世界什么样(5)

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世界什么样之五:物质的聚散

宇宙空间其实并不空,而是充满了物质(有质量)和能量;质量与能量之比大约为一比三。物质是存在的体现,能量是变化的基因。在物的方面,由弦缠结而成夸克,动因是三色力;夸客带电而成亚原子粒子(质子、中子等),动因是弱核力;质子、中子在强核力的作用下形成原子核,原子核带上等量的电子而成为中性的原子,动因是电磁力;最简单的是氢原子,带一个质子和一个电子;当然还有各种不同质子数的原子和离子,智能生物还可以合成原子。

能量,我们看不见,但是摸得着;它有各种不同的体现方式:力,电,热,波。物质和能量在空间中的分布并不均匀,但其分布规律未知。通过恒星的形成、消亡过程,我明白了什么是宇宙,天有多大。

恒星的形成是物质聚散的最高境界,过程是这样的:在空间里,原子和离子的分布极为稀薄【每升数十个简单的原子和离子而已】,维系其存在的能量也极少,温度只有−260到−250摄氏度左右;在如此低温里,原子都凝结成了分子,形成分子云。分子云里包含氢、氦、离子化的气体、尘埃,甚至构成生命要素的氨基酸;分子云巨大无比,形状各异,有的甚至没有一个确定的边界。

人们最近观测到的一块分子云,是在一个星系里;它在以每年32颗的速度产生恒星。该星云有三千光年之广,质量超过10亿个太阳,形成时间还不到一千万年,距地球104亿光年之远;也就是说,我们现在观测到的是它在104亿年之前的情况。我们这个宇宙的年龄据信也就是137亿年,而太阳的年龄则为45.7亿年,地球年龄为45.43亿年。

分子云可以静静地浮在那里千百万年。猛然间,一只上帝之手搅动了它,让它变得分布不均,导致一系列的事件发生。这只上帝之手,可能是与其它分子云的碰撞,可能是附近超新星爆炸的冲击波,亦或是星系内部的压力。结果就是:有的区域变得如此稠密,引力成了控制因素,坍塌开始。

引力坍塌是所有结构成形的根本机制。万有引力就是物质内在的凝聚力,而质量是聚集的结果,是对运动的抵制;有质量的存在,就有向中心聚集的趋势,结果就是密度增加。另一方面,一种物质要有自己存在的一席之地,就得排挤其它物质,物质相互之间就有斥力。引力与排斥力反复较量,直到达成某种短暂的平衡,然后,新的变化又将开始。这就是物质聚散的本质。

在引力与分子压力的抗衡的过程中,形成了更高密度的碎云块;当一个物体的质量达到一定程度时,它就能吸引周围的物质;质量越大,引力就越强,吸引的物质就越多;内部的挤压、周围掉落物质的撞击【势能变为动能,向着质量中心飞奔】,动能转化成了热能,导致温度升高;温度达到一定程度时,便开始发光,形成原始星。

温度这一标量,达到一定程度后,让分子剧烈运动,气体翻腾,形成旋转。这一旋转带动着周围的物体也旋转;久而久之,一圈厚厚的气体尘埃便在原始星的周围形成。随着落入的物质越来越多,温度急剧升高,把原子核也烧开了!氢原子核被挤压在一起,核聚变反应就开始了;原始星开始稳定地向外泼出光、热、其它辐射,一颗新星诞生了。

恒星也是一个膨胀与收缩不断较量的过程(称为T Tauri过程)。核反应产生的热气压把物质喷向空中,重力便占主导,迫使它收缩;结果又让压力、温度升高,再次膨胀喷射;如此不断反复,直到气压与重力达到暂时平衡,从而形成一个稳定发光的恒星。

一颗恒星,有大有小,有明有暗;是其质量决定了它能发光多久。有小到太阳十分之一质量的恒星,但不能再小,因为没有足够的质量,产生不了核反应所需要的热和压力;那些质量过小的聚集体,不能称之为恒星,而被叫作矮星。

在恒星内核,核反应把氢变成氦,每秒钟用掉几百万吨!氢用尽后,核反应停止,内核里只剩下了氦;引力又成了支配因素,坍塌重新开始,内核的温度、压力再升高,外层物质被点燃,急剧扩散,直径达到原来的几十倍;由于大面积的辐射,表面温度下降,颜色成了红色,一个红巨星诞生了。

在红巨星的内核,温度飚升到了一亿度,以氦作为原料的核反应就爆发了:两个氦原子核(Alpha粒子)聚变成为一个不稳定的beryllium原子核,在于第三个氦原子核相撞,形成一个碳原子;若有第四个氦原子核来聚变,则成了氧原子。这样,最里层是碳和氧在聚集,中间是氦在聚变,外层则是氢在燃烧。

当氦聚变结束后,普通质量(低于3倍太阳质量)的红巨星产生不了让碳、氧进行核聚变的高温,只有重力坍塌、高温;红巨星成了白矮星,表面温度达20万度,密度达每升数吨;组成物质已经不再是普通元素:电子都已经被挤压到紧贴着原子核;是电子之间的排斥力才阻止了进一步的收缩。但如果核的质量超过1.4倍太阳质量,引力将克服电子间的斥力,引起进一步收缩。更高的温度,将把质子和中子烧开,成了夸克。随着能量的辐射,白矮星慢慢冷却、变暗,最终变成黑矮星,从宇宙的可视空间里消失。

对于质量更大的恒星,当氦聚变结束后,其核的高温可以让碳、氧再发生核聚变,产生氖(Neon)、镁(magnesium)、硅(silicon)、硫(sulfur)等重元素;这些元素再进行核聚变,最终生成稳定的铁(iron)。重元素都是这么炼出来的,后来再进入到生命进程中。

当超级巨星的核都变成铁后,巨大的质量使它迅速坍塌;释放的能量是如此巨大,整个巨星都被炸得粉碎,超新星爆发!外层物质则成为星云,为下一轮新星的诞生播种;内核出现了比铁更重的元素,超星爆发后,如果核的质量3倍于太阳质量,它将变为中子星(脉冲星)。坍塌之力如此强大,把电子都挤进了原子核,与质子结合成了中子。它只有20km之广,质量却是太阳的三倍,密度之大,超乎想像。它以每秒数周到几百周的速度旋转,强大的磁场也跟着旋转;能量以射线的形式扫过太空,成了准确的脉冲信号。

如果核的质量大于3倍太阳质量,它将变为黑洞,从可观察的宇宙里消失。黑洞的半径只有数公里,质量却大得吓人。凝聚力(引力)引起收缩、挤压、高温,高温又让物体膨胀、旋转;极大的密度,以致于极高的温度,把夸克也烧开了,形成了无质量的弦,最终化为虚无。

在星系(galaxy)的中心,还有超级质量的黑洞,它并不是巨星消亡后的遗留物,而是由巨大星云碰撞而形成的,它们是星系的发动机,引起类星体(quasi-stellar, quasar)的超常能量爆发。

上帝之手再让物质聚集,无限循环,世世伦回。天有几重?范围有多广?无穷大—只有你的想像可以到达!

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