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1 # 維度開拓者
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2 # 量子科學論
太陽是一團熾熱的等離子體,一座巨大的核熔爐,氫在太陽的核心被聚變成氦,釋放出巨大的能量。
這段話已經在我們的心中根深蒂固,以至於我們很難想想,就在100年前,我們還不知道太陽是由什麼構成的!所以我們知道這一切的時間並不長!
事實上構成太陽的元素和地球的基本相同!地球上有什麼太陽裡就有什麼?幾乎一樣,我這裡說的是種類!是不是覺得這個說法有點荒謬,請看以下的證據:
不同的元素有自己的特徵譜線(發射線和吸收線)我們都知道元素週期表上的每一個元素都有一個特徵譜線。當原子被加熱後,原子會處於激發態,在電子躍遷回低能態時,會產生特定的發射譜線。當光照射到原子時,原子也會吸收於發射譜線相同波長的吸收線。如果我們觀察太Sunny中所有單個波長的光,我們就可以透過光譜中的吸收特性找出太陽最外層的元素。
這種技術被稱為光譜學,即把物體發出的光分解成不同的波長,以便進一步研究。
太Sunny譜中吸收線的強度由什麼決定上圖就是太陽的連續光譜,中間的暗線就是太Sunny譜中的吸收線,基本上,與我們在地球上發現的元素是一樣的。但有些吸收線非常窄,有些吸收線非常非常深,而且非常強。仔細觀察可見光譜中最強的吸收線,其波長為6563Å。1Å等於10^(-10)m。那麼是什麼決定了吸收線的強度?事實證明有兩個因素:
其中之一是,元素越多,吸收線就越強。這個特定的波長6563 Å等於即奈米的十分之一,對應一條氫譜線。
但要正確理解吸收線的強度,還必須瞭解第二個因素:原子的電離水平。不同的原子會在不同的能量下失去一個電子(或多個電子)。因此,不同的元素不僅各自有一個與之相關的特徵光譜,而同一種原子還可以存在許多不同的電離狀態(缺少一個、兩個或三個電子,等等),這些不同電離狀態下的原子都有自己獨特的光譜!因為能量是決定原子電離狀態的唯一因素,這就意味著不同的溫度會導致不同的相對電離水平,因此,同一種原子就會出現不同的相對吸收水平!
根據黑體輻射,恆星的顏色,我們就可以確定恆星的溫度當我們在夜空中觀察恆星時,我們很容易就能看出來,它們有很多種不同的型別。
很明顯,夜空中的恆星有著截然不同的顏色,這告訴我們,至少在恆星的表面,彼此之間的溫度相差極大!根據黑體輻射,當我們看到不同顏色的恆星時,我們就能知道恆星之間的溫差:藍色的恆星溫度更高,紅色的恆星溫度更低。根據恆星的光譜型別我們可以對恆星進行分類,一邊是最熱、最藍色的恆星為O型恆星),另一邊是最小、最紅的恆星為M型恆星。
如果我們只按照溫度對恆星進行分類,你可能會認為順序應該是“ABCDEFG”而不是“OBAFGKM”,對吧?
所以這個分類不僅包含了恆星的光譜型別,還包含了恆星中吸收譜線的相對強度。
恆星的吸收譜線會隨著溫度的變化,出現和消失,這是因為完全電離的原子不會吸收任何光線!當測量一顆恆星的吸收線時,我們就需要知道恆星的溫度是多少,以及原子的電離程度,這樣才能正確地得出恆星裡面元素的相對丰度是多少,這是個很複雜的過程!
綜上的一些特性,我們就可以知道太陽是由什麼組成的?以及元素的丰度現在我們回到太陽的光譜,我們瞭解了不同原子的吸收光譜,以及原子的電離特性,我們就可以知道太陽是有什麼組成的!
事實上,在太陽上發現的元素種類和在地球上發現的元素種類幾乎是一樣的,太陽的光譜中有不同元素的特定吸收譜線!但是最大的不同是,太陽中的氦和氫比地球上豐富得多。氦在太陽上的含量是地球上的幾千倍,氫在太陽上的含量大約是地球上的100萬倍。
吸收線的強度與恆星的溫度以及已知原子的電離特性結合在一起,我們就會得出一個結論:太陽主要由氫構成!
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3 # 天山我才
物理是要做受力分析的,不是寫小說:
力是物體運動的原因。力是改變物體狀態的原因。
可以說,凡是不做受力分析,或無法做受力分析的運動,其原因說法皆不成立。
物理不是寫小說,你可以隨意設定情節,故事,或假設。
也就是說,你不可以設定“地球有引力”,你不可以設定“宇宙奇點”。
那怎麼辦呢?
只有抽取物性,然後做受力分析。
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4 # 優美生態環境保衛者
科學家是如何知道太陽主要由氫和氦組成的?
相信大家對於太陽的組成都已經瞭然於胸,太陽是一個由以氫和氦元素為主要組成的氣體星球,內部在高溫高壓下持續發生著核聚變反應,向外源源不斷釋放著光和熱。而在100多年以前,人們對太陽的內部結構以及物質組成還處於未知的狀態,那麼後來科學家們是透過什麼方法得到其主要組成物質是氫和氦這樣的結論的呢?
