第三章 引力相互作用

1、第二篇 四個基本相互作用第三章 引力相互作用§3-1萬有引力定律3.1.1 萬有引力定律1、萬有引力定律是怎么歸納出來的遠古時代，人類為了生存，要預知天氣的變化，就開始了對天體運動的觀察和研究。二千多年前的古希臘學者們認為地球是靜止不動的球體，日月星辰都以它為中心，圍繞它運轉(zhuǎn)，建立了“地心說”。十五、六世紀隨著天文觀察設備的提高，人們發(fā)現(xiàn)了“地心說”無法解釋的現(xiàn)象，波蘭天文學家哥白尼通過觀察和分析了大量有關(guān)行星運動的資料，提出了“日心說”。即地球不是宇宙的中心，它和別的行星一樣，是一顆一邊自轉(zhuǎn)、又一邊繞太陽公轉(zhuǎn)的普通行星，太陽才是宇宙的中心。他于1543年出版了劃時代的著作天體運行論

2、?，F(xiàn)在，人們知道太陽也不是宇宙的中心，宇宙是沒有中心的。在觀察大自然時，人們常愛問是什么原因使地球繞太陽運轉(zhuǎn)？是什么原因使月球繞著地球轉(zhuǎn)？地球上大海、湖泊的潮汐是如何生成的？為什么蘋果向地面下落？伽利略的慣性定律告許我們：不受任何作用的物體將保持其靜止的狀態(tài)，或作勻速直線運動。牛頓的運動定律告訴我們：力使物體的運動狀態(tài)發(fā)生改變。成熟的蘋果由樹枝落地，行星繞日的運轉(zhuǎn)等現(xiàn)象都說明均有力作用的存在。 德國天文學家開普勒深信哥白尼學說的正確性，為了揭開行星運動之密，他分析了丹麥天文學家第谷留下的極其珍貴的觀察資料，于1609年在出版的新天文學中提出了開普勒第一、第二定律。開普勒第一定律是“軌道定律”：

3、所有的行星分別在大小不同的橢圓軌道上繞太陽運轉(zhuǎn)，太陽位于這些橢圓軌道的一個焦點上。開普勒第二定律是“面積定律”：行星和太陽之間所連直線在相等的時間內(nèi)掃過的面積相等。開普勒于1619年在出版的宇宙諧和論中發(fā)表了他的第三定律，即“周期定律”：行星繞太陽一周所需的時間的平方，與其和太陽平均距離的立方成正比。開普勒三定律的發(fā)表，轟動了當時的學術(shù)界，行星運動規(guī)律的密秘被揭開了，但是什么力量使行星規(guī)規(guī)矩矩繞太陽運轉(zhuǎn)呢？1659年惠更斯在研究物體繞一個固定中心作勻速圓周運動的時發(fā)現(xiàn)，該物體必然要受到一個指向中心的力的作用，他把這個力稱為向心力。根據(jù)開普勒第三定律可得到向心力與圓周半徑的平方成反比，即但這個結(jié)

4、論能用在天體的橢圓軌道運動嗎？牛頓從他對運動定律的理解，意識到太陽可能是支配行星運動的力所在。他通過對月球繞地球運行、人們攀登高處所受的重力作用等現(xiàn)象的思考，在前人研究的基礎上，運用高超的分析、歸納能力和嫻熟的數(shù)學技能，于1684年提出了萬有引力定律，從理論上解決了行星運動規(guī)律及原因。萬有引力定律的內(nèi)容：任何兩物體1、2間都存在相互作用的吸引力，力的方向沿兩物體的連線（如圖3-1-1示），力的大小與物體的質(zhì)量、的乘積成正比，與兩者間的距離的平方成反比，即 （3-1-1） 其中G為萬有引力常數(shù)，m3/(kg·s2)。 萬有引力定律可計算任意兩個物體間的引力。例如：相距1米的兩個1千克質(zhì)

5、量間的引力為6.7×10-11牛，或0.000000000067牛！這個力是很小的，是難以測到的，所以普通物體之間的引力是不容易感覺到的。既然地球上普通物體之間的引力小得測不出來，牛頓是怎樣證明萬有引力定律的呢？與質(zhì)量的依賴關(guān)系是不難推知的。因為一個物體的重量正比于其質(zhì)量(如兩個相同的蘋果系在一起的重量肯定是一個蘋果的重量的兩倍，因而質(zhì)量加倍使重量加倍)，牛頓據(jù)此推論引力一定正比于兩個質(zhì)量中的每一個。但是對距離的依賴關(guān)系如何呢？牛頓知道，到月亮的距離大約是地球半徑的60倍。于是，由萬有引力定律就意味著在月亮距離處的一個物體將受一個引力，它是同一物體在地球上所受重力的1602。由于加速

