9_相对论_宇宙与时空_连载_深入浩瀚的星空_上_

第 28卷第 9期 大 　学 　物 　理 Vol. 28 No. 9 2009年 9月 COLLEGE　PHYSICS Sep. 2009 《相对论、宇宙与时空 》连载　 《相对论、宇宙与时空 》连载 ⑨ ———深入浩瀚的星空 (上 ) 赵 　峥 (北京师范大学 物理系 ,北京　100875) 　　 1　太阳、地球与月球 我们的太阳系由太阳、8颗行星及其卫星、小行 星、彗星以及大量尘埃、气体、等离子体、辐射粒子和 电磁场构成 ,直径几乎达到 1 l. y. ( l. y. 为光年 ,光 走过一年的距离 ) [ 126 ] . 我们居住的地球是太阳系中密度最大的一颗行 星. 地球的外面 ,笼罩着大气和磁层 ,大气层厚达 1 000 km以上. 磁场则伸展到 10个地球半径的地 方. 在背对太阳的一面 ,磁层甚至能伸展到月球轨道 之外. 地球的天然卫星———月球 ,距离我们 3. 8 × 105 km. 它总以一面朝着地球. 直到 1959年 ,苏联发 射的第一枚月球火箭 ,才使人类首次看到了月球的 背面 (图 1). 月面上布满了环形山 ,没有水和空气. 只在南北两极一些阳光照不到的深谷中发现了不多 的冰. 1969年 ,美国的阿波罗 11号飞船抵达月球 , 人类第一次站在了月球 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面上 ,并采回了那里的岩 石、尘土样品. 图 1　月球的正面与背面 对于月面环形山的成因 ,历史上曾经有过争论. 一些人认为是陨星撞击的结果 ,另一些人认为是月 球上火山爆发的遗迹. 主张火山爆发的人指出 ,许多 环形山的中央有小的突起 ,认为那就是火山的喷口. 他们认为陨星撞击不会出现这种位于中央的“山 峰 ”. 主张陨星撞击的人做了一个实验 ,用石头去打 一堆稀泥 ,结果表明石头打进稀泥后也会反弹出一 个小突起. 因此 ,他们认为 ,中央小峰并不能表明环 形山一定起源于火山喷发. 近代的研究表明 ,环形山 的主要起因确实是陨星的撞击. 我们从月面图看到 , 月球背面的环形山比正面的要多 ,这可能是月球正 面一直对着地球 ,受到地球保护的结果. 地球带着月球围绕太阳转动. 日地距离 1. 5 × 108 km (日地距离被定义为 1个天文单位 ,天文单位 的符号为“A”) ,光从太阳到达地球约需 8 m in. 太阳 半径为 7 ×105 km,体积是地球的 130万倍. 它的质 量 (2 ×1033 g)占了整个太阳系质量的 99%以上 ,相 当于 33万个地球. 太阳是一个缓慢自转的气体星 球 ,上面进行着猛烈的热核反应 ,在那里氢原子聚变 生成氦并释放出大量的热能. 太阳表面温度约 6 000 K,中心则高达 115 ×107 K以上. 它不仅发出光辐 射 ,还射出大量粒子流 ,形成太阳风. 2　8颗行星 8颗行星中 ,离太阳最近的是水星 ,水星只比月 球大一点 ,它的表面状况与月球相似 ,遍布环形山 , 没有大气和水 (图 2). 图 2　水星 金星的物理状态与地球很相似. 它是一颗半径 约 6 000 km的固体星球 ,密度也与地球差不多. 外 面笼罩着浓密的大气层 ,大气的主要成分是二氧化 碳 ,其中还夹杂着一层由浓硫酸雾构成的云. 金星表 62　　　 大 　学 　物 　理 　　 第 28卷 面的大气压约为地球的 90倍. 由于温室效应 ,气温 始终保持在 480 ℃左右. 由于浓云的覆盖 ,人们无法 通过望远镜看到金星的地表. 上世纪 60年代以来 , 有 30多个探测器飞往金星 ,其中一些在金星表面实 现了软着陆 ,发回了金星地表的照片 (图 3). 那里像 荒凉的戈壁滩 ,到处有流体 (很可能是气流 )冲刷的 痕迹 ,但没有液态水和液态的其他物质 (火山爆发 的熔岩除外 ). 图 3　金星 行星中 ,只有水星和金星比地球离太阳更近 ,它 们被称为内行星. 水星和金星都没有卫星. 离太阳比地球稍远一点的是火星 ,它的表面覆 盖着一层稀薄的大气 ,主要由二氧化碳组成 ,气压不 到地球的 1%. 火星上有四季的变化 ,平均气温 - 23 ℃,与地球上的南极地区差不多. 