太空宇宙與地球的差異

太空宇宙與地球的差異

作者：劉遠景 （原載於「新浪博客」,原題目是：《天上人間》）

(2009-01-13 13:38:09)

這裡並不是向讀者介紹另一個世界有多麼美好，而我們的現實生活是多麼不盡人意。在這裡介紹的是宇宙的千奇百怪，天際間很多現象是我們地球上的人無法想像的特殊。不讀點現代宇宙學方面的書、天體物理學，不實際地觀測天體，無論我們的想像力有多麼豐富，多麼大膽，我們都無法想像我們這個宇宙的神奇。

我們的地球上的普通人比較關注的天體只有太陽和月亮。因為這兩個天體對於我們用肉眼看來比較大，又關係到我們的一年四季、白天黑夜、潮汐的漲落，特別是太陽，它給了地球上一切生物的能源，我們今天所使用的能源都是過去和現在的太陽所賜予的。「大海航行靠舵手，萬物生長靠太陽……」。即使是只關注賺錢，不關心客觀世界的人，也不會忽視太陽和月亮對於人類的作用和影響。也許普通人不關心太陽是如何形成的，也不關心若干億年後將會是什麼結局，但是，所有的人都會關注現在的太陽和月亮，至少他會關心今天出門是晴天還是雨天。

我們應該知道，太陽系包括我們的地球只是整個宇宙的一個非常小的部分，太陽只是宇宙中極其普通的一個恆星。在宇宙中，象太陽這樣的恆星還有上億億個。有些比太陽體積半徑大得多，例如獵戶座的α星，也就是中文名字叫參宿四星，它的半徑是太陽的約900倍。有些恆星比太陽小，比如說有些恆星退出主序星後

變為了中子星，它的半徑只有10公里左右，但是它仍然是恆星。

我們用肉眼所能夠看見的星星，除太陽系的七個行星外，都是恆星。宇宙中當然有很多各種各樣的物質，由於太遠人用肉眼是看不見的，很多即使用現在先進的設備也看不到。那些遙遠的恆星，它們好像離我們地球都一樣遠，或者說都一樣高。其實，這些星星與地球的距離差別非常大。最近的是南門二星，人稱比鄰星，與地球只有4.35光年，如果你坐光子飛船到比鄰星去旅遊，四年多就到了。那是一個比我們太陽約大一點的恆星，它在南方偏東方向的半人馬座。用肉眼能夠看見最遠的恆星，也就是剛才我們提到的獵戶座的α星，它離地球有652光年。而太陽與地球的距離只有1.5億公里，坐光子飛船8分鐘就可以到達。也就是太陽照到我們地球上要經過8分鐘左右的時間。即使真的有了光子飛船，我勸你也別去，太陽表面的溫度實在是太高了，有6000多攝氏度哇！

人類用肉眼所能夠看見的恆星有的雖說有數百光年遠，但是那基本上都是銀河系的恆星。而銀河系以外的恆星、星系與地球的距離都超過十多萬光年，比如說離銀河系比較近的仙女座星雲系，距離地球有220萬光年，最近的大小麥哲倫星雲系離地球也有16萬光年和19萬光年。600光年比16萬光年這個差別真是太大了。所以，銀河系以外的恆星，我們用肉眼是看不清的，即使看見也只是一小團星雲。仙女座星雲在晴朗的夜空能夠看見，但那只是模糊的星雲。視力差的人根本就看不見。雖然我們看上去只是一小塊星雲，可是它也像我們的銀河系一樣是一個龐大的旋渦星系，上面有3—4千億顆恆星，直徑約有10萬光年。在直徑長達100多億光年的宇宙里，均勻地分布著像我們銀河系、仙女座星雲系這樣星多達數億個。

這裡介紹的只是仙女座星雲系，並不包括仙女座的其他恆星。仙女座星雲系雖然與仙女座的恆星在一個視覺方向，但是它們與地球的距離差別非常大。仙女座的那些亮星都屬於銀河系，與我們地球的距離大約只有幾十光年遠。