6、度正比于力，這個距離上的物體的加速度應當是落向地面的物體的加速度的13600，即月亮的加速度應該是ms2 。另一方面根據(jù)觀測月亮繞地球一周用27天，可直接算出月亮繞地球的圓周運動的加速度是ms2。觀察結(jié)果與牛頓的萬有引力定律的結(jié)論一致。引力是自然界四種最基本的力之一。由于每個物體都因具有質(zhì)量而感受到引力，因此引力是萬有的。雖然對一般物體，萬有引力很弱，但它具有兩個特別的性質(zhì)：它會作用到非常大的距離上（即是長程力）；它總是表現(xiàn)為吸引，且具有疊加性。這表明，在像太陽和地球這樣兩個龐大的物體間，引力是相當大的。在宇宙中萬有引力扮演著主宰的角色。2、卡文迪許扭秤裝置對萬有引力常數(shù)G的測定萬有引力常數(shù)G

7、是自然界的基本常數(shù)之一。如何測定呢？要測定萬有引力常量G的數(shù)值，就要測量兩個已知質(zhì)量的物體間的引力。1798年，即牛頓發(fā)表萬有引力定律100多年之后，卡文迪許(H.Cavendish)做了第一個精確的測量。他所用的是扭秤裝置，如圖3-1-2所示，兩個質(zhì)量均為的小球固定在一根輕桿的兩端，再用一根石英細絲將這桿水平地懸掛起來，每個質(zhì)量為的小球附近各放置一個質(zhì)量為的大球。根據(jù)萬有引力定律，當大球在位置AA時，由于小球受到吸引力，懸桿因受到一個力矩而轉(zhuǎn)動，度可用鏡尺系統(tǒng)來測定。為了提高測量的靈敏度。還可將大球放在位置BB，向相反的方向吸引小球。這樣，兩次懸桿平衡位置之間的夾角就增大了一倍。如果已知大球

8、和小球的質(zhì)量、，它們相隔的距離，以及懸絲的扭轉(zhuǎn)系數(shù)，就可由測得的來計算G?？ㄎ牡显S測定的萬有引力常量數(shù)值為G = 6.754×10-11 m3/(kg·s2)。3.1.2 萬有引力現(xiàn)象1、海王星、冥王星的發(fā)現(xiàn)預見并發(fā)現(xiàn)新的行星是顯示萬有引力定律威力的最生動的例證。在1781年，通過觀察已確定了天王星為太陽系的行星，發(fā)現(xiàn)它沿著一個差不多是圓形的軌道運動，到此人們已經(jīng)知道太陽系中有七個行星。1821年，法國人布瓦德根據(jù)觀察資料對天王星的軌道進行了計算，發(fā)現(xiàn)存在一系列偏差。他又把1781年以前和1781年后的資料分別進行計算，并在計算中考慮到土星、木星對它的影響，結(jié)果得到兩個完全

9、不同的橢圓軌道。根據(jù)1781年后資料計算出的軌道與當時的觀察值較好地符合，而根據(jù)1781年前的資料計算出的軌道偏差較大，當時就認為大概是1781年之前的資料不可靠?？墒遣坏?0年，到了1830年，新的觀測與布瓦德計算的軌道又發(fā)生了較大的偏離，調(diào)皮的天王星又“出軌”了。究竟是什么原因呢？當時的天文學界普遍認為，可能是天王星外尚有一個未知的行星，由于沒有考慮它對天王星運動的影響，所以會有較大偏離。但要進一步具體確定該未知新星的存在，并計算出它的軌道、質(zhì)量等參量，是一項十分艱苦、復雜的工作，萬有引力定律又將經(jīng)受一場考驗。當時法國的天文學助教勒威耶(18111877年)對天文學有著濃厚的興趣，他對太陽

10、系中各行星的軌道變化逐個進行了計算和分析。勒威耶經(jīng)過一年多的計算，于1846年8月31日寫成了“使天王星運行失常的行星，它的質(zhì)量、軌道和現(xiàn)在位置的確定”的論文，完成了尋找新行星的理論計算工作。9月18日，他寫信給柏林天文臺的天文觀測家加勒，請求用他們優(yōu)良的望遠鏡指向天空的某個指定位置，幫助尋找這顆亮度大約近于九等星的新行星。9月23日，加勒收到信后的當晚，他和他的助手在不到30分鐘的時間內(nèi)，就在勒威耶信中指定位置的范圍內(nèi)找到了這個太陽系的第8顆行星海王星。而在比這稍早一些時間，英國的亞當斯(18191892年)通過計算，已正確地指出了這個行星的位置。1845年9月，他把計算結(jié)果通過劍橋大學天文

