□ 張明昌
天文學(xué)與其他科學(xué)
——天文學(xué)PK物理學(xué)(下)
□ 張明昌
現(xiàn)在恐怕不知道雷達的人已不會太多了。因為在第二次世界大戰(zhàn)中,它為反法西斯戰(zhàn)爭建立了赫赫功勛。從實力而言,當年英國空軍遠非希特勒的對手,正如丘吉爾所言:“在人類戰(zhàn)爭史上,如此以強凌弱,而強者反而遭到如此慘敗的先例恐怕是從來沒有過的?!庇詴俚囊蛩毓倘徊簧?,但不可否認,1940年發(fā)明的雷達是重要因素之一。
圖1 在戰(zhàn)爭中大顯神威的雷達
雷達的威力也在海戰(zhàn)中得到了充分的體現(xiàn),1941年3月的一個夜晚,英國一艘主力艦從雷達中發(fā)現(xiàn),在附近不遠處的海面上,意大利的一支混合艦隊正在行進中,英國人知道,敵人艦隊的速度比自己快得多,一旦被他們發(fā)現(xiàn),就很難擺脫,于是決定先發(fā)制人,乘著夜色的掩護,依靠雷達的導(dǎo)向,主動沖上前去,在不知虛實的意大利人還未來得及做出反應(yīng)前,打它一個措手不及,果然轉(zhuǎn)敗為勝,創(chuàng)造出以少勝多的又一個戰(zhàn)例。
圖2 從大小看,金星(前)與地球相差無幾
圖3 雷達使人們看清了土星光環(huán)(上)的組成(下)
“雷達”當然是個外來詞,有趣的是,在英語中,單詞“radar”是左右完全對稱的一個詞;而在俄語中,它仍保持有這樣正過來、反過去的特點:“радар”。這表明,它有很強的反射性質(zhì)。利用這個性質(zhì),天文學(xué)家又有了大顯身手的機會。
天文學(xué)上最早是用它來測量天體之間的距離,其原理并不復(fù)雜,因為電波是以光的速度行進的,只要測出它一來一回花了多少時間,再乘以光速就行了。1957年,科學(xué)家們在月球上小試牛刀,果然旗開得勝,獲得了誤差只有±1.1千米的準確度——384402±1.1千米,如用這樣的精確度來劃百米跑道的起始線,非得用很細的細鋼筆不可了?,F(xiàn)在用了激光,更使誤差縮小了幾百倍,達到了±7米的驚人程度。此后,它又幫助人們測量了太陽、水星、金星、火星等天體的距離,無不得到了很好的結(jié)果。
我們知道,金星是地球的近鄰,而且它的大小、質(zhì)量與地球相差無幾,加上它又有一個濃厚的大氣層,讓人覺得金星是地球的姐妹行星??墒恰俺梢彩捄危瑪∫彩捄巍?,金星的大氣層又是人們研究金星的極大障礙,使人從來也見不到它的真實表面,以致一些人會浮想聯(lián)翩,以為在濃云之下可能有一個生氣勃勃的生命樂園。20世紀50年代末,雷達的波束穿透了金星的大氣,結(jié)果是讓人大大地吃了一驚:原來金星整個表面都是極其可怕的火爐,溫度在300攝氏度以上(后來飛船探測表明比此還高得多,達480度)無論白天黑夜;不管赤道兩極始終都是足以讓鉛、錫等金屬熔化的高溫!而更令人不解的是,金星是自東向西自轉(zhuǎn)的!或者說在金星上,太陽每天是從西邊升起來,向東邊落下去的。這也是太陽系中的特例。不是雷達“身臨其境”,誰會想到這個“妹妹”竟與“地球姐姐”是這樣天差地別!
雷達還告訴人們,過去對于水星也有很多誤解,例如它的自轉(zhuǎn)并非同月亮那樣,月亮的自轉(zhuǎn)周期與公轉(zhuǎn)周期完全相等,故而它總是以同一面朝向中心天體(地球)。水星的兩個周期不同,所以不是一面永遠朝著太陽,另一面“永無天日”。雷達的資料表明,它自轉(zhuǎn)的周期正巧是公轉(zhuǎn)周期的2/3,于是,出現(xiàn)了又一個宇宙奇觀:水星上的一“天”長達4224個小時——相當于176個地球日!而它上面的1年才88日,也就是說,水星上面1“天”等于2“年”!
