决定恒星命运的量子效应(上)

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恒星,宇宙空间的庞然大物,它们从出生到死亡后的结局,一生的命运竟然取决于渺然微粒,大自然的造化神功,真是奇妙啊! 量子隧道效应催生恒星

当代天文学家认识到大多数恒星是通过巨分子云形成的。由射电天文的观测,发现在银河系里存在大量巨分子云,它们的主要成分是氢分子,并含有质量约1%的尘埃。它们的直径约50~300光年,质量达数万至百万倍太阳质量,属于银河系内最大的天体,它们的温度一般不超过10开(“开”是绝对温度的单位, 0开相当于-273.15°C)。星云内的物质分布粗看起来似乎很均匀,实际上物质粒子会或多或少地集结成团。也就是说,有些区域有些许大点的质量。在千百万年里,氢原子和氦原子粒子在稠密处积聚起 来,形成了越来越稠密的气体云,并伴随着日益增强的引力。更强的引力吸引来更多的物质,更多的物质又产生更强的引力,这就导致雪崩式的过程,终于形成了能收缩而产生恒星的巨大气体云,里面混合着普通物质(以氢为主加上少许氦和更少的锂)和暗物质,其本身引力继续增强,并在此作用下收缩和凝聚。随着云的收缩和不断吸收周围气体,氢原子获得能量并加速。它们具备了充足的动能,开始相互猛烈碰撞,以热能的形式释放它们蓄积的能量,氢云开始变得越来越热。巨大的气体云最终会分裂成许多小块,形成了一个个局部的气体稠密区域,收缩成更稠密的团块,它们叫作原恒星。原恒星在来自其引力收缩的能量补给之下,变得极度炽热,达到约700万开,在其核心的质子已有了足够的能量开始核聚变。两个质子和两个中子将通过核

聚变相互结合形成一个氦原子核,也就是通常所称的α粒子。导致这4个粒子结合的力是宇宙间4种基本作用力中的强核作用力,这是4种力之中最强的作用力。但它是一种短程力,只是在粒子极其接近时才能起作用。质子是带正电荷的,两个质子相遇,同性电荷相斥,这种斥力是电磁作用力,它比强核作用力弱,但它是长程力,远在强核作用力起作用而把两个质子紧紧结合前,它让两个质子相互排斥,形成一种势垒。这种势垒称为库仑壁垒(为纪念法国物理学家库仑而得名)。不论同性相斥还是异性相吸,电磁作用力与两个电荷的距离平方成反比。好比两位好友,正在相向而行,等待欢晤,不过随着他们的靠近,两人之间冒出了一个土堆。起初当两位朋友距离较远时这个土堆很低,随着两人越走越近土堆不断往上突起成了小 丘。两人间的距离继续缩短,小丘越长越高,长成了高山。他们必须翻越这座高山才能相聚,却是力不从心。这就是说,即使在700万开的温度下,质子还没有足够的能量去超越相互间的电磁斥力。这时有一种只在微观世界才有的奇异的量子效应出来帮忙了。好比来了一位神奇的魔法师,在他们两人之间倏忽间打穿了一条隧道,两位朋友终于可以紧紧握手了。两个质子在一种叫作量子隧道效应的过程中,穿越库仑壁垒,也就是克服了它们之间的电磁斥力,然后通过强核作用力结合在一起。幸好有这种效应,恒星内部才能点燃氢核聚变反应,使宇宙出现新的光芒,也终于使生命得以进化。那么如果没有这种效应,宇宙间是否还能有恒星呢?答案应是肯定的,因为只要原恒星有条件积聚了

足够多的质量,其核心的压力和温度可以如此高,足以点燃氢核聚变反应。但是会有许多质量较小的原恒星一旦形成,周围已经几乎没有多余的物质,譬如我们的太阳,它从原始太阳星云脱胎而出,并不是一颗大质量恒星,可是已经积聚了后来形成的太阳系里99.865%的质量,再要获取更多的物质,终究茫然。它之所以能点燃核反应,应该是有赖于量子隧道效应。宇宙间有一些称为“褐矮星”的天体,它们在原恒星阶段积聚的物质太少,核心的温度达不到700万开,从而不能发光。好比木星,从它的物质成分和结构来看,像是一个微型的太阳,但是由于它的质量只及太阳的约千分之一,故而不能发光。褐矮星无非就是巨型木星而已。许多恒星的质量小于太阳,或略大于太阳,如果没有量子隧道效应,它们都无法点燃核反应,只能停留在“巨木星”的阶段。于是,宇宙中将有多得多的褐矮星。那么,量子隧道效应为何能产生呢?现在用海森伯的测不准关系(参阅本刊2016年第12期拙文“上帝在掷骰子吗?——漫谈量子”)来解释。根据物理定律可以证明,这个关系中粒子的位置与质量的关系,等价于时间与能量的关系。根据测不准关系,要测量 运动中粒子在某一时刻的能量,如果时刻定得越准,能量的模糊度就越大,反之亦然。那么在极其短暂的倏忽瞬间,一个粒子拥有的能量可以有一个相当大的范围,上端高到足以超越库仑壁垒。用物理学家的话来说,粒子在一瞬间从真空借得能量,而一当穿越壁垒,立刻又把这份能量归还。这就是量子隧道效应的奇妙之处。有道是用“隧道”比喻显得有些牵强,按照这个解释,不必借助任何魔法师开凿隧道,不过隧道效应这个词则一直沿用着。然而,“借到”的能量毕竟是有一定限度的,如果势垒太宽或太高,隧穿的可能性就会变得非常小。

