冷却中的白矮星、中子星或者黑洞，而围绕它们死气沉沉地运转的则是冰冷的行星，看起来宇宙似乎是在走向枯燥乏味的未来。　

第23节：二、太阳系形成（1）


　　二、太阳系形成　

　　太阳系是我们栖息的家园，是地球和生命起源的地方。太阳在浩瀚的恒星海洋中毫不起眼，但是因为它离我们最近，所以研究太阳系的起源可以最终了解其他恒星的起源，而且我们也十分有必要知道我们生存的这个星系是如何开始的。　

　　1．起源假说　

　　一个圆满的太阳系起源理论必须能解释太阳系目前存在的基本特征，否则我们就只能假定太阳系形成之后存在过某种强大的外界扰动，而这几乎是不可能的。下面便是起源理论所必须解释的主要特征：

　　（1）几乎全部绕太阳运转的天体的运动（公转和自转）都在同一方向，只有天王星、金星、少数卫星和许多彗星是例外。　

　　（2）这些天体的轨道平面相互之间夹角很小。例外的情况是天王星的卫星和多数亮彗星。　

　　（3）行星的赤道面和太阳的赤道面一样，都近似平行于各个行星的公转轨道，而只有天王星特殊。　

　　（4）四颗类地行星的密度远比四颗类木行星的密度要大。　

　　早期假说　

　　法国人布丰提出的太阳系起源假说是依据这样的信念：彗星是一颗甚为庞大的天体，它一旦碰到太阳上就必定会裂为碎块而飞散到太空去，地球和其他行星就可能是由这种碎块形成的。　

　　我们现在知道，彗星的质量极小，不会产生上述可能的过程。这个假说后来又做了修正，即认为太阳没有与彗星相撞，而是和另一颗恒星相碰。当然，若两颗恒星相碰，其规模肯定是相当可观的。不过，恒星彼此相隔太远，它们相碰的可能性之低可以完全否定这一设想。　

　　如果恒星之间直接碰撞让人难以置信，那么，会不会有另一颗恒星与太阳非常接近呢？两颗恒星可如此的近，以至于恒星的潮汐力（两颗离得很近的星球，互相相向的一面互相吸引的力和互相相背的一面互相吸引的力是不同的，这个差别就是潮汐力）互相能够从太阳或恒星中吸出一股类似雪茄烟雾状的气团，使之最后能凝聚成为行星和卫星，但这种情况发生的概率仍是极小的。有人估计，自地球有生以来，在含有2000亿颗恒星的银河系中，经这种过程产生的行星系统仅有10个。　

　　面对着茫茫的恒星世界，天文学家无法认同这样的陈旧观念…地球在宇宙中是独一无二的，我们的行星系统是无与伦比的。假如一个天文学家能完全客观地研究宇宙，他就不会承认天空中数不胜数的恒星都是单为人类的利益而存在的。他必然认为还有不少的恒星，其周围运行着有与人相似的生命存在的行星。所以，他对那些诸如恒星相撞或恒星接近之类的假说不予理睬，因为接受这样的假说，就无异于承认我们太阳系赋有特殊性或近似特殊的条件。　

　　而且还有人证明过，即使两颗恒星相撞或互相靠近，抛向太空中的气体也不会凝聚为行星，因为气体的密度肯定很低，气体的运动只能导致气体的继续扩散。所以天文学家力求把太阳系的形成解释为一种不受外界影响的自身独立的变故。　

　　星云收缩说　星云说　

　　星云说是18世纪后半叶德国哲学家康德和法国数学家拉普拉斯提出来的。星云说认为太阳系是由一团巨大、灼热而又转动着的原始太阳星云在引力作用下演化而成的。成分以氢为主的气体云在银河系中是极为普遍的。有人估计，气体云的某一部分可能脱离气团的主体而自发形成一个局部旋涡。在一些亮星云的照片中，显示出在这些亮星云与地球之间存在着晦暗的〃球状体〃，这一事实更加重了上述论证的分量。　

第24节：二、太阳系形成（2）


　　那么，假如这种小型旋涡的气体的密度达到足够高的程度，它便会在本身引力的作用下自行收缩起来。凡是一个处于自转而同时又收缩的体系或物体将会越转越快，这是角动量守恒定律的必然结果。正在收缩之中的气团的角动量是难以计算的，不过，气团中每个质点的角动量便等于质点的质量m、质点的转动速度v和质点围绕中心转动的轨道半径r三者的乘积（角动量＝mvr）。如果该质点不受外力的作用，这一乘积mvr将始终保持不变。假定质点的质量m不变，则在质点的转动轨道半径缩短的时候（因为气团作为整体在不断地收缩），其自转速度就要增加。这个现象可举一个实例来加以说明：一位旋转的花样溜冰运动员，在她开始旋转之初，其双臂是伸开的，但当她将双臂收拢时，她便转动得更快了。如果轨道半径减小而速度并不增加，那角动量就一定要降低。然而角动量守恒定律却完全否定了这种可能性…只要无外力作用在旋转体系之上，其角动量肯定是恒定不变的。　