這裡還介紹一下中國民間傳說中的兩顆星----牛郎星和織女星。牛郎星在銀河西邊的天鷹座，俗稱叫河鼓二，比太陽大一倍多，光度比太陽亮10倍，離地球16光年，離織女星的距離是14光年。織女星在銀河的東邊的天琴座，與牛郎星隔銀河相望，體積是太陽的三倍，光度是太陽的60倍，與地球的距離是24光年。織女星離我們比較遠，但由於它的光度大，體積也大，看上去比較明亮，是人用肉眼能看見的第五個最亮的星。關於牛郎和織女的戀愛故事純粹是人們夏天乘涼時杜撰的。一是恆星是一團火球，沒有情感，不可能談愛；二是它們相隔遠達14光年，不能在農曆的七月初七的晚上在鵲橋上相聚。它們是離我們地球並不太遠的兩個恆星，如果它們真的相聚產生碰撞，那將給地球上的人帶來巨大的天災。織女星不但不會與牛郎星相聚，並且它正在向北極星方向運動，12000年後，它將取代現在的北極星，為我們晚上指明方向。而現在我們所看見的北極星其實是一個繞黃極不停運轉的恆星，大約在2100年它將離開北極。

（一），一個充滿等離子體的宇宙

我們生存的地球上的物質狀態共有四種：固體、液體、氣體和等離子體。前三種物態（即固體、液體、氣體）在宇宙中是稀有的，而地球上稀有的等離子體在觀測到的宇宙中卻是最主要的物態。也就是說地球上的一塊岩石、一杯水對於全宇宙來說，就象鑽石一樣稀罕。我們在讀中學在作物理實驗時，老師都教我們如何把液態的水變成固體的冰和汽體的水蒸汽。似乎物質的形態就只有這三種。其實物質的形態有四種，那就是等離子體。我們的太陽就是一個由等離子體為主的恆星。

等離子體由離子、電子及未經電離的中性粒子所組成。因為正負電荷密度幾乎相等，所以從整體看呈中性。像火焰和電焊弧中的高溫部分，恆星中的表層都是等離子體，電磁力在其中起主要作用，能引起和普通氣體大不相同的內部運動形態，如電子與離子的集體振蕩。從微觀角度看，等離子體的相碰主要由帶電粒子間的電磁相互作用占統治地位，自由電子補償了帶正電的離子的電荷，因此等離子體呈電中性。由於粒子的熱運動，在小範圍內可能呈現出對電中性的偏離，成為準中性的等離子體。太陽是一個巨大的等離子球體。宇宙中所有的物質的原子都經歷過等離子體這一物態。在宇宙星系的前階段，所有的物質以氫（和氦）等離子體形式而存在。宇宙中的大部分物質（非全部）在某些時期都經歷恆星相。在熱星內部通過損失氫而增加重元素。宇宙中物質的平均原子數是增加的，而核反應中的質量虧缺是恆星的主要能源。我們銀河系絕大部分物質由恆星形式的等離子體所組成。星際塵埃僅占星際物質質量的百分之零點幾。而星際物質大約是星系質量的百分之幾。這是由於星系中還有大量的暗物質（dark matter）。暗物質照英語的字面意思就是黑物質。天文學家們在估算星系中物質數量時發現，有些物質以暗物質的形式存在。當我們宇宙拍照片時，這種暗物質不出現在照片上，暗物質到底是什麼？這個問題現在是粒子物理和宇宙學的一個存疑的問題。不過，有一點是肯定的，那就是它不發光，甚至其他光源照在它的表面時，它能吸收全部光，自然就不反射光。據宇宙學家按角動量計算，暗物質占宇宙物質總和的90%。如果僅有發光的物質，難以維持宇宙的角動量。

