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从地球出发,飞跃太阳系 | 星星背后的物理(一)

 

 

编者按:       

       在《星星背后的物理》系列中,科普作家张天蓉将带领我们从地球出发,全面系统地了解我们所在的宇宙。启程第一篇,我们将游历整个太阳系,认识太阳系大家庭的主要成员。各位,穿好宇航服,戴好头盔,启动生命保障系统——READY?GO!

 

 

撰文 | 张天蓉(美国德州大学奥斯汀分校理论物理博士)

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前言

 

夜空中的满天繁星,给人类带来无限的遐想。闪烁星星的背后是些什么?这个世界从何而来?向何处去?外星生命存在吗?深不可测的宇宙中似乎暗藏着无穷多的奥秘,这是对人类永恒的诱惑!

 

古人仰望苍穹不明就里,编出了一个一个的神话故事来寄托他们的梦想和遐思。幸运的是,我们生在现代的文明社会,人类发展至今,已经积累了够多的天文资料,今天,就让我们跟随着天文学家的脚步,作一个快速又简洁的"宇宙漫游梦",去宇宙逍遥逍遥("快速又简洁宇宙旅行",我们不会详细介绍太阳系、银河系以及相关的基本天文知识,想要更详细了解这方面的读者请阅读参考文献【1】。我们挑了几个有趣的事例简单说明和解释天体物理中一些必需的概念)

2
太阳系大家庭

 

从地球出发后最快能到达的星球是我们地球的卫星:月球。很多孩子最早的天文知识,开始于白天的太阳和晚上的月亮,然后才了解了一些其它常见到的星星。金木水火土是中国古代认知体系的五种元素,同时也是用来命名五个肉眼可见行星的名字:水星,金星,火星,木星,土星。西方则大多数以希腊罗马神话中的诸神来称呼它们。我们知道,天空中最亮的东西:太阳、月亮,还有其它和我们地球一样绕着太阳转圈的星星一起,组成了一个"太阳系"大家庭。

 

图1-1:太阳系示意图

 

这个大家庭中,最重要的主角是太阳。太阳是一个会发光发热的庞然大物,大到可以放下1百万个地球。它供给我们必不可少的赖以生存的能量。有了太阳,地球上的生命才得以孕育,低级生命才得以进化为高等智慧的人类,人类发展了引为自傲的高科技及现代文明。如果没有了太阳,或者太阳某一天突然停止发光发热,地球上的这一切都将化为乌有。

 

地球在太阳系中的确小得可怜,不仅仅是相对于太阳而言,即使在八个兄弟姐妹中,地球的个头也很不起眼,见图1-1a。不过,尽管大小不一,绕太阳转圈的八大行星却能够和谐共处,各行其"椭圆轨道",各有其"性情特色"。

 

以太阳为核心,距离它最近的是水星。也许人们想象水星最能探听太阳的秘密,所以把它的英文名字(Mercury)取为神话中的情报商业之神。但水星并不是一个适合居住的地方,因为它的表面温度白天可达425摄氏度,晚上冷到零下175摄氏度。

 

水星之外,是离太阳第二近的金星。她在黑暗的天空中亮丽抢眼,因而被称之为"美神"(Venus)。美神虽美,却又太热情,温度总在摄氏470度以上,所以对我们人类而言,只能遥望,不宜亲近。

 

接下来便是我们可爱的家园,郁郁葱葱的绿色地球,这是唯一一个没有用"神"来命名的太阳系行星,也是迄今为止我们唯一发现有智慧生物居住的地方。

 

比地球离太阳稍远一点的是火星。火星并不"火热",温度比地球还低,从零下80摄氏度到零上35摄氏度。火星表面大气稀薄,土壤内富含铁质类的氧化物,经常狂风四起,常常铺天盖地而来的挂起红褐色的含铁沙尘暴。从地球上看这颗行星发出红光,似乎预示着血光之灾,因此无论中外,古代的天文学家都把它和战争联系起来,使它赢得了一个"战神"(Mars)的英名。

 

火星之外,是块头最大的木星。木星上也无木头,是一颗气态加液态组成的行星,它内心炙热(温度上万度),外表却冷漠(只有零下110摄氏度)。极大的温差使得木星表面天气恶劣。

 