11、學教授轉(zhuǎn)呈給英國皇家天文臺，但這個年輕人的論文未能引起權(quán)威們的重視。直到第二年，皇家天文臺終于決定對亞當斯的計算予以觀測，并在亞當斯預言的位置上發(fā)現(xiàn)了這顆新星時，可惜為時已晚，德國柏林天文臺已經(jīng)傳出了根據(jù)勒威耶計算發(fā)現(xiàn)海王星的消息。這樣，海王星的發(fā)現(xiàn)被推遲了近一年的時間。海王星的發(fā)現(xiàn)，不僅有力地支持和證實了萬有引力定律和哥白尼學說，而且成了理論指導實踐的極為精彩的例證。 后，經(jīng)過對海王星運動的一段觀察，發(fā)現(xiàn)了海王星也出現(xiàn)了某些“越軌”現(xiàn)象，而用已知行星對它的作用得不到圓滿解釋，自然又想到海王星外還存在一顆新星了。從1905年開始，經(jīng)歷了長達25年的艱苦搜索，終于在1930年，美國的天文學家湯鮑

12、孚發(fā)現(xiàn)了這顆新星，取名為冥王星，這樣太陽系的第9顆行星也被發(fā)現(xiàn)了。2、潮汐現(xiàn)象潮汐，就是海水的一種周期性的升降或漲落運動，海水的漲落平均以24小時50分為一個周期，在一個周期內(nèi)一般發(fā)生兩漲兩落。古代人把白天海水的上漲稱為潮，晚上海水的上漲稱為汐，所以合稱潮汐。潮汐主要是月球?qū)Ｋ囊υ斐傻?，太陽的引力也起一定的作用。潮汐是一種萬有引力現(xiàn)象。圖3-1-3 月球?qū)Φ孛嫔虾Ｋ囊绷D3-1-4 大潮和小潮根據(jù)萬有引力定律，太陽對地球的直接引力約為月亮對地球引力的175倍，那么為什么太陽的引力效應反比月亮的引力效應要小呢?這是因為潮汐現(xiàn)象是由于地球兩面的海水所受的引力的差異造成的，而月亮造成的這種

13、差異比太陽造成的差異大得多。整個地球在太陽和月亮的引力下，其加速度與其表面上海水的加速度不同而引起了潮汐現(xiàn)象。月亮與地球中心的距離等于地球半徑的60倍，即60；在地球距月亮最近的一側(cè)，水到月亮的距離只有59；在地球距月亮最遠的一側(cè)，水到月亮的距離卻是61。根據(jù)萬有引力定律可知，在地球靠近月亮的一側(cè)，水指向月亮的加速度大于整個地球的加速度，凈效應是水被加速而離開地球，在地球遠離月亮的一側(cè)，水指向月亮的加速度小于整個地球的加速度，凈效應是地球被加速而離開水，所以海潮發(fā)生在地球的兩側(cè)(面對月亮和遠離月亮的兩側(cè))。陰歷的每月初一和十五(新月和滿月)時，由于太陽、月亮和地球在同一條直線上，太陽和月亮對海

14、水的引力相互加強，所以每月出現(xiàn)兩次大潮；在初八、二十三日，兩種引力相互抵消一些，所以產(chǎn)生小潮。如圖3-1-4示。按照潮汐基本上來自月亮引力效應的分析，在任何時刻，圍繞地球的海平面的總體分布有兩個潮水突起部，這兩個突起部的最高點應出現(xiàn)在地球表面離月亮最近和最遠的地方。當?shù)厍蜣D(zhuǎn)動24小時后，這兩個突起部在地球上的位置將幾乎保持不變。地球上某確定點相繼兩次漲潮之間的理論時間間隔應是12小時。但那只是假定月球的位置不動所確定的。實際的情況并非如此。由于地球自轉(zhuǎn)的緣故，這兩個突起部分會被陸地和海水的摩擦力拖著向前，其發(fā)生位置較月亮正下方稍向前移。所以，在看到月亮越過頭頂之后的某個時刻才會遇到海洋中某處的

15、潮。同時，由于月亮本身的運動，這些突起部分會慢慢地帶著向前，這樣就使得地球上某確定位置的相繼兩次潮汐之間的時間間隔為12小時25分鐘，而不是正好12小時。潮汐現(xiàn)象的漲落形態(tài)與強度在很大程度上取決于海岸線與洋底的地形。比如在開闊海面的中心，當其東西兩岸的水面未同時下落時不會隆起，而在較窄的海域里，它們會交替起伏于沿岸。所以在距大陸較遠的海島上潮水漲落一般都較??；而在一些港口，漲潮與落潮比一般情形都大，波濤洶涌般的海水不斷地灌人和流出海灣。如我國杭州灣的錢塘江口漲潮時潮流洶涌澎湃，氣吞山河，蔚為奇觀。§3-2 重力3.2.1 重力地球表面附近的物體也將受到地球的引力作用（gravity）