早期的恆星周圍的星際氣體被電離而形成HⅡ區，來自這些熱星的紫外輻射維持HⅡ區的氫處於電離態，電子和質子的複合則發射射電譜線和很強的Hα線。遠離熱星的星際物質呈中性，但是受到星際光子和宇宙線的作用也有輕微的電離，主要是低電離勢的原子被電離。觀察已經證明在中性星際氣體中有自由電子。

所以，我們可以說銀河系所有可觀測的物質是處於等離子體態，星際塵埃僅占很少的部分。太陽系中的固體僅佔百分之一。地球雖然是固體，但是地球的質量只佔太陽質量的33萬分之一，火星、金星、水星雖然也是固體的，但質量都很小。木星、土星、海王星質量大，可它們也是等到離子體。因此，電磁相互作用在銀河系中占重要地位，我們所能夠觀測到的天體98%都是等離子體。

（二），高溫的恆星

我們的地球表層的平均溫度是攝氏22度，地球上人工製造的最高溫度的途徑是核爆炸，能產生上億度的高溫。太陽的表層溫度相對地球來說是很高的了（攝氏6000度），但是相對於宇宙中的其他恆星來說還不是很高的，只能算個不熱不冷的恆星。溫度過高是要消耗能量的，太陽之所以已經是46億歲的高齡星球了，相對它的整個壽命還只能算個中年恆星。相對它的整個壽命來說，它現在還是個中年漢子。其原因是太陽不太熱，釋放的能量不太快有關。如果像那些變星那樣高速地釋放能量，早就到了風燭殘年了。這要感謝太陽公公平時保養身體，不過分地消耗能量，以讓我們能夠長久地從它的身上吸取能源。

宇宙現在的溫度高低不一致。當恆星脫離主序期後，溫度會出現中心由於收縮升高到一億度到五億度，表面溫度會降低成為紅巨星。由於氦核開始聚變為鈹核，鈹核又很快和另一個氦核反應結合成碳核，這兩種反應都產生光子在氦核聚變階段里，恆星內部物理狀態發生改變導致外層的收縮，使恆星表面面積減少，表層溫度升高。這時，恆星就結束了紅巨星的階段。我們的太陽將來也要經歷紅巨星階段，這一階段的時間大約持續10億年。那時，光度會比今天高几十到一百倍，我們的地球的溫度升高到今天溫度的二至三倍，北溫帶也就是北京地區以北夏季的最高溫度會接近100度。不過，我們不要擔心，那至少是30億年以後的事。到那時，地球上的人類早已經不復存在了。

恆星經過紅巨星後，就進入脈動變星階段，然後就進入爆發階段，持續數萬年地拋射大量的物質，光度迅速增大，排斥力克服吸引力，到了恆星晚期，當內心溫度升高到幾十億度，密度升高到水的一億倍以上時超新星爆發時，內部的溫度能達到一萬億度。但由於超新星爆發會產生大量的中微子從中逃出，它會帶走大量的能量，使溫度迅速降低，一秒鐘後就會降到一百億度。一千年後左右降到一億度，再變到不發光的黑矮星為止。這是說的那些超大恆星。我們的太陽由於質量比較小，發生這種現象的可能性小，應該說，不會發生。

(三),高密度的天體

我在中學上化學課時,老師說,任何物質都有空隙,我們可以把喜馬拉雅山使勁地壓,壓、壓、壓，一直把它壓成一塊餅乾大小裝進口袋裡。當時我雖然相信原子中電子與原子核之間是有非常大的空隙的，但說能把喜馬拉雅山壓成一塊餅乾，真佩服老師的誇張能力，覺得好笑。認為那是不可能的事，到哪裡去找那麼大的壓縮機呀！