用雷達進行掃描,可以測出地形的高低,所以它早早為人們畫出了月球表面的立體圖,把上面的山脈、溝壑、甚至巨石、大坑都測量了出來,這為以后的人類登月提供了不少幫助;同樣對水星、金星、火星,它也進行過類似的工作,也都得到了一些寶貴的資料。
雷達最遠時曾到了土星的范圍,它告訴人們,土星那美麗的光環(huán)并不是彌漫的氣體,而是無數(shù)堅硬無比的石頭、冰塊……
進入了空間時代之后,那些宇宙飛船所得到的珍貴的資料,也是由飛船上的雷達傳回地面的。它們所建立的豐功偉績更是無法用幾句話來概括得了。
原子彈和氫彈是人人談之色變的大規(guī)模殺人武器,1945年在日本廣島及長崎上空的兩朵可怕的蘑菇云,頃刻之間就奪去了幾十萬條生命,它們在人類心靈上所留下的陰影很難在短期內(nèi)消弭。可以說,任何一個頭腦正常的人,都不會歡迎它。
但世界上的事都有兩面性,核爆炸又何嘗不是這樣,在地上它必然會造成可怕的后果,然而,如若發(fā)生在天上、在宇宙間,則又當另作別論了。
人們常說萬物生長靠太陽,這是不錯的。太陽每時每刻都在無償?shù)亟o我們光和熱,據(jù)科學(xué)家們計算,太陽每1秒鐘發(fā)出的總能量高達3.82×1023千瓦——相當于1億億噸優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時發(fā)出的能量總和。有人打了這樣一個比喻:倘若在太陽與地球之間有一座碩大無朋的冰橋,冰橋截面的直徑有3千米,幾乎是泰山高的2倍,可只要太陽“集中精力”,以其神威1秒鐘就可把它全部溶化,9秒鐘內(nèi)所有的冰水將變成蒸汽!——不難設(shè)想,如果這些能量統(tǒng)統(tǒng)射向我們地球,那就相當于在地面上,每平方千米都引爆一個最大的大氫彈!幸運的是,地球上得到的太陽能僅是其總能量的22億分之一。
圖4 太陽的能量來自內(nèi)部的核爆炸
圖5 20世紀的科學(xué)巨人愛因斯坦
從中也可知道,太陽發(fā)出的能量相當于每秒鐘900億顆大氫彈同時爆炸。自古以來,人們就一直在猜想,如此巨大的能量從何而來?會不會有耗盡的時候?這種擔(dān)憂似乎可笑得很,但又在情理之中,因為人類什么時候也少不了太陽。
為了解除人們的這種憂慮,就必須搞清太陽的能量來源問題。古人只想到火爐,因為只要保障不斷添加燃料,火爐的確能提供源源不絕的光和熱。可是用心一算,不免讓人氣餒:即便太陽全是由最好的優(yōu)質(zhì)煤組成的,又有足夠的氧氣助燃,最多也只能維持24000年;后來人們又想到了流星或隕星,因它們有很高的速度,的確也可以提供相當?shù)哪芰浚扇匀贿^不了計算這一關(guān),因為要發(fā)出太陽那么多的能量,至少要保證每秒鐘內(nèi)都有47000億噸流星沖向它,而以此方式,太陽就要不斷變大——1000萬年就會增大1倍,顯而易見,此路同樣不通。以后還有人提出了其他一些設(shè)想,可總是顧此失彼,難以自圓其說。
1937年夏的一次科學(xué)沙龍上,美國幾個物理學(xué)家又舊話重提,議論開了這個問題,有人就提出,恒星包括太陽,能在如此長的時間內(nèi)一如既往發(fā)出巨大的能量,很可能是因它們的內(nèi)部正進行著核反應(yīng)。后來其中之一的特勒受此啟發(fā),專門研究氫彈,最后成了“氫彈之父”;而另一位貝特,則由此深入下去,并逐漸完善了恒星能源的理論,終于在1967年成為又一位榮獲諾貝爾獎的天文學(xué)家。
用愛因斯坦的“質(zhì)能關(guān)系”,可以完滿地說明這個問題。愛因斯坦在他的相對論中指出,質(zhì)量與能量是可以相互轉(zhuǎn)化的,如果在反應(yīng)中物質(zhì)的質(zhì)量損失了M,就會得到MC2的能量。必須說明的是,質(zhì)量損失不能簡單地理解為“被火燒掉了”,或在化學(xué)反應(yīng)中“不見了”之類,因這些變化中物質(zhì)是不滅的,只是改變了它原來存在的方式而已。恒星(或太陽)的內(nèi)部,時時都在進行著4個氫原子聚合成為1個氦原子的熱核反應(yīng):而4個氫原子的質(zhì)量恰恰比1個氦原子大0.028697(原子單位),正是這個看來小得不能再小的那么一點點質(zhì)量,與光速的平方一乘就非同小可——每秒鐘內(nèi),太陽內(nèi)部有6億噸氫聚合成59574萬噸氦,所損失的426萬噸物質(zhì)就化為3.8×1026焦的能量,源源不斷地向太空發(fā)出……以太陽的質(zhì)量言,足以維持上百億、千億年。