16、,用表示。在實際中，常用彈簧秤或天平來測量物體所受重力，稱為靜力學方法。靜力學方法測得的實際是該物體作用在支撐物上的力，其大小叫重量（weight）,用表示。由于地球自轉(zhuǎn)，它是一個非慣性系，地球上的物體都要受到一個慣性離心力（用表示）。的大小為 圖3-2-1 重力其中為地球的自轉(zhuǎn)角速度，為(rad/s)，為地球半徑，為物體所處的緯度。因此，實際測得的重力是地球引力和慣性離心力的合力如圖3-2-1。不難理解，同一物體在地球表面的不同地點所稱得的重力是稍有差異的，,是重力加速度，在兩極最大， 赤道最小，表3-1給出了不同緯度的值。由于地球自轉(zhuǎn)角速度很小，所以慣性離心力的影響微弱，可忽略，近似地有

17、（3-2-1）成立。（3-2-1）式中的為地球的半徑，因此（3-2-1）式表示的重力指的是地球表面附近。若你在高空中，如在處，那么你體重將是你在地表稱的，體重隨離地心距離的變化見圖3-2-2。 3.2.2 地球的質(zhì)量 利用萬有引力定律和已知的重力加速度值，求地球的質(zhì)量，即為稱地球的質(zhì)量。由（3-2-1）式有 （3-2-2）地球半徑的現(xiàn)代數(shù)值km，m/s2，測出，可算出地球的質(zhì)量kg，地球的平均密度g/cm3。利用同樣的道理也可“稱太陽的質(zhì)量”。 表3-1不同緯度的g值地點緯度重力加速度g(cm/s)北極900 N983.245列寧格勒600 N981.93巴黎440 N980.94舊金山380

18、 N979.96檀香山210 N978.95蒙羅維亞（利比利亞）60 N978.16雅加達60 S978.18墨爾本380 S979.99圖3-2-2 你在離地心不同距離處的體重§3-3 宇宙速度 當人們水平拋擲物體時，拋出的速度越大，物體射出的距離愈遠，但終歸要落回地面。那么，當物體具有多大的速度時，它就可以繞地球飛行而不落回來，甚而離開地球、離開太陽系呢？ 由地球發(fā)射人造星體，必須使它有足夠的速率才能在空間運轉(zhuǎn)，現(xiàn)在常提到的三種宇宙速度是從地球發(fā)射幾種人造星體所需要的、相對于地心參考系的最低速度。第一宇宙速度就是使人造星體可以環(huán)繞地球運動所需的最小發(fā)射速度，第二宇宙速度是使人造星

19、體完全脫離地球所需的最小發(fā)射速度。第三宇宙速度則是使物體脫離太陽系所需的最小發(fā)射速度。3.3.1 第一宇宙速度 假設人造地球衛(wèi)星沿著圓軌道(圓心在地心)運轉(zhuǎn)，軌道半徑為,環(huán)繞速率為，衛(wèi)星作勻速圓周運動所需的向心力應等于地球?qū)πl(wèi)星的引力，由萬有引力定律及牛頓第二定律得 （3-3-1）式中為地球質(zhì)量，為衛(wèi)星質(zhì)量，由此可求出 （3-3-2） 設地球平均半徑為，從地球表面發(fā)射的衛(wèi)星的速率為，對地球衛(wèi)星系統(tǒng)只有引力做功，系統(tǒng)機械能守恒，于是有 （3-3-3）將(3-3-2)式代入，經(jīng)化簡得 （3-3-4）由上式可知，越大，衛(wèi)星的機械能越大，所需發(fā)射速度也越大。因此只有當取最小值，也即，即衛(wèi)星在地面附近（

20、大氣層外）環(huán)繞地球運轉(zhuǎn)時，所需發(fā)射速度最小，用表示，則有。在地面附近，重力加速度，代入得m/s2，m代入上式可得(km/s) （3-3-5）這就是第一宇宙速度，也是人造地球衛(wèi)星在地面附近的環(huán)繞速度。由于空氣阻力等因素的影響，發(fā)射人造衛(wèi)星的實際速度總是大于第一宇宙速度。3.3.2 第二宇宙速度在地面上發(fā)射航天器，使之脫離地球引力范圍所需的最小發(fā)射速度稱為第二宇宙速度。第二宇宙速度對應于航天器逃離地球后速度為零的情況。它脫離地球的引力范圍時，即在處，它與地球間的引力勢能為零，系統(tǒng)的機械能為零，即（3-3-3）式右端為零。一個航天器在從地面到脫離地球引力場的過程中，符合機械能守恒，設在地球表面的發(fā)射

