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第8章 天文发现(3)

然而金无足赤,开普勒也有轻率失误时。1607年5月18日他正在观测太阳,突然发现太阳圆面上有个小黑点。可惜的是,开普勒当时没有“跟踪追击”,而漫不经心地认为这是金星凌日。当时人们还不会计算,其实金星的凌日要到1631年才出现。为什么开普勒会这样大意?这完全是因为传统观念的束缚。因为当时人们的头脑中,太阳是天上的火球,是最完美的球,完美的东西是不应当有缺陷的。

在开普勒时代,教廷拥有至高无上的权力。他们竭力宣扬,太阳是上帝创造的,万能的主不会造一个有瑕疵的天体,因此太阳、月亮都是最光滑、最标准、最完美的球体,任何怀疑都是亵渎神灵的异端邪说。

甚至在伽利略已经发现并证实了黑子确实存在于太阳表面后,多数人还是不敢相信眼睛看到的事实。当时有个名叫席奈尔的天主教士,他也用望远镜观测太阳,也发现了那些黑点。席奈尔惶惶不安,但不管他如何调节仪器,也不论他如何揉拭眼睛,都无法使这些黑点消隐。万般无奈,他只能跑去求助于他的主教。听着席奈尔气喘吁吁的叙述,主教早已不耐烦起来,他打断席奈尔的话说道:“去吧,孩子,放心好了,这一定是你那该死的玻璃出了毛病;不然是你太累了,眼睛上有缺陷,才使你错误地把它当成了太阳上的黑斑。”

与此相对照的是,我国很早就有了太阳黑子的记录。在春秋早期的《周易》中就有“日中见斗”及“日中见沫”等记载。现在世界公认最早的黑子记录也在我国:《汉书·五行志》中,就记载了河平元年(公元前28年)三月乙未(应为己未之误,相当于5月10日),日出黄,有黑气,大如钱,居日中央。从汉代到明朝,至少有100多次确切的记录。在公元三四世纪的晋代,我国已开始正式采用了“黑子”这个名词了。

黑子为什么黑?只因为它们的温度相对于光球较低而已。通常,光球的温度为6000℃,而黑子的温度则在3845~5315℃之间。黑子虽“黑”但若将它单独取出,它的光比李白“把酒问月”的那位“明月仙子”还要亮呢!那时,黑子就变成了“亮子”。

太阳黑子现在要进一步追究:黑子的温度为什么会比光球低呢?这还是个没有定论的问题。有些人认为,是太阳黑子区的强磁场阻止了太阳深处的热量传到黑子表面,使它温度降低;另一些人认为,通过非辐射方式将黑子区的能量大量传输出去而使黑子温度变低。

关于太阳黑子还有许多鲜为人知的景象:在黑暗的本影里,会不时出现活动异常的“本影亮点”,它的亮度与光球差不多;有时又会出现直径达2000千米的明亮的移动结,这就是“本影闪耀”。想不到在黑子的“黑”字上竟会有这么多文章!

日全食

日全食是一种很好看可是很不容易看到的自然现象。在同一个地方,平均360年才看得到一次日全食。日偏食就常可以看见。不过偏食没有什么好看,在科学上也不重要。月亮的偏食和全食也常可以看到,也都没有日全食那么好看,那么重要。还有一种日食叫做“环食”,就是月影的角直径比太阳小,不够把太阳全部都遮盖起来,所以旁边还留着一环的光。我国古书里(如《书经》和《诗经》)常有日食的记载。民国三十(1942)年九月廿一日全食带经过我国,从西北到东南,我国科学界组织了两队观测队,一队到甘肃临洮,一队到福建崇安去观测日全食。

公元前585年5月28日,在美索不达米亚附近有两族(Lydians&Medes)正在打仗,刚好碰到日全食。希腊历史家赫罗多塔斯(Herodotus)这样写着:“日食使这些英雄们吓得把打仗的事都忘记了。”大家以为是天公不许他们打仗,因此两族就议和,并且彼此联婚,成为好友。有一次,亚历山大带兵和波斯人打仗,也碰到日全食。波斯军队的纪律差一点,一看见日食就大乱起来,亚历山大到底是一位英雄,便命令停止攻击,不去追波斯兵了。

为什么日全食在科学上很重要?因为有些科学问题得靠日全食的观测来解决。爱因斯坦的相对论说光线经过太阳旁边的时候,会受太阳的引力所影响而屈折。没有日全食的时候,太阳近旁的恒星当然都看不见。日全食的全过程20年来的观测,都证明爱氏的相对论不错。还有上面提过,要研究色球(闪光光谱)和日冕的物理性质,日全食的时候最方便。有人在日食的时候寻找比水星更近太阳的行星,结果都没有找到。计算出来的月亮运动得靠日食时间的测定来校正它。