圖6 超新星1987A爆發(fā)的壯觀景象
人們常說世界之大無奇不有,的確,宇宙就是比人們能想象的更奇特,更豐富,更有趣。太陽的巨大能量已經(jīng)讓人嘆為觀止,但在新星、超新星面前,真是“小巫見大巫”了。
所謂“新星”,其實是古人的誤稱,因為它并不是剛剛誕生的新恒星,而是原先混跡在繁星之間的、并不引人注目、甚至肉眼看不見的暗星,突然一下明亮起來,就像是一支小蠟燭突然間變成了一盞探照燈,從肉眼看起來,好像在那兒新冒出了一顆星似的。
新星突然發(fā)亮的原因是在那兒發(fā)生了猛烈的爆炸,恒星表面上的物質(zhì)被炸得四處亂飛,其速度比人造衛(wèi)星還要快上62~250倍,達到500~2000千米/秒;炸飛的物質(zhì)有1025~1027千克,相當于地球質(zhì)量的幾十到幾千倍;不難算出,新星這么一爆,所放出的總能量可以高達1033~1038焦耳,或者說是太陽能量的一百萬到幾億倍。
新星固然驚天動地,但與超新星相比,又顯得黯然失色了。超新星無疑是恒星世界中最最厲害的爆炸,它會使原先的恒星亮度一下猛增1億多倍,也就是說,一顆超新星所釋放的總能量可抵得上幾千萬顆新星的和。
新星與超新星的比較:拋出速度(千米每秒)新星 幾萬 1~1 051 0 ~ 1 0 0 0 5 0 0~2 0 0 0超新星 幾千萬至幾億 1 07~1 0121 0 0 0 ~1 06~1 2 0 0 0光增強倍數(shù) 能量(1 033焦)拋出質(zhì)量(1 0-6太陽)
超新星是非常罕見的星空奇觀,在我們銀河系內(nèi),往往要二三百年才會來這么一下。1572年11月11日,丹麥貴族子弟、26歲的第谷·布拉赫在見到了一顆超新星后,他在日記中寫下了這么一段話:“每當黃昏來臨之時,我總會習(xí)慣地抬頭看天,這是我多年來養(yǎng)成的習(xí)慣??墒墙裉煳野l(fā)現(xiàn),就在頭頂上空有一顆很不尋常的星,它是那么耀眼,使其他的所有星星都黯然失色……還在孩提時代,我?guī)缀跻呀?jīng)認識了天空中所有的星星,我的經(jīng)驗告訴我,這個天區(qū)中以前并沒有什么亮星,更不用說是像現(xiàn)在那樣的亮星了?!闭鞘芰诉@顆超新星的感召,他毅然放棄了仕官之路,終生與星星為伍,并成為一代天文觀測大師。
超新星以其無與倫比的驚人能量,一直引吸著眾多科學(xué)家的注意,想當年,人們在研究恒星的能源時,受到它的啟發(fā)制造成了原子彈與氫彈,在此基礎(chǔ)上開始了核能的和平利用。倘若我們能把超新星的爆發(fā)機制搞清,并加以利用,那么,還用怕什么“能源危機”?
圖7 一顆超新星成就了一位偉大的天文學(xué)家第谷
超新星這一爆,對于它本身是一場滅頂之災(zāi),因為在爆炸后,原來的恒星將不復(fù)存在,或者是全部灰飛煙滅,統(tǒng)統(tǒng)變成了彌漫的星云物質(zhì)——如同蟹狀星云那樣的超新星遺跡,或者是外面部分變成超新星遺跡,余下的核心部分再次受到猛烈的擠壓,形成密度驚人的“致密星”(白矮星只是其中最不密的一種)。不過,人類卻應(yīng)對它深表敬意,如果不是它那么猛然地一爆炸,可能今天的宇宙還是那么單調(diào)。因為世界上原先只有氫和氦這兩種最簡單的元素,其他的上百種元素都是靠恒星內(nèi)部的核反應(yīng)聚變生成的,但它們都“深在閨閣無人知”,居于恒星的最內(nèi)層無法拋頭露面,全靠超新星把恒星外面的部分掀翻,它們才能脫穎面世,形成今天這個豐富多彩的花花世界,連生命也是在此基礎(chǔ)上應(yīng)運而生的。否則,即使后來也會形成太陽、地球,那也一定只是一片不毛之地。實際上,其他元素所以能來到這個世界,愛美的女性所以能帶上漂亮的鉆指、金燦燦的項鏈、耳環(huán),都不能忘記了我們超新星的功勞啊。
圖8 史前一顆超新星爆炸后留下的遺跡——蟹狀星云
從理論而言,我們銀河系內(nèi)大約要相隔300年左右才會出現(xiàn)一次超新星,歷史記錄也不多,所以我國古代的有關(guān)資料具有很高的學(xué)術(shù)價值。正因為它們十分稀罕,當年加拿大天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一顆超新星后(也是僅有的一次),竟然引起全國一片歡呼,專門為此舉行了大規(guī)模的慶?;顒印N覈陙碓谶@方面亦有驕人的業(yè)績,僅北京天文臺在1996至1997不到兩年的時間里,捷報連連,一共發(fā)現(xiàn)了6顆之多(都在銀河系外),令世人刮目相看。
(責(zé)任編輯 張長喜)