21、速度為，則航天器與地球的系統(tǒng)機械能為化簡得 （3-3-6）代入數(shù)據(jù)可得 （km/s） （3-3-7）可見第二宇宙速度等于第一宇宙速度的倍。當發(fā)射速度大于第一宇宙速度而小于第二宇宙速度時，航天器將在地球的引力場中，按不同的發(fā)射速度繞地球作偏心率不同的橢圓軌道運動，這是人造地球衛(wèi)星的情況。當發(fā)射速度大于第二宇宙速度時，它將擺脫地球的引力而離去，成為圍繞太陽運行的人造衛(wèi)星。此時，相對于地球而言，它的軌道是拋物線或雙曲線。圖3-3-1表示了從地面A處發(fā)射，當發(fā)射速度的方向與該處地面平行，但速度大小不同時人造衛(wèi)星的運行軌道。高層稀薄大氣中的氣體分子無時不刻進行著無規(guī)的熱運動，眾多的分子具有各種不同大小的

22、速度。當氣體分子的運動速度超過，它將脫離地球而逃之夭夭，所以又稱為“逃逸速度”。對任何星體，其逃逸速度可寫為 （3-3-8）其中表示該星球的質(zhì)量，為星球的半徑。表3-2給出了一些星球的逃逸速度，可以看出星球的大氣層與逃逸速度的大小有密切的關(guān)系，逃逸速度太小的星球是不可能有大氣層的。表3-2 星球的逃逸速度與大氣層星 球 (km/s)大氣壓強 (105 Pa)月球水星火星地球1.0121.0561.1081.001.271.381.531.002.44.35.0611.2無無1.0081.0表中表示星球的質(zhì)量與地球質(zhì)量之比，表示星球的半徑與地球的半徑之比。圖3-3-1物體的軌道與發(fā)射速度3.3.

23、3 第三宇宙速度 在地球表面發(fā)射航天器，使之不但脫離地球的引力場，還要脫離太陽的引力場的最小發(fā)射速度，稱為第三宇宙速度。由于人造星體在整個飛行過程中，同時受到地球和太陽以及其它星體的引力，所以計算非常復雜。第三宇宙速度可以按照下述思路來計算：由于太陽引力場比地球引力場強得多，因此先不考慮地球引力的作用，計算從地球公轉(zhuǎn)軌道上需要以多大速度發(fā)射航天器，才能脫離太陽的引力場。這和計算第二宇宙速度完全類似，在式（3-3-8）中，代人太陽的質(zhì)量kg和地球到太陽的距離m，得（km/s）在地球上發(fā)射航天器時，應充分利用地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道速度。類似于衛(wèi)星繞地球運轉(zhuǎn)速度的計算，可得地球公轉(zhuǎn)的軌道速度為 如果航

24、天器沿著地球軌道速度的方向發(fā)射，那么所需的發(fā)射速度為（km/s）即當沿著這樣的方向發(fā)射時，只要相對于地球的速度為，相對于太陽的速度就為。這是沒有考慮地球引力的情況下得出的結(jié)果。如果再考慮地球引力場的作用，問題就變成了如果要航天器在脫離地球引力后相對地球的速度為，那么在地球表面應有多大的發(fā)射速度？這又完全是一個在地球引力場中的機械能守恒問題了。用表示這個發(fā)射速度，則有由此得出（km/s） （3-3-9）這便是第三宇宙速度，即從地面發(fā)射使航天器能夠先脫離地球的引力場，再脫離太陽的引力場而飛入星際空間所需的、相對于地球的最小發(fā)射速度。 §3-4 引力坍縮3.4.1 引力建造了星系 恒星主要

25、是由遍布宇宙的極其彌散的氣體(主要是氫原子)形成的。在某些區(qū)域，這種物質(zhì)碰巧聚集得稍微密集一些，形成巨大的氣體云。這些氣體云便是恒星的發(fā)源地。由于所有這些物質(zhì)小塊之間的吸引力，空間的所有氣體和塵埃趨于集聚。如果氣體云內(nèi)偶然有一個地方物質(zhì)集聚得比其他地方更稠密，這個地方就能成為吸引其它物質(zhì)的引力中心。物質(zhì)由于引力吸引而聚集到一起的現(xiàn)象，叫做“引力坍縮”。以下以太陽系為例，說明星系在引力的作用下是如何自我建造的。太陽系，開始是一團彌散的冷的氣體和塵埃云，這團云比現(xiàn)在的太陽系大幾千倍。大約50億年前，云團內(nèi)某一部分物質(zhì)偶然聚集得比其他地方稠密。這個物質(zhì)團塊把周圍的物質(zhì)吸向自己，使團塊的質(zhì)量更大，這增