地球上的人間沒有那麼大的功率的壓縮機，但宇宙的自然力把喜馬拉雅山壓縮成一塊餅乾那是非常容易的事。通過恆星的高速運動能把兩個太陽大小的的恆星壓縮成不到十公里直徑的中子星。按這個比例壓縮，我們的地球能壓縮成只有一厘米直徑的小彈子球。我們的太陽可以壓縮成直徑只有六公里的天體，喜馬拉雅山放在那裡一壓縮，可能只有針尖那麼大了。

1967年，人類發現一種新的天體----稱作脈衝星。這種星發出很強的無線電脈衝，慢的幾秒鐘發出一個脈衝，快的一秒鐘能發出幾個到三十個脈衝，一個脈衝發出的總能量有的達到30×10³⁵爾格，這比地球上最猛烈的火山爆發時所釋放的能量還要大幾億倍。按目前全世界的用電量，脈衝星一次脈衝的能量就等於全世界一億年的用電量。

公元1054年，也就是宋仁宗至和二年，我國在金牛星座發現了蟹狀星雲。中心那顆恆星就是一個脈衝星。到現在，已經發現了幾百顆脈衝星，這些脈衝星都在銀河系內。這些脈衝星的特點就是：自轉快、磁場強、密度大的中子星，其外層的密度就有水的一千億倍。密度向內增加，到了中心部位，密度增加到水的幾百萬億倍到一千億倍。恆星的密度超過了水的密度的一千億倍時，電子的能量就大到足以能夠打進質子內，和質子結合成中子，質子的正電荷就消失。由於這種超密度的恆星是由中子組成，所以稱為中子星。中子星的外殼具有晶體結構，內部處於超流狀態的中子，夾雜著少量的質子和電子，接近中心的部分可能有一些超子，這是一些比中子和質子都大的基本粒子。

中子星的質量不超過太陽質量的三倍，由於密度大，所以體積很小，半徑只有幾公里，磁場強度高達一萬多高斯以上。而太陽的磁場沒有超過二高斯。中子星自轉快，由於中子星磁場強，其表層的高能電子會產生強大的輻射。如果中子星的高能電子多的那部分向著地球，我們會接受到一次強烈的脈衝輻射，這對人類和生物將是不利的。

通過拋撒物質而變成的中子星有一個質量極限，約等於三個太陽的質量。小於這個質量的恆星可以直接演化為中子星，不經過爆發；大於這個極限的恆星通過爆發減少質量而成為中子星。如果爆發後質量仍然大於三個太陽的質量，恆星就繼續收縮到幾何半徑，小於所謂的「引力半徑」時，恆星就成為黑洞。引力半徑的公式是：

引力半徑==2GM/C²

G為萬有引力常數，M為恆星質量，C為光速。

對於太陽的引力半徑等於：

2×6.67×10^－⒏×1.99×10³³/(2.998×10¹⁰)²＝3公里。

也就是說我們的太陽今後的引力半徑只有三公里。由69.6萬公里收縮到只有三公里,小了二十三萬倍。

如果照這樣收縮，我們的地球會收縮成怎樣呢？

2×6.67×10^－8×5.97×10²⁷/(2.998×10¹⁰)² =6毫米。

回答是地球如果引力半徑收縮後只有六毫米半徑大小了。

當然，地球不是恆星，只是行星，也沒有那麼大的的質量，自然也不會變成中子星。也不會單獨地變成黑洞。但是我們的太陽完全是可能在幾十億年後成為中子星的，我們可以看到，大自然的力量是多麼神奇呀！

當一個恆星變成了中子星，它的密度就高得驚人。在收縮的過程中，肯定會失去一些質量，但是，當物質的密度達到水的一千億倍時，一立方厘米的物質會超過十億噸重。比方說一個打麻將的骰子大小的中子星物質，用地球上的磅秤稱會有十億噸重。這樣的物質，地球上沒有任何地方能夠承載，即使用一米厚的鋼板墊在中子星物質的下面，也同樣如針插在水裡一樣。會在地球上穿出一個洞來，由於地球的引力，它又會被吸引回來，重新在地球上穿出一個洞，並且會這樣反覆地進行，那麼，地球就成篩子，到處都是洞。