它的表面覆盖着红 色土壤 (氧化铁 ) ,南北两极有白色的极冠 ,极冠由 冰和干冰组成 ,夏季时缩小 ,冬季时扩大 (图 4,图 5). 火星有两颗卫星 ,火卫一和火卫二 (图 6). 目前 图 4　火星 图 5　火星表面 图 6　火卫一与火卫二 已有 30多个探测器飞临火星上空 ,其中一些实现了 软着陆 ,并在火星表面进行了科学考察. 遗憾的是 , 还不能把标本取回地球. 长期以来 ,人们一直认为火星和金星极可能有 生命存在. 目前看来 ,金星的状况比预想的恶劣 ,而 火星要好一些. 21世纪 ,人类将登上火星的表面 , 进行实地考查. 19世纪和 20世纪前半期 ,人类曾对火星充满 了憧憬. 望远镜的观测显示 ,火星上似乎有南北走向 和东西走向的“黑线 ”,当火星的夏季降临时 ,白色 的极冠会缩小 ,“黑线 ”似乎也加深了. 人们猜测“黑 线 ”可能是“火星人 ”挖的“运河 ”,引两极溶化的冰 水来灌溉干旱的土地. 一些人还研究火星上反射的 光的光谱 ,并与地球上高寒植物反射的光谱相比较 , 希望能证实火星上存在高等的生物. 还有人猜测火 卫一与火卫二是火星人发射的人造卫星. 观测能力 提高后 ,科学家发现所谓的火星“运河 ”不过是一些 以前看不清楚的地貌 ,火星上不仅没有人造的东西 , 不存在火星人 ,也没有发现任何高级的生命形式 ,例 如动物、植物之类. 当然 ,这不等于说火星上不存在 任何生命. 从目前的观测资料看来 ,火星上的自然条 件虽然不如以前猜想的那么好 ,但较低等的生命形 式还是有可能生存的. 木星是太阳系最大的行星 ,其半径比地球大 11 倍 ,半径约为太阳的 1 /10. 它是一个流体星 ,虽然有 一个由铁和硅组成的固体核心 ,但不存在固体表面. 木星的表面是由液态分子氢构成的深达 1. 4 × 104 km的海洋 ,再往下还有深约 4. 5 ×104 km的液 态金属氢海洋 ,固体核心被深藏于海底. 木星的大气 主要由氢 ( 82% )和氦 (17% )构成 ,水气微乎其微. 大气层厚达 1 000 km以上. 庞大的木星自转速度非常快 ,自转一周不到 10 h. 迅速的自转使木星成为一个扁的椭球 (赤道半 第 9期 　　　　赵 　峥 :《相对论、宇宙与时空 》连载 ⑨ 63　　　 径与两极半径之比为 100∶93) ,并使它的大气层出 现与赤道平行的条纹. 木星大气中存在雷电和风暴. 它的表面有一个长 2 ×104 km、宽 1 ×104 km的“大 红斑 ”,位于赤道南侧 ,大小可以放进地球. 这是一 个含有红磷化合物的气旋. 奇怪的是 ,这块红斑从发 现至今已有几百年了 ,依然没有大的变化 (图 7). 图 7　木星及其卫星 　　已经发现木星有 63颗卫星 ,还有一个薄薄的 类似于土星的光环 . 木卫三是太阳系中最大的卫 星 ,半径达 2 600 km ,比水星还要大 . 木卫三很像 地球 ,它有大气 ,表面还有环形山 ,有冰层 ,中心还 可能有一个熔化了的金属核 . 木卫二的表面也是 冰层 ,下面很可能是有液态的水的海洋 . 木星的不 少卫星都具备生命存在的条件 ,很可能在那里能 找到生命 . 值得一提的是 ,木星释放的热量多于它吸收的 太阳能. 这就是说 ,木星似乎能自身产生热能. 有人 猜测木星可能本质上是一颗恒星. 不过 ,至今尚未发 现木星内部有热核反应发生. 8颗行星的有关数据见表 1. 表 1　8颗行星的有关数据 行星 日星距离 / 104 km 公转周期 / 地球日 赤道半径 / km 质量 / 1024 kg 平均密度 / ( g·cm - 3 ) 逃逸速度 / ( km·s - 1 ) 卫星数目 光环 水星 5 791 88 2 440 0. 33 5. 42 4. 25 0 金星 10 820 225 6 052 4. 87 5. 25 10. 36 0 地球 14 960 365 6 378 5. 98 5. 52 11. 18 1 火星 22 794 687 3 397 0. 64 3. 94 5. 02 2 木星 77 833 4 333 71 492 1 900 1. 33 59. 56 63 有 土星 142 940 10 760 60 268 569 0. 