26、大了它的拉力，使得它聚集更多的物質(zhì)，這又使團塊具有更大的質(zhì)量，如此下去。這個自我加強的過程一直持續(xù)到原來的氣體和塵埃的大部分坍縮，形成一個比太陽系更大的巨大氣體球為止。每團氣體云都有輕微的總體自轉(zhuǎn)運動，這不過是它的無序流動和渦動的凈效果。隨著氣體云團的收縮，這個自轉(zhuǎn)加強了，就像一個花樣滑冰運動員隨著她把伸展的手臂收攏時轉(zhuǎn)得越來越快一樣。由于持續(xù)的收縮，這一自轉(zhuǎn)加快到足以使氣體球的外緣區(qū)域變得扁平成圓盤狀。外圍扁平區(qū)域內(nèi)的一些氣體最終因轉(zhuǎn)得足夠快，進入更大的環(huán)繞中心氣體球的軌道。因為它在軌道上旋轉(zhuǎn)，當中心坍縮時，這部分物質(zhì)就留在軌道上。扁平的外緣區(qū)域一面繼續(xù)做軌道運動一面冷卻、凝結(jié)和聚集成團，這

27、些團塊就變成地球和其他行星。而氣團的中心繼續(xù)自我拉著向里收縮，因引力坍縮形成太陽。隨著氣體的聚集，新的氣體以越來越大的速率被拉向內(nèi)部。氣體球中心聚集的原子以越來越高的速率相互碰撞，使中心處的氣體變熱。太陽因熱而開始發(fā)光，光從太陽向外涌流，掃走了原來充滿太陽系的塵埃和氣體。于是，地球上就有了光。巨大的中心氣體球繼續(xù)坍縮、變熱，直到中心達到百萬度的高溫。在這樣高的溫度下，原子間相互猛烈的碰撞，以致它們的電子被剝掉，留下了由裸原子核和電子組成的氣體，猛烈碰撞的原子核偶爾也粘在一起，這個過程稱為核聚變，即太陽點燃了自己。核聚變產(chǎn)生大量的熱，而由熱產(chǎn)生的壓力使氣體球不再進一步坍縮。向內(nèi)拉的引力與熾熱氣體

28、向外推的壓力之間達到了平衡，就像氣球的橡皮向內(nèi)拉的張力與球內(nèi)空氣向外推的壓力之間達到平衡一樣，氣體球的引力坍縮停止。隨著太陽在大約50億年前開始了核聚變，它就點燃了自己，并成為一個標準的自我維持的恒星。太陽一旦停止坍縮，就停留在中年期，至今已持續(xù)近50億年了。這個長時期穩(wěn)定的階段，使太陽系中的一個行星上面的原子有可能聚集成結(jié)構(gòu)高度復雜的分子形式，它們最終演化成生命形式，而且在更晚近的時候演化成我們?nèi)祟?。有人類特征的動物在地球上只存在?00萬年，這不過是太陽的漫長歷史的千分之一。以上是恒星演化理論勾畫的圖景。對處于宇宙中不同演化階段的恒星的觀察結(jié)果，以及對地球上最古老的巖石、對月球、對月球上的

29、巖石、對隕石、對其他行星、對其它衛(wèi)星和對太陽本身的所有觀察結(jié)果，都支持恒星演化理論。一切恒星都以與太陽大致相同的方式形成。這是在我們整個星系以至于整個宇宙中始終不停地進行著的一個過程。要尋找恒星誕生的自然場所，應該是在太空的稠厚氣體云中。當哈勃空間望遠鏡搜索叫做鷹狀星云的稠密氣體云時，發(fā)現(xiàn)了數(shù)以千計的新形成的恒星。正如恒星演化理論所預言的那樣，幾乎所有這些新恒星都包在塵埃和氣體的圓盤中，預計這些圓盤最終將結(jié)合成行星。3.4.2 不同大小的恒星在終結(jié)后的命運星空不是靜止不變。星星與其他萬物一樣，它們會誕生，有一定壽命，也會終結(jié)、死亡的。恒星的生命過程主要由它的質(zhì)量大小確定。一個星體的質(zhì)量大小至少

30、要有太陽質(zhì)量的10，才能熱到足夠的程度以點燃核聚變反應，變成一顆恒星。一切質(zhì)量大得足以引起核聚變的恒星都要經(jīng)歷類似于太陽現(xiàn)在狀態(tài)的中年期。然后，當它的氫燃料用盡時就進入最后階段。1、太陽類恒星的終結(jié)把質(zhì)量在三倍太陽質(zhì)量以下的恒星稱為太陽類恒星。它們所經(jīng)歷的最后階段將與太陽的類似，以白矮星結(jié)束它們的生命。太陽主要由氫氣構(gòu)成，太陽供聚變過程用的燃料是氫氣。在幾十億年時間內(nèi)，氫的貯藏必然逐漸枯竭，直到未來大約50億年后它將不再維持核聚變。這時太陽將進入老年期。由于沒有熱源，太陽又將開始引力坍縮，這種坍縮將再度使太陽變熱，直到它的核心熱到足以點燃更熱的、涉及氫以外的其它元素的新的核反應。這種重新加熱使