(四),高速運動的宇宙

地球上能看見的固體物質的運動得最快的應該要算是槍支射擊的子彈,它每秒鐘飛行的初始速度達1000多米.當然,也能看見光的運動,那是每秒鐘30萬公里。但我們平時生活中沒有把光從光源到照明點這一過程當作是一個運動過程，人們的視力通常把光的短距離運動忽略不計。

在宇宙中，每秒1000米的運動不算什麼高速運動。請看以下天體的運動速度：

1，地球赤道自轉線速度是每秒4638米，公轉線速度是每秒30000米；

2，太陽繞銀河的銀核公轉速度是每秒25萬米；

以上是太陽系的運行速度的舉例，即使是太陽以每秒25萬米在速度公轉，相對於宇宙中的其他天體的退行（分離）來說，也是慢的。比如：

3，編號為4G05：34的類星體的退行紅移值Z為2.877，按紅移值Z1=光速計算，那麼，它的退行速度等於每秒86萬公里。如果除以2，也等於43萬公里；

4，編號為PKS2000-330的類星體，其退行速度紅移值Z=3.78,它的單邊退行速度應該是113.4萬公里÷2=56.7公里.即這個類星體以每秒56.7萬公里的速度運動；

5，最近幾年觀測到的紅移值Z=6的類星體，其退行速度應該是6×300000/2=90萬公里，即每秒90萬公里的速度退行；

6，距離地球6300光年位於金牛座的蟹狀星雲，是我們銀河系的一顆恆星爆發後的殘骸，900多年前就發現它爆炸了，現在這些殘骸還正以每秒四萬公里的速度向四面八方膨脹擴散，這個速度也是子彈速度的四萬倍。

一顆子彈以每秒1000米的速度從我們身邊飛過，我們會聽到「嗖」的一聲，感到很嚇人，如果一個物體以每秒1萬公里的速度從我們身邊飛過，那個聲音的頻率應該更高，耳朵會有一種被針剌的感覺；如果以光速的速度多我們身邊飛過，即使我們是站在真空的環境里，那會是一種什麼感覺？很難想像！

按愛因斯坦的相對論，如果我們乘光子航天器飛行，時間就會停止。如果我們在乘坐在這種飛行器上不下來，就會永遠保持現在這個年齡。如果這種飛行器比光速更快一些，我們乘坐在這種飛行器上，就會變得越來越年輕，乘坐一年後，我們會由四十歲變為三十歲，返老還童。如果我們乘坐的飛行器飛行速度達到光速的兩倍，乘坐一段時間後，我們就會回到過去，看見我們的祖先。

照此看來，回到過去並不是不可能的事，而是我們現在還不具備這個條件。如果條件具備了，可以把秦始皇的遺體放在超光速的飛行器上飛行，他也許會復活；學歷史的教授們乘坐超光速的飛行器，也許能夠看見三皇五帝。

說到這裡，天上（太空）與人間（地球）主要有以下幾種不同：

一是物態不同。宇宙中主要物態---等離子體---地球上稀有，而地球上的三種主要物態氣體、固體、液體宇宙中又是非常稀有。地球上氣體、固體和液體占所有物質的99.9%；

二是溫差很大。地球表面平均溫度是22攝氏度，冶金溫度也沒有超過4000度，核爆炸能達到一千萬度，而宇宙中的恆星到達晚期溫度可以達到五億度。在宇宙大爆炸時，溫度曾達到100億度。

三是密度相差大。地球平均密度是每立方厘米5.5克，最大的密度也沒有超過每立方厘米15克。而宇宙中現在發現的最大密度的物質超過每立方厘米20億噸；

四是地球上物質是慢速運動，宇宙中的物質大多是高速運動。

差別就是這樣大。我們生活在地球上的人所經驗過的知識是那樣的少，真有點井中之蛙的意思。

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