我們可以先從宇宙的起源方面著手,在理論上看看宇宙空間的物質組成情況。在上世紀20年代,隨著哈勃透過天文望遠鏡,發現遙遠星系發出的光線在到達地球之後,其光譜有著向紅端移動的現象,於是得出了宇宙正在膨脹的事實,而且目標星系遠離地球的速度與和地球之間的距離成正比關係。科學家們把宇宙膨脹沿著時間線向前反推,認為現有宇宙中的所有物質,在某個時間點上應該是集中在一個點之上的,這個點被稱為奇點,它的主要特點是體積無限小、質量無限大、能量無限高,繼而科學家們利用多種方式推測出奇點大爆炸的時間為138.2億年前,這一場大爆炸,成為宇宙空間形成的開端,奠定了宇宙中所有物質存在的物質和能量基礎。
在奇點大爆炸之後的10^(-32)秒時間內,宇宙空間急速膨脹,幾乎達到了現有宇宙的空間尺度級別,這個時候出現了夸克和輕子。隨後在千分之一秒內,粒子與反粒子迅速出現並且迅速湮滅,但是重子的出現機率可能要比反重子多出來幾十億分之一,正是由於這一丁點的差異,為形成現有宇宙的物質打下了堅實基礎。在此後的38萬年時間裡,隨著宇宙空間溫度的逐漸下降,更小尺度的微觀粒子逐漸形成了自由原子和電子,這些粒子共同構成了充斥著等離子體的“混沌”宇宙,正負粒子湮滅時產生的光子,由於所攜帶的能量極高,反覆與等離子體發生碰撞,一方面阻止了原子核的形成,另一方面光線也無法從“混沌”中逃離。
而在奇點大爆炸38萬年之後,隨著溫度的進一步下降,自由原子開始與電子結合形成原子核,由於氫原子核中只有1個質子,氦原子核中只有2個質子和2箇中子,相比於其它元素來說氫和氦是最容易形成的,因此,等離子體演化成的星雲物質中氫和氦佔據了絕大部分,特別是氫的含量達到70%以上,原始星雲是宇宙中所有星體的物質來源,而且其組成結構也奠定了後來所有宇宙星體的元素丰度基礎。
後來,透過星雲物質的坍縮,逐漸形成了恆星的天體結構,在內部核聚變反應的推動下,根據質量的不同,分別形成了比氦元素原子序數還要大的其它元素,一直到鐵為止。繼而透過大質量恆星生命末期超新星爆發,在巨大能量和溫度的作用下,釋放出的中子又與不同元素髮生聚合形成一些比鐵原子序數還要大的“重元素”,在此基礎上又新形成的恆星以及行星、衛星等,這就是從所有星體的組成物質來看,元素的種類基本上差不多的原因。比如,太陽的組成物質中,71%是氫、27%是氦,碳、氮、氧起來大約佔1.5%,剩下0.5%由矽、鎂、氖、鐵、硫以及其它較重金屬元素組成。而地球上的元素種類和太陽差不多,只是氫和氦丰度遠遠沒有太陽高而已。
那麼,在實際觀測中,科學家們是怎麼驗證上述從理論上分析出來的結論的呢?這裡就有一個概念,那就是元素的特徵譜線。德國驗光師在19世紀初,受到稜鏡可以發散出不同色光的啟發,研製出了光譜儀,並透過光譜儀發現了太Sunny線吸收光譜中存在著黑線,然後科學家們又透過深入分析,證實了這種黑線是由於被照射物體中的原子,可以吸收相應波長的光所致。主要原理是這樣的:當電子吸收特定波長的光線時,它就會躍遷到更高的能級,從而在光譜中形成一條暗線。而當電子能級下降時,就會以相應的波長光線形式釋放出光子,在光譜中形成一條明線。
這些黑線則與該原子在光源發射時產生的明線相對應,也就是在低溫環境下測量出的氣體原子吸收的光,正好是該原子在高溫時發出的光,而且每一種元素,其吸收光譜中均會對應著相應的特徵黑線。於是科學家們透過觀察太Sunny線中特定波長光的特徵譜線,來反推其表面的物質組成。
於是,科學家們根據黑體輻射強度,判斷出恆星表面的溫度,繼而確定不同恆星的光譜特徵曲線。當對太陽進行觀測時,對應的就是確定其吸收譜線,然後在相應的太陽表面溫度以及電離程度的條件下,透過複雜的運算推匯出太陽的組成物質以及各種物質的含量比例。而關於太陽核心中元素的構成,由於太陽表面光球層的遮擋,我們無法利用特徵光譜來進行測量,但是科學家們仍然有辦法,他們利用極其靈敏的光感測器來測量發射出來的微觀粒子的方式,以及結合對太陽內部因聲波產生震動的形式,同時依據對太陽核心處核聚變程度的相關研究,最終形成了上文中提到的太陽元素組成及其比例的結論。
回覆列表
從太Sunny的光譜中就可以知道。每一種元素在高溫激發態都會發出特徵光譜,光譜的頻率(條紋)排列分佈特徵是唯一,可以分析特徵光譜發現星球中含有那些元素,比對光譜的強度,可以分析出元素的含量。