69 35. 49 47 有 天王星 287 099 30 685 25 559 86. 9 1. 29 21. 30 27 有 海王星 450 430 60 190 24 746 102 1. 64 23. 50 13 有 　　以光环而著称的土星与木星相似 ,也是一颗 没有固体表面的液态星 (图 8 ) . 土星的海洋由液 态的氢与氦组成 ,大气中充满了氢气和氦气 ,以 及少量的氨和甲烷 . 它那引人注目的光环分成无 数条子环 . 它们由大量碎块和尘埃组成 ,主要成 分是岩石、冰块和干冰 . 碎块的直径从 1 m 到 1 km不等 . 观测发现 ,这些碎块正不断聚集成新的 小卫星 . 图 8　土星及其光环 土星的卫星中有一些很大 ,上面有环形山 ,有的 还有大气层. 其中土卫六 (又名泰坦 , Titan)最值得 注意 ,在太阳系中是仅次于木卫三的第二大卫星 ,也 比水星要大. 它的浓密大气中含有甲烷和氢 ,有可能 在紫外线作用下生成复杂的有机分子 ,进而演化成 生命物质. 有人推测 ,土卫六的自然条件与地球早期 生命产生阶段的情况极为相似. 金、木、水、火、土 ,这 5颗行星是东、西方古 人早就知道的 ,用肉眼就可以看见它们 . 比土星 更远的第 7颗行星天王星 ,直到 1781年才由赫 歇尔兄妹用望远镜发现 . 天王星距太阳太远 ,我 们目前对它还知之不多 . 只知道它的大气层很 厚 ,主要由氢和氦组成 . 天王星的地表隐藏在云 层的下面 ,很可能表面是一层冰 . 它的奇怪之处 是自转轨道与公转轨道垂直 ,天王星好像躺在公 转轨道上自转一样 . 海王星是首先分别由勒维叶和亚当斯用万有引 力定律预言 ,而后被观测找到的. 勒维叶和亚当斯发 现天王星的观测轨道与理论计算不符 ,怀疑存在另 一颗行星影响了天王星的运动. 勒维叶与亚当斯各 自独立地进行了计算 ,指出了这颗“新星 ”在天空中 64　　　 大 　学 　物 　理 　　 第 28卷 的位置. 天文学家按照他们的指引 ,找到了这颗星 , 它被命名为海王星. 海王星的发现是万有引力定律 和牛顿力学理论的巨大成功. 这一发现没有用到更 为精密的广义相对论 ,可见 ,万有引力定律在太阳系 范围内是足够精确的. 以前认为太阳系有九大行星 ,距太阳最远的大 行星是冥王星. 它距太阳 6 ×109 km (约 40 A ) ,但是 冥王星太小 ,半径只有 1 160 km,比月球还小. 后来 发现太阳系中还有不少与冥王星相似的天体. 国际 天文学会最近决定 ,把冥王星排除出大行星行列 ,大 行星以后改称行星 ,一共 8颗 ,离太阳最远的是海王 星 (图 9). 图 9　8颗行星轨道比较 3　小行星与彗星 除去上述 8颗行星之外 ,在火星轨道和木星轨 道之间还存在一个由大量小行星组成的小行星 带 [ 126 ] (图 10). 开普勒早就发现火星和木星之间的 距离远大于当时已知各行星的间距 ,显得很不协调. 1770年前后 ,德国天文学家提丢斯和波德提出一个 定则 ,指出各行星到太阳的距离分布有一定规律. 提 丢斯是一个中学教师 ,天文爱好者 ,他首先给出了下 面的公式 : D = ( n + 4) /10 (1) 式中 D为行星轨道的平均半径 ,以“A”为单位. 当 n = 0, 3, 6, 12, 24, 48, ⋯等数值时 , D 依次给出水星、 金星、地球、火星、木星、土星到太阳的平均距离 (见 表 2) ,只有 n = 24是个例外 ,似乎那里 (火木之间 ) 应该存在一颗行星. 起初人们不太相信他们的预言 , 1781年发现了天王星 ,它恰位于 n = 192的位置. 于 是 ,许多人开始认真寻找这颗位于火星和木星之间 的未发现的行星了. 1801年找到了一颗 ,命名为谷 神星 ,但它太小 ,质量只有月球的 2%. 以后又发现 了智神星、婚神星、灶神星等越来越多的小行星 ,它 们的轨道很相近 ,都大致处在 n = 24的地方. 但是 , 它们的质量都很小 ,至今已发现 10万多颗 ,其中包 括我国天文学家发现的约 3 000颗 (图 11). 