下一位是土星兄弟,比木星稍小一点,也是气态氢为主。据说因为它看起来呈土黄色,中国古人将它称为"土"星,西方人似乎也认为它适宜耕种,用罗马神话中的农业之神(Saturn)来命名它。它有两个与众不同之处:一是它特有的、引人注目的、使它显得飘渺潇洒的光环,那是由冰粒和尘埃构成的。另一个特点是"多子多孙":它有60多个卫星,其中有一个"土卫六"(Titan),是由荷兰物理学家惠更斯在1655年发现的,土卫六拥有浓厚的大气层,被怀疑有可能存在生命体,从而曾引起研究者们极大的兴趣。

 

 

图1-2:太阳系大家庭

 

从土星再往太阳系的外围走,下一个是天王星(Uranus),这个名字来自于罗马神话和希腊神话中共同的"天空之神"。天王星离地球较远,但用肉眼仍然依稀可见。

 

1821年,法国天文学家布瓦德根据牛顿万有引力定律计算天王星的运动轨道,发现算出的轨道与观测结果极不相符。科学家们对此提出各种猜测,被大多数人接收的假设是认为天王星轨道之外可能存在另一颗行星,由于它的引力作用使天王星的轨道运动受到干扰,也就是天文学上所谓的"摄动"作用。20多年之后,英国的亚当斯和法国的勒维耶两位年轻人,分别独立地进行计算,反过来用天王星运动的偏差估计摄动的大小, 从而推算出未知行星的质量和轨道位置。1846年9月,柏林天文台的天文学家果然在预报位置附近发现了这颗新行星,并将其以罗马神话中的海神尼普顿(Neptunus)命名,中文翻译为海王星。海王星距离太阳最远,表面溫度低達零下203摄氏度,是太阳系中最冷的地区之一。

 

海王星的发现,证实了牛顿定律的正确,体现了科学预言的无比威力。从此之后,天文学家在人们心目中,似乎变成了一群破解宇宙之谜的"大师",能追捕未知星球的"侦探"。天文学家根据对海王星的观察推测有其他行星摄动天王星的轨道,后来又发现了以地狱之神(Pluto)命名的冥王星。不过,因为后来又有许多类似的矮行星及其它小天体陆续被发现,冥王星于2006年被取消了太阳系行星的资格,我们的大家庭最后留下 "八大金刚"。

 

 

图1-3:八大行星可以被"塞进"地球和月亮之间

 

虽然在大家庭中,月球是地球最亲近的"伴侣",但月球对地球总是"羞羞答答""犹抱琵琶半遮面",永远只是用它的正面对着地球,直到1959年,前苏联的月球3号太空船才拍摄到了月球背面的第一张影像。造成这种现象的物理原因是因为月球的自转速度和绕地公转速度一致。这种一致性平衡了星体"腹背"所受到的不同引力。这种因为作用于物体不同部位引力之不同而引起物体内部产生的应力被称为潮汐力,在漫长的岁月里起着刹车的作用,最终将月球"潮汐锁定"。实际上,月球这个属性并不是太阳系中独一无二的。许多卫星的"面孔"取向,都符合这种"潮汐锁定"现象,只用一面对着它的"主人",以使得内部应力最小。这似乎又一次证实了:大自然造物按照某种"极值"规律!

 

潮汐力这类引力效应,以后还会碰到,因而在此略作介绍。潮汐力的名词来源于地球上海洋的潮起潮落,但后来在广义相对论中,人们将由于引力不均匀而造成的现象都统称为潮汐力。我们所熟知的地球表面海洋的潮汐现象,是因为月亮对地球的引力不是一个均匀引力场而形成的,见图1-4a。人站在地球上,地球施加在我们头顶的力比施加在双脚的力要小一些(图1-4b)。但因为我们个人的身体尺寸,比较起地球来说太小了,我们感觉不到重力在身体不同部位产生的微小差异。然而,在某些大质量天体比如黑洞附近,这种引力的差异就会导致物体被拉长,见图1-4c。

 

 

图1-4:潮汐力

 

月亮离地球说近也不近,与太阳系大家庭比起来,它俩非常亲近,但比较起月亮和地球的体积大小而言,中间似乎空空荡荡的什么也没有。要知道月地距离是38万公里,地球半径不过6千公里,因而,地球直径大约只是月地距离的三十分之一,如图1-3所示,你可能没有想到,太阳系的八大行星可以被排成一排,完全"塞进"地球和月亮之间,还仍然有剩余空间。不过,还好我们的八大行星从未挤到地球月亮之间来过,如果发生那种情形,将会引起一场大灾难!

 

参考文献:

【1】Bill Bryson, A Short History of Nearly Everything[M]., Broadway Books, pp.123-148, 2004

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