太阳中微子的发现

众所周知,中微子是很不一般的基本粒子,起先人们对它毫无所知。20世纪30年代,物理学家在研究原子核ρ衰变时,发现有一部分能量“失踪”了。1931年,泡里勇敢地提出可能有一种神秘的粒子把一部分能量带走了,它就是后来被称为的中微子。它不带电,没有静止质量,以光速运动,这一点像光子,但自旋为1/2,这一点又像电子。1956年,美国两位物理学家柯恩(C·L·Cowan)和莱因斯从实验中证实了中微子的存在。已经77岁的莱因斯与另一位发现r轻子的珀尔分享1995年诺贝尔物理学奖。

然而时至今日,人们对于中微子仍有若干问题没有弄清楚,这些问题将涉及到某些重要方面。人们研究太阳时所暴露出来的关于中微子问题尤为明显。

太阳不断地向广袤的宇宙空间释放巨大的能量,地球得到的太阳能仅为其中的22亿分之一。据实验测量,在这一部分能量中,约31%被云层、地面和大气反射掉;约33%转化为长波热辐射,又辐射到太空去;约30%用于蒸发海水和陆地表面的水分,形成水的循环;约5%被植物吸收。煤和石油就是古代贮存下来的太阳能。由此可见,太阳只要赐给地球这么一点能量,就使地球成为生气盎然的世界了。

太阳的能量是如何产生的呢?为了揭开这个奥秘,天文学家和物理学家们相继提出了化学能或引力能的转化假说等,但都不能解释太阳为什么能够长年累月稳定地提供如此巨大的能量。现在这个问题已初步解决,并取得共识。太阳能就是氢核(ρ)聚变为氦核(4He)的时候,释放出的聚变能。氢核的质量是1.007825原子质量单位,氦核的质量是4.002603原子质量单位。4个氢核聚变为1个氦核后,质量亏损了0.0287原子质量单位。根据著名的爱因斯算出1克氢聚变后能产生6.5×10n焦(或1577亿卡)的能量。假设太阳中有1/10质量的氢发生聚变,根据目前太阳的总光度,可知每秒约有400多万吨的太阳物质转化为能量。这样就可估算太阳能稳定放出光和热的时间大约为100亿年。太阳现在的年龄约46亿年,这说明可供燃烧的氢大约已消耗了一半。

按通常的理解,氢气的温度必须达到1000开,氢核热运动的平均动能才能克服它们之间的库仑势垒,使它们接近到核力的作用范围,氢核才能发生聚变。另一方面,设想太阳是一个在自引力作用下的均匀理想气体球,从已知的太阳质量和半径容易估计出太阳中心温度约为1500万开,比能够越过库仑势垒的温度小3个数量级。这样岂不是在太阳内部不可能实现核聚变反应吗?伽莫夫应用量子力学中的隧道效应摆脱了这个困境。原来太阳物质是处于非简并态的气体,作热运动的粒子什么速度都有,只是应遵守麦克斯韦速度分布律,即粒子数随速度增加作指数式的减少。若按经典力学,速度小的核不能穿透势垒。但按量子力学的观点,还是有一定的几率可穿透过去,这叫做隧道效应,其穿透几率随着粒子速度减小作指数式的减小。将这两种因素结合起来可知,速度很大的核虽然容易穿透势垒,但由于数目太少,对核反应率贡献非常小。速度太小的核,由于穿透势垒的几率太小,对核反应率也没有什么贡献。只有适中的速度,并在该速度附近的小范围内的核对核反应率才作出贡献,并且该适中的速度贡献最大,显示出一尖锐的峰,被称为伽莫夫峰。以上就是伽莫夫所奠定的热核反应的理论基础。后来,美国物理学家贝特建立了一个具体的、令人信服的太阳模型,现在人们称它为太阳标准模型。贝特的理论经过29年的考验后,于1967年荣获诺贝尔物理学奖金。现在人们深信,在太阳内部进行着两种类型的聚变反应:一是质子—质子(PP)反应,直接通过质子之间的相互碰撞实现聚变;二是碳、氮、氧(CNO)循环,12C起着催化剂作用。美国天体物理学家巴柯尔等20多位科学家花了20多年的时间研究了两种类型核反应的全过程:

由此可见,在太阳产能过程中,诡秘的中微子是一种副产品。中微子不会被太阳物质吸收,因而它的能量不会转变成太阳的热能。这份能量大约占释放能量的2%,即每聚变一个氦核,要带走0.59MeV能量。在计算太阳能时,应把它扣除掉,于是只有26.14MeV的能量使太阳发光。在反应产物中,还有正电子,它的寿命极短,瞬间就与电子湮灭了,释放出能量至少与两个电子的静止质量相当的两个光子。

研究表明温度只要达到400万开,便可发生PP反应,温度达到1200万开才发生CNO循环。不过,发生聚变反应不等于核“燃烧”起来,因为温度高不到一定的程度,可能会熄火。只有当氢燃烧释放的能量刚好与以各种方式散逸的能量相平衡时,核聚变才能持续下去。满足这个条件的温度被称为点火温度。PP反应的点火温度为1000~3000万开。太阳中心温度有1560万开,太阳表面温度只有约6000开,温度是由中心往外逐渐降低的。因此,只有在中心附近的一个不大的区域里才能进行热核反应。在这样的条件下,太阳能的98%是由PP反应提供的,CNO循环只占2%。

人们怎样检验太阳标准模型呢?这只能靠观测分析从太阳发出的光子和中微子。但是太阳的热核反应“炉”是深深地埋在太阳的核心区域,其周围被大量不透明的物质包围着。一个光子诞生后,要经过几千年才发射出来,所以它不能反映太阳内部的情况。然而中微子则大不相同,因为它和物质的相互作用极其微弱,所有的物质对它来说几乎都是透明的,以至于它可以穿透一光年厚的岩石而没有明显的衰减。因而中微子诞生后可以毫不费力地穿透太阳而跑到太空中来,如入无人之境,而且只需8分多就能到达地球。如果人们观测中微子也像观测光子那样方便的话,那么太阳内部的情况就一览无遗了。

然而正是由于中微子和物质作用极其微弱,所以捕捉探测中微子是极为困难的事。1946年,意大利物理学家庞特科尔沃提出了一种测量中微子的方法。其依据的原理是:氯37通过弱作用吸收一个高能中微子变成氩37,同时发射一个电子,该反应阈能为0.81MeV。37Ar在35天半衰期中捕获K电子又成为Cl,并放出2.8KeV的X射线,因此很容易被发现。在太阳中微子场中的”Cl大约经过几倍半衰期时间,37Cl和37Ar达到平衡。1956年,美国物理学家戴维斯(R.Davis)根据阿尔瓦雷兹的方案率先进行了尝试,直到1968年才取得不容忽视的进展。那一年,他把610吨纯四氯乙烯(C?Cl?)注入一个直径6米、长15米的大筒内,并把它安置在南达科他州霍姆斯塔克的一个1.5千米深的金矿矿洞中。上面厚厚的岩层可将宇宙线中的所有其他粒子都屏蔽掉,只有太阳中微子射进来。从1970~1988年,他们每周只探测到3~4个中微子,折合2.18±0.25SNU,只理论值7.9±2.6SNU的1/4~1/3,而其余的中微子却杳如黄鹤不知去向。如果人们接受令人信服的太阳标准模型的话,那么,太阳中微子的失踪案已困扰着人类达1/4世纪之久。它和另外两个问题:太阳磁场的产生机制和演化、日震的形成和演化,构成了太阳物理中的三大悬案。而后两者已初露端倪,惟有太阳中微子的失踪是最难解之谜。

太阳上正在发生的变化

奇妙的太阳,给我们提供了生存的条件。我们天天看着它,却对它不甚了解。近来,科学家们发现,太阳上正在发生一些奇特的变化。

太阳质量将减少。一些国家的科学家认为,太阳每秒钟消耗掉的自身质量为420万吨,按此速度,在600万年后,它的质量就将减少1/4。

太阳直径在变化。1981年,在一次天文学学术报告会上,美国科学家埃奇指出:在最近100年内,太阳的直径缩小了1000千米。埃奇的说法是他和他的前人经过150年连续观察得出来的。他的说法引起了人们的注意。1988年,法国科学家首次测得太阳直径的变化。他们的研究表明,存在着长达一年或半年的太阳直径伸缩期,其范围从几十千米到几百千米不等。太阳直径的变化可能对地球大气,特别是地球上气候的变化产生影响。

太阻在变小,自转在加快。天文学家通过定期观测的结果,发现1663年所记载的太阳转动比现在的太阳转得慢。他们还计算出从1666年到1683年期间,太阳直径增加了将近2000千米,然后有规律地缩小,渐渐地接近目前的状况。

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