图 10　小行星带 图 11　最大的几颗小行星 (背景是青海省地图 ) 表 2　提丢斯 -波德定则与观测的比较 行星 水星 金星 地球 火星 小行星带 木星 土星 天王星 海王星 n 0 3 6 12 24 48 96 192 384 D (计算值 ) 0. 4 0. 7 1. 0 1. 6 2. 8 5. 2 10. 0 19. 6 38. 8 D (测量值 ) 0. 39 0. 72 1. 00 1. 52 2. 3～3. 3 5. 20 9. 56 19. 3 30. 2 　　通过太空探测器 ,人们还发现有的小行星也有 卫星. 这些小行星究竟是一颗破碎的大行星的碎块 呢 ? 还是当年大行星们形成时 ,没有聚拢形成大行 星的原始材料呢 ? 提丢斯 -波德 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 的背后是否隐 藏着什么物理定律呢 ? 这些都还是不解之谜. 比上述理论问题更引人关注的是 ,这些小行星的 轨道密布于火星和木星之间的广大区域 ,有的还跑出 这个区域之外 ,甚至与地球轨道相交 ,它们会不会击 中地球呢 ? 那些目前看来轨道不与地球相交的小行 星 ,也有可能在火星、木星等的引力影响下 ,改变它们 第 9期 　　　　赵 　峥 :《相对论、宇宙与时空 》连载 ⑨ 65　　　 的轨道 ,谁也不能担保它们不会转向我们飞来. 大行星和月亮上的大量陨石坑 ,很可能就是它们 的杰作.地球上也早已发现许多陨石坑 ,有人认为 ,数 千万年前恐龙的灭亡就是由于小行星撞击地球造成 的.撞击产生的尘埃密布天空 ,遮住阳光 ,使得气温连 续若干年像冬天一样 ,包括恐龙在内的许多生物 ,忍受 不了这样的严冬 ,找不到足够的食物 ,终于灭绝了. 此外还有彗星的撞击. 1994年 ,人类亲眼目睹 了彗星和木星相撞的壮观景象 (图 12). 苏梅克 - 列 维 9号彗星头部的 21个碎块 ,依次撞击在木星上 , 撞击的总能量相当于 20亿颗原子弹 (以广岛上空 爆炸的那颗为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ). 这些能量是在 130 h内放出 的. 可以想象 ,如果这次撞击的不是木星而是地球 , 会发生多么可怕的灾难. 另外人们还观察到过彗星 撞日的景象. 图 12　彗星撞木 1908年 ,西伯利亚通古斯地区落下了一个明亮的 火球 ,巨大的冲击波把方圆 400 km以内的树木击倒 (图 13).遗憾的是 ,离下落点最近的目击证人是个哑 巴 ,而且是个文盲 ,于是人们无从了解当时他究竟看到 了什么.特别奇怪的是 ,后来一直没有找到任何陨石的 碎片 ,这就是通古斯陨星之谜. 有人认为 ,这是天外来 客的原子飞船失事 ,也有人认为 ,这是小黑洞撞击并打 穿地球 ,从没有人烟的太平洋中穿出去了.目前较多人 认为 ,这是彗星头部的撞击. 彗头主要由冰和干冰组 成 ,撞击后烟消云散 ,当然不会留下什么碎片. 彗星的主要组成部分是冰冻的水和气体 ,另外 混有尘埃 ,可以说是个脏雪球 (图 14). 在太阳附近 , 冰冻物被汽化 ,在太阳辐射流 (太阳风 )的压力下 , 形成一条背对太阳的尾巴. 从地球上看 ,彗尾非常壮 观 ,甚至可横贯半个天空 (图 15). 彗星的轨道为偏心率很大的椭圆 ,有的甚至是 抛物线和双曲线. 后两种轨道的彗星将一去不复返. 而椭圆轨道的彗星虽然能回归 ,并可算出其回归周 期 (如哈雷彗星 ) ,但它们来自天王星轨道之外的远 图 13　通古斯陨星撞击的遗迹 图 14　彗星是一个“脏雪球 ” 图 15　彗星 方 ,访问太阳附近后 ,还要再到远方去 ,甚至到冥王 星轨道之外的地方去. 在海王星轨道之外 ,有着彗星 的巨大仓库 ,那里有成百亿的彗星. 那个区域称为 “奥尔特云 ”和“柯伊伯带 ”,它们是彗星的发源地和 归宿地. 在冥王星轨道、“奥尔特云 ”和“柯伊伯带 ”之 外 ,是一片我们知之甚少的天区 ,那里有尘埃 ,有气 体 ,有等离子体 ,有各种辐射粒子和电磁场 ,还可能 有一些目前尚未发现的行星. 太阳的势力范围一直 伸展到半径约 1 l. y. 的区域. 在这一区域的研究中 , 万有引力定律已足够用 ,广义相对论的效应十分微 弱 ,可以忽略不计.