　　气体圆盘说　

　　从星云假说的观点出发，康德和拉普拉斯进一步提出气体圆盘的假说。既然星云中一团正在收缩的气旋可以越转越快，其结果就会围绕着中心星云在垂直于自转轴的平面内形成一个巨大的气体圆盘。　

　　圆盘一旦形成，拉普拉斯认为它会马上收缩起来。在此过程之中，圆盘便定时地遗弃一些小型的环圈或蒸汽环带，这些环状气团由于停止收缩也就脱离了主圆盘，每个独立的环圈通过自身形成一只小型的旋涡而聚合成为一颗行星；而这种气旋的旋转会再产生更小的气体环形气团，由此又形成行星的卫星（例如月亮）。在此之前，太阳已成为一颗新生的恒星，它的腰部围绕着一个又大又扁的气体尘埃圆盘。这个圆盘的扁平形状就可以解释行星轨道大都分布在同一平面之内的事实。拉普拉斯举出土星环为例，说〃土星环就是土星大气的原始范围及其不断凝结过程的现存证据〃。　

　　这一解释尽管十分巧妙（它已部分地为当代假说所吸收继承），但它却无法说明太阳系的一个极为重要的特征，即行星和太阳之间的角动量分布极不均匀这一现象。太阳的质量虽然远远超过其体系的其余部分质量的总和（太阳占全体系总质量的99。9％），但是太阳的角动量居然只有全体系的2％。这一情况的物理含义是：太阳旋转极慢，但拥有全体系98％的角动量而体积却不大的诸行星，竟然在距离中心甚远的地方高速转动着。　

　　根据康德…拉普拉斯理论并结合此后的补充知识来预算太阳的自转周期，就能验证康德…拉普拉斯假说是否正确。天文学家不仅能估计气体云在收缩之前的体积，还可测出所观测星云中气体的自转速度。根据这个估计的体积、观测的自转速度和角动量守恒定律，康德…拉普拉斯理论预见到太阳的自转周期应在半天左右，而实际的观测周期却是26天。理论与观测之间相差竟如此悬殊，是令人无法接受的，康德…拉普拉斯理论肯定忽略了形成过程中某些重要的方面。纵然这一理论对后来的天文学家的思想启发很大，但也无法原封不动地采用。　

第25节：二、太阳系形成（3）


　　二力作用说　

　　这是以太阳四周略具雏形的星云圆盘为起点的一个假说，是由美国亚利桑那大学月球和行星实验室的柯依伯提出的。他主张行星的发端是两种完全相反的力对星云圆盘中任一气旋（旋转单元）共同作用的结果。这两种作用力就是：　（1）使气体聚集为一个整体的自身引力。　

　　（2）力图使气旋解体的太阳潮汐力。　

　　若气体密度足够高（高过某一特定的临界值，柯依伯称此临界值为〃罗歇密度〃），引力场将会起主导作用，而组成旋涡的物质便收缩为一种原行星，即一颗原始行星。在原始行星这个中央核四周环绕有一个同拉普拉斯的想象一般大的气体圆盘。　

　　来自太阳的潮汐力迫使每颗原行星朝太阳方向变扁，从而便发生了周期和方向都与绕日公转一样的绕轴自转。但是随着原行星在其自身引力作用下不断收缩，它会越转越快，因为无外力作用时，它的角动量必须保持守恒。这样，我们可以看出，行星的自转方向应该与其公转轨道运动的方向相同。同理，产生于原行星周围的星云圆盘中的卫星，其公转与自转也和原行星的自转同一个方向。　

　　这个解释似乎不能很好地说明土星环的存在，但美国天体物理学家罗歇曾证明了在2。4倍于行星半径（称为罗歇限）范围内存在的潮汐力非常强，足以阻止卫星的形成。这种罗歇限的概念有助于说明土星环的存在：原始构成环绕土星的星云圆盘的物质，因处于罗歇限之内而未能聚结成卫星。我们或许还记得，早在两个世纪之前，拉普拉斯就认为土星环乃是星云圆盘的现存证据。　

　　柯依伯认为整个太阳系形成过程可分为四个阶段来讨论：　

　　第一阶段是原始星云分解成为原太阳和绕太阳转动的星云圆盘。在