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A-Level物理备考指导:物理是什么之宇宙学

来源:      浏览:      发布日期:2018-12-07 10:45

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首先,要想弄明白物理是什么,我们需要知道物质的起源是什么?有些同学或许知道,现在比较流行的关于物质起源的说法是宇宙大爆炸学说,即the Big Band 。这个可不是某韩国偶像组合,也不是某美国泡沫喜剧。

宇宙大爆炸是自从13 billion years开始,经过不断的向外扩张,逐步形成了我们现在的数不清楚的星系以及成千上万的恒星。恒星(stars)比如我们的太阳(the Sun),同样也是物质的‘制造厂’。今天老师想分享的是Edexcel和OCR考试局Unit 5的一道题目。同样在AQA考试局Optional内容中有所涉及。提前预告一下,本节还讲解了谜一样的黑洞(Black hole)是怎么形成的。有兴趣的同学可以留意。

请先看题目:

离我们最近的一颗恒星就是太阳。然而在宇宙中有着成千上万,数也数不清楚的恒星。夜里,当你仰望星空,90%的星星都是类似于太阳,或者比太阳大的恒星,叫做main sequence star。对于这个炽热的太阳,你有没想象一下,太阳的过去与未来?

我们先说太阳的过去。太阳是怎么形成的呢?在5000 million years ago,太阳形成的初始阶段几乎完全被密集的星云气体和灰尘所掩盖。由于重力的原因,星云团的质量向内坍塌,随著它的温度和压力的增加,这些片段会凝结成一个被称为原恒星(Protostar)的超热旋转气体。

继续的坍塌会导致核聚变(Fusion)反映的开始。一颗恒星就诞生了。

我们的太阳经过了4.5 billion years的核聚变反应,已经进入了‘中壮年’。形成了一颗稳定的恒星。那么恒星的未来又在哪里?我们知道恒星的主要物质是氢气与氦气。随着核聚变的反映,最终,恒星会耗尽核心供应的氢燃料,合成高质量的元素,比如铁,并且离开主序(main sequence)带进行下一阶段的演化。

红(red giant)阶段是紧接在离开主序带之后的阶段。因为铁等其他很高质量的物质,核心会继续塌缩,剩余的氢燃料会膨胀。恒星膨胀的外层是对流的,湍流让接近燃烧区域的物质上升至恒星的表面,并和表面的物质混和。这颗红色的耀眼恒星就变为了原来体积的若干多倍。

当一颗恒星耗尽了供应的燃料之后,依据它在生命期的质量,它的残骸可以是下面三种型态之一。

如果和太阳的质量差不多,恒星的最终宿命演化成白矮星(white dwarf)。1个太阳质量的恒星,演化成白矮星之后的质量大约是0.6个太阳质量,被压缩的体积则近似地球的大小。白矮星是非常稳定的天体,白矮星在刚形成时有着非常高的温度。

如果恒星的质量大于太阳的三倍,当恒星的核心崩溃时,就会形成爆炸,即时我们所说的超行星爆发(supernova)。压力造成电子捕获,因而使得大多数质子都转变成为中子。原本使原子核保持分离的力都消失了(按比例,如果原子核的大小像极小的灰尘,原子将有如一个足球的竞赛场那么大),恒星的核心就成为只有中子的致密球体 (就像是个巨大的原子核)。这种恒星被称为中子星(neutron star),有著极高的密度,所以它们非常的小,大小不会超过一个大城市,直径只有十几公里的数量级。

如果恒星的残骸有足够大的质量,中子简并压力将不足以阻挡恒星继续向物质内部塌缩,当坍塌为一个点,我们称之为奇点(和电视剧欢乐颂无关,哈哈)。这个恒星的残骸就会成为黑洞(Black hole)。因为无限大的质量,集聚为很小一个点。质量就是无穷大。这个质量大的物体,重力也无限大,大到连光也无法逃逸,所以我们称之为黑洞。

总结来说:

本题答案是:

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