光子的“醉汉步态”使恒星稳定

恒星内部由于核反应而产生大量能量,其中心的温度极高,而其外部的温度相对于中心则低得多。热能总是由温度高的地方向低的地方传输,在恒星内,温度形成了由中心向外自高到低的梯级分布,压力和密度的分布状态也是这样。热能的传输有三种方式,即传导、对流和辐射。传导是电子输送能量的过程,而辐射是光子输送能量的过程。在正常恒星中,一个电子携带的能量虽

然可能超过一个光子携带的能量,但是电子能自由穿行的距离远远小于光子。这意味着与电子相比,光子更容易将能量从恒星内较热的区域向外传输。因此在正常恒星内,辐射是重要的能量传输方式,而传导则很不重要。对流在一个区域两端温度差异很大的情况下发生,这是一种很有效的能量传输方式。如果在某一区域对流一旦发生,那么它就成为其中能量传输的主要方式。在恒星的核心一旦点燃了氢核聚变反应,恒星便进入了“主序”阶段,也就是成了一颗通常所说的“正常的”恒星。恒星的核心由于剧烈的核反应,温度进一步升高,例如太阳核心的温度就达到了1500万度,加上充足的核燃料,这种热核反应能维持很长很长的时间。这是恒星一生中历时最长的阶段,例如我们的太阳,在原恒星阶段只不过经历数十万年,可是它的主序阶段长达100亿年。在这漫长的岁月里,恒星非常稳定,表现为它的亮度、大小和质量基本不变。恒星内部进行核反应的区域只是其中心较小的局部,还是以太阳为例,这个核反应区的半径只是太阳 半径的1/4。在核反应区的外围是广阔的辐射层,范围从0.25 0.8太阳半径,再外面是对流层,已经基本上到达了太阳表面,最外面就是无际的大气层了。中心的核反应区产生海量的高能光子,以γ射线的形式向外辐射,首先进入辐射层。这些高能γ射线光子,进入这个区域以辐射转移的方式向外传输。所谓辐射转移是:物质吸收光子,然后辐射一次,这时光子的能量减小,频率降低(波长延长),经过这种无数次的吸收再辐射,由内向外逐渐地依次变为X射线、极紫外、远紫外、紫外、可见光光子,最后以可见光光子和其他形式辐射出来。一个光子可能被吸收、辐射,再吸收、再辐射达几万亿次。被辐射出来的光子,每一次都指向一个杂乱的方向。这就是说,高能光子在它们从太阳核心的核聚变反应里产生出来的那一瞬间,便面临着一个问题,不得不在38.5万千米长(太阳半径约70万千米)的极度浓稠的等离子体里开辟出一条道路来。每一次它们只能经过很小一段距离,就会遭遇氢核而被吸收,然后再次辐射。而后通过跃迁重新发射光子;自由电子则对光子产生散射作