31、太陽的外圍部分極度膨脹，超出最里面兩個行星(水星和金星)的軌道，或許遠至地球。它的熱量將把地球上存留的任何生命蒸發(fā)掉(變成氣體)。由于陷入太陽氣體的包圍，水星、金星、或許還有地球?qū)⒔档瓦\動的速率，并沿螺旋線進入太陽中心。這些核反應最終也將走完自己的歷程。接著，引力將會最后再表現(xiàn)一次。沒有了核熱源，就沒有什么東西可以阻止太陽自身向內(nèi)部收縮了。地球上支撐固態(tài)物質(zhì)反抗外界壓力的原子間的力實在太微弱，完全承受不住恒星最后坍縮過程中巨大的向內(nèi)的引力。 太陽將把自己擠壓到遠小于其現(xiàn)在的邊界之內(nèi)，遠小于由普通固體物質(zhì)所構(gòu)成的體積，把它的原子擠壓到確認不出其存在，直到在微觀層級上留下的只是由裸原子核和無束縛的

32、電子填塞得密密實實的一塊固態(tài)東西。到了這一步，坍縮將因電子之間的所謂量子交換力的作用而永遠停止。 太陽燒完后留下的“尸體”是熱的和固態(tài)的，而且很小與地球差不多大。太陽的全部質(zhì)量將裝在現(xiàn)今體積的百萬分之一的體積里！太陽物質(zhì)將超常致密，每立方厘米中有許多噸物質(zhì)。一點兒這種物質(zhì)就會使地球上一張堅固的鋼桌坍塌！引力加熱在太陽最后的坍縮階段使太陽急劇變熱，但是一旦坍縮終止就不再有熱源了。太陽的殘骸將短暫地發(fā)出耀眼的光，然后慢慢變暗，就像正在熄滅的余燼。這些致密的恒星因它們發(fā)白熾光和它們的大小被叫做“白矮星”，它們是坍縮的恒星的殘骸。 一顆恒星會只有地球這么大嗎？當?shù)谝活w這種類型的天體在1862年被發(fā)現(xiàn)時

33、，天文學家簡直難以相信這些數(shù)字，而認為觀測中一定有錯誤。但是很快又發(fā)現(xiàn)了另外兩顆小恒星，而現(xiàn)在已經(jīng)知道有200多顆了。2、比太陽更大的恒星的終結(jié)超新星爆炸、中子星完全不同的命運等待著質(zhì)量更大的恒星，這些恒星的質(zhì)量大于大約三倍太陽質(zhì)量。和太陽一樣，這些質(zhì)量更大的恒星用完了它們的氫燃料之后向中心收縮。但是由于恒星的質(zhì)量更大，收縮就更強，從而其中心變得更熱。這樣的高溫引發(fā)多種核反應，最終把恒星中央的小核心變成固態(tài)的鐵。鐵不斷地生成，直到內(nèi)核的質(zhì)量變得如此之大，以致不能承受自己的重量。于是，固態(tài)的鐵核在僅僅1秒鐘內(nèi)突然坍縮。這個猛烈得無法想象的過程震撼了整個恒星，使其碎裂。恒星的大部分被炸到太空中，這

34、類事件叫做“超新星爆發(fā)”。爆發(fā)后，原來的恒星僅有1020保留下來。在這個殘骸中不能發(fā)生進一步的核反應，所以沒有什么能夠抗拒向里拉的引力。這一恒星殘骸進入它最后的坍縮。如果原來的恒星質(zhì)量大到太陽質(zhì)量的10倍或20倍，那么最后的坍縮更加強烈，電子交換力已顯得太弱而不能阻止它。只有另一種已知力能使坍縮停下來，它叫中子交換力。它類似于電子交換力，只不過是發(fā)生在中子之間的。從微觀層次看，坍縮不僅把原子擠壓得不復存在，而且也把電子擠壓得迫使其與原子核合并而不復存在。這就使每個原子核變成一堆中子的集合，從而把整個恒星變成一個類似于由中子構(gòu)成的巨型原子核的物體。這種物體叫做“中子星”。中子星表面的引力特別巨大

35、，其半徑只有10千米左右，是太陽半徑的1100000，然而它的質(zhì)量卻比太陽的大。牛頓萬有引力定律告訴我們，在星體表面上的物體重量反比于這顆星的半徑的平方。如果一顆坍縮的星的半徑變?yōu)樵瓉淼?105，那么它表面上的一個物體的重量就增大至105×1051010(100億)倍。 原子核物理學家奧本海默于1938年預言了中子星。1967年前一個中子星也沒被發(fā)現(xiàn)，1967年，英國的一個目光敏銳的天文學研究生喬斯林·貝爾在太空中發(fā)現(xiàn)了一個無線電波源，它每隔1.3秒發(fā)出一串信號或脈沖?？茖W家們起初以為她可能發(fā)現(xiàn)了來自地外文明世界的無線電航標信號。然而很快又發(fā)現(xiàn)了另一個，迄今已經(jīng)知道500個

36、以上這樣的電波源，它們的脈沖頻率的范圍很寬。對它們的身份沒有什么可懷疑的，它們就是中子星。 中子星是一種古怪的天體。雖然它的質(zhì)量比太陽更大，但它的直徑卻只有幾千米，每一立方厘米中有幾十億噸物質(zhì)。像一個把手臂收攏的旋轉(zhuǎn)著的滑冰運動員一樣，中子星在其最后的坍縮階段轉(zhuǎn)得越來越快，直到整個星體以對質(zhì)量如此巨大的物體而言難以想象的速率自轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)得最快的中子星每秒鐘要轉(zhuǎn)幾百周。這種自轉(zhuǎn)與磁效應結(jié)合，就產(chǎn)生了在地球上觀測到的可見光和無線電信號的快速脈沖，這就是貝爾在1967年發(fā)現(xiàn)的信號。從地球上看，整顆星在1秒鐘內(nèi)閃亮和變暗多次。公元1054年在地球上觀察到并記載了一顆中子星的超新星爆發(fā)。據(jù)記載在幾天時間里爆

37、發(fā)產(chǎn)生的光比金星還亮，被爆炸吹散到空間的氣體形成彌漫的星云狀的暈，形如螃蟹，因此把這顆星稱為蟹狀星云。 3、超大恒星的終結(jié)黑洞若一顆恒星的質(zhì)量比坍縮成中子星的恒星的質(zhì)量更大，該恒星的命運又將怎樣呢？當一個質(zhì)量為太陽質(zhì)量30倍以上的恒星燃料燒完時，接著發(fā)生的坍縮是如此猛烈，沒有任何已知的力能夠使它停下來。按照現(xiàn)行理論，它將坍縮成一個密度無限大的“點”!它的物質(zhì)其原子和亞原子粒子被擠壓得不復存在。然而，它仍保持質(zhì)量，保持著對其周圍空間的引力影響。在這樣的恒星附近引力大得不可想象。如果你不幸離它太近，你將不能逃脫，這是因為它的引力不會讓任何物體掙脫。如果你在離中心點幾百米的范圍內(nèi)，試圖向外扔出一個物

38、體，你就得把這個物體扔得比光速還快，才能使這個物體掙脫這顆星。按照狹義相對論，一切物體的運動速度大小不能超過光速C。若對于某一天體，其逃逸速度V2=C時，在該天體附近的任何物體（包括光子，即電磁波）都將逃脫不了它的引力，連光也無法傳播出來，顧名思義，這種奇怪的天體就是廣義相對論所予言的“黑洞”。該天體的引力半徑（又稱史瓦西半徑）為 （3-4-1）在史瓦西半徑內(nèi)與外界斷絕了一切物質(zhì)和信息的交流。一個物體若進入內(nèi)，則都將被俘獲，有去無回，從宇宙的其它部分看來它就像是消失了一樣。若以千米為單位，史瓦西半徑的數(shù)值大致相當于黑洞質(zhì)量（以太陽質(zhì)量為單位）的3倍。這樣算來，一個10倍于太陽質(zhì)量的黑洞，其史瓦

39、西半徑為30千米。 黑洞還可能具有兩個性質(zhì)：可能帶電；還可能高速旋轉(zhuǎn)。高速旋轉(zhuǎn)的黑洞將帶動附近的空間跟著轉(zhuǎn)動。那么，怎么能確定黑洞真的存在呢？20世紀60年代，天文學家們認識到，可以通過間接途徑尋找黑洞。如果黑洞處于一個雙星系統(tǒng)（指兩顆由引力維系在一起而相互環(huán)繞旋轉(zhuǎn)的星）中，即有一顆伴星環(huán)繞它運行， 黑洞的引力將把伴星的物質(zhì)吸引過來。物質(zhì)在消失之前，會在黑洞周圍形成熾熱的旋渦盤體，叫做吸積盤。吸積盤的溫度很高，會放射射線。1970年，第一顆射線探測衛(wèi)星發(fā)射升空。1972年，天文學家就發(fā)現(xiàn)了首個可能是雙星黑洞的目標：8000光年之外的Cygnus（天鵝座）X1。這個天體據(jù)認為是雙星，一顆星是可見的巨星，而另一顆則是看不見的致密星體(換言之，遠小于通常的星體)。通過觀測它對那顆可