用。这些作用都使光子偏离了原来的传播方向。携带能量的光子在向外传播的过程中,平均每移动1厘米就会遭受原子或自由电子的阻挡,而随机地改变传播方向。计算表明,它们要经历几十亿或几百亿倍于恒星半径的路程,才能将能量从恒星中央传输到表面。这个过程被形象地称为“醉汉的步态”,好比一个醉汉正在向前行进,右跨一步,左行两步,又右迈一步……摇摇晃晃、踉踉跄跄。一般一个光子要经过几十万年才能到达恒星表面,从而开始其射向宇宙空间的旅程。光子离开太阳表面后,只花费8分钟就经过1亿5千万千米的距离到达地球,殊不知从它产生至此已经过了数十万年,这么长的时间只是为了逾越38万余千米。辐射转移正是光子作为量子具有的一种基本效应。这种微观机制在宏观上的表现就是恒星内部的气体并不透明,就是说,恒星内部不像纯净的玻璃那样通体透光。天文学家用一个物理量“不透明度”来定量地衡量恒星气体的这种性质。好比雾霾天气,人们用“能见度”来衡量空气透明度受到影响的程度。能 见度10米,影响程度很大,不透明度也很大;能见度100米,影响程度较大,不透明度也较大;能见度1000米,影响程度较小,不透明度也较小。不透明度是恒星物理学中很重要的一个量,它的大小能决定恒星演化的进程。在辐射转移过程中光子从高能状态变得能量较低,损耗的能量把恒星的物质加热,大量物质粒子的热运动产生巨大的压力,这种压力称为辐射压。恒星由于自身的质量很大,会产生巨大的自引力,这种自引力将导致恒星不断收缩,最终坍缩成为一个极度致密的天体。主序星之所以很稳定,并未坍缩,正是核反应导致的辐射压与自引力平衡的结果。如果没有辐射转移效应,一颗恒星将只是一个发射高能射线的星球。也就是说,恒星辐射区外的物质对于γ射线绝对透明,于是γ射线直射而出。这样对于恒星本身来说,在它诞生不久,就会很快夭折。而对于环绕其周围的行星来说,不要说生命难以孕育,即使已经产生的生命,也经不住高能辐射的杀伤。保持恒星稳定还有一种平衡机制也很重要,这就是恒星内部产生的热量与它向宇宙空间四面八方辐射出去的热量相平衡。如果没有向外辐射或辐射少于产出的热量,恒星内部的热量越聚越多,将会向外膨胀,最终也难免瓦解。一颗主序星,如我们的太阳,正处于这两种平衡之中,才得以保持长期的稳定。当然,局部的失衡总是有的,于是表现出恒星的活动,小的如太阳黑子和光斑等,大的如太阳耀斑和日冕物质抛射等,但不影响恒星整体的长期稳定。正是辐射转移这种量子效应,才让我们在仰望星空时看到了如此多的点点繁星。 (未完待续)

美国著名物理学家(宇宙大爆炸理论的提出者)乔治•伽莫夫在《从一到无穷大》一书中,形象地计算了光子在太阳内部的运行:光的速度为3 0 0 0 0 0千米/秒,太阳的半径为7 0 0 0 0 0千米。所以,如果光量子走直线的话,只消2秒多钟就会从中心到达表面。但事实上绝非如此。光量子在向外行进时,要与太阳内部无数的原子和电子相撞。光量子在太阳内的自由程约为1厘米,太阳的半径是70000000000厘米,这样,光量子就得像醉汉一样拐上约5×10000000000个弯才能到达表面。这样,每一段路需要花3...

在经典力学中,不可能有“穿墙术”这种怪事,愚公只有挖开大山才能到山的那边去,而崂山道士终归会碰得头破血流。但在量子世界中,一切变得不可思议,愚公再不需要子子孙孙挖山不止,崂山道士也会轻而易举地穿墙而出。因为在量子世界中,愚公和崂山道士都变得极端地小,量子化了,变成了质子,而阻挡穿越的高山和墙壁则变成了阻挡质子脱离的原子核(能量势垒)。愚公和崂山道士的身体像一片飘浮弥散的量子云(波函数),四处弥漫,他们的“波函数身体”弥漫到了高山或墙壁的外面,那些曾经不可逾越的障碍,形如虚设。英国物理学家R •H...

目前,已知的自然界中的基本力有四种:引力、电磁力、弱核作用力和强核作用力,迄今为止观察到的所有关于物质的物理现象,在物理学中都可借助这四种基本力的相互作用机制得到描述和解释。强核作用力存在于一个原子的原子核内,是所知四种宇宙间基本作用力中最强、力程最短的。强核作用力克服了电磁力产生的强大排斥力,把原子内的中子和带正电荷的质子结合在一起。电磁力是在带电荷的粒子之间引起的力,它是四种基本力中第二强的力,世界上大部分物质都具有电磁力,和引力一样,电磁力的作用范围是无限大的。弱核作用力,造成放射性原子核或自...

米粒组织是太阳光球层上的一种日面结构,米粒组织的温度比米粒间区域的温度约高300℃,因此,显得比较明亮。明亮的米粒组织很可能是从对流层上升到光球的热气团,不随时间变化且均匀分布,呈现激烈的起伏运动。在那些“米粒”中,炽热的气体以每秒几百米的速度从明亮处升起,并向外迸射出大量光子——它们此刻的能量已降到了可见光区附近。由于光子的逃离带走了能量,“米粒”中的气体温度迅速下降,并在颜色较暗的边缘部位收缩下沉。一个“米粒”的典型寿命只有几分钟。

如果没有向外辐射或辐射少于产出的热量,恒星内部的热量越聚越多,将会向外膨胀,最终难免瓦解。 (责任编辑 张恩红)

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