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[超大科普][美]阿西莫夫《你知道吗?现代科学中的100个问题》

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发表于 2007-07-19 14:26 | 显示全部楼层 |阅读模式


本资源由中国科普作家碧声整理
本羊是从sfw-cd幻想在线网站上挖来此宝的(由网友水刃风刀-云箭发表)
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你知道吗?——现代科学中的100个问题

I·阿西莫夫 著  暴永宁 陈养正 钟元昭 吴伯泽 译
科学普及出版社 1980年4月第一版 1984年4月第三次印刷


点击这个链接下载电子书(是一个已编辑的HTML帮助文件):


目录

1 什么是科学的研究方法?
2 你认为谁是最伟大的科学家?
3 两个或两个以上彼此并不知道对方所做工作的科学家,为什么时常会提出同样的理论?
4 什么是戈德尔证明?戈德尔证明是否说明真理是不可得知的?
5 普通数和二进制数有什么区别?它们各有什么优点?
6 什么是虚数?
7 什么是素数?数学家为什么对它们感兴趣?
8 当一个不可抗拒的力遇到一个什么力都不能使之运动的物体时,将会发生什么情况?
9 宇宙中到底有多少粒子?
10 宇宙中的物质是从哪里来的?宇宙外面又是什么东西呢?
11 为什么人们说“宇宙空间的低温?”一个空虚的宇宙空间怎么会有温度呢?
12 什么是宇宙尘?它们是从哪里来的?
13 什么是脉冲星?
14 有人说中子星上每一立方厘米的物质重达十多亿吨,这怎么可能呢?
15 什么是黑洞?
16 恒星的温度能达到多少度?
17 在一颗恒星上,聚变反应可以进行到什么程度?
18 所有恒星发出的全部能量都到哪里去了?
19 什么是太阳风?
20 太阳还能使地球上的生命维持多久?
21 如果太阳的表面温度是白热的,太阳黑子为什么又是黑的呢?如果黑子真是黑的,它们就该也是冷的。太阳上的东西怎么会是冷的呢?
22 为什么所有行星的轨道都近似地位于同一个平面上?
23 冥王星与其它各行星有什么不同?为什么会有这些不同?
24 彗星为什么有尾巴?
25 为什么月球总是以固定的一面对着地球?
26 在月球上发现的“质集”现象是怎么一回事?
27 人们已经先后六次登上月球,在那里都发现了些什么呢?
28 火星上有生命吗?
29 如果火星上存在着简单生命,是否真正值得跑这么远的路去看上一趟?
30 海洋是什么时候形成的?又是怎样形成的?
31 海洋是不是越变越咸?它们会不会变得咸到把所有生物都给咸死?
32 海洋里真的有金子吗?
33 如果冰冠融化了,将会发生什么情况?
34 供我们呼吸的空气是从哪里来的?
35 什么是温室效应?
36 行星探测器在飞越行星上空后会怎样?它们会飞到哪里去?
37 地球将会有怎样的归宿?
38 什么是理论物理学家?他们都干些什么?
39 时间是一种幻觉呢,还是确实存在的东西?怎么来描述时间呢?
40 时间的最小可能单位是什么?
41 “第四维”是什么?
42 “弯曲空间”是什么意思?
43  许多科学幻想小说里都提到“力场”和“超空间”,这都是一些什么东西?它们真的存在吗?
44 什么是“反引力”?怎样才能研究它?
45 什么是引力的速度?
46 “统一场论”是什么?
47 简单扼要地讲,爱因斯坦的相对论是怎么一回事?
48 为什么物质行进的速度不能快于光速(一)?
49 为什么物质行进的速度不能快于光速(二)?
50 光是由运动得比光更快的粒子发出的。那么,既然没有任何东西能运动得比光更快,又怎么可能有光呢?
51 既然没有任何东西能超过光速,人们所假定的那种运动得比光更快的快子又是什么玩艺儿呢?
52 能量为零的快子会以无限大的速度运动。这样说来,确实有可能实现无限大的速度喽?
53 海森堡的测不准原理是怎么回事?
54 宇称是什么?
55 为什么我们总是说某一同位素的半衰期,而不谈它的总寿命呢?
56 为什么科学家一直在寻找这么多新的亚原子粒子,它们有什么重要性呢?
57 夸克是什么东西?
58 人们老是说质子是由三个夸克结合成的,又说一个夸克的质量等于一个质子的三十倍。这两种说法怎能同时成立呢?
59 在原子弹爆炸时,有些物质转化成能量。有没有可能反其道而行之,把能量转化成物质呢?
60 反粒子会产生反能量吗?
61 宇宙线与中微子的性质有什么不同?
62 宇宙线对于在空间旅行的人有多大的危险性?
63 中微子是物质还是能量?
64 气泡室是怎样工作的?
65 增殖反应堆是什么东西?
66 我们得把氢加热到多高的温度和保持这个温度多长的时间,才能使聚变反应持续进行下去?
67 电子显微镜是怎样工作的?
68 熵是什么?
69 宇宙是在不断衰亡吗?
70 熵和秩序之间有什么关系?
71 熵和时间之间有什么关系?
72 既然宇宙在不断衰亡,那它开始时是怎样兴起的?
73 无线电波和光波都被用来“观看”空间中的东西。此外,还有别种可用来“观看”东西的波吗?
74 当物质被加热时,它会发出红光,然后由橙变黄。但是,此后它就变成发白光。为什么它不按照光谱的顺序变成“青热”呢?
75 什么是偏振光?
76 光能够对物质施加力吗?
77 红光通过棱镜时的变化最小,而在通过衍射光栅时变化最大,为什么会有这种差别?
78 当两道光束互相干涉并产生暗区时,能量发生了什么变化?
79 什么是科里奥利效应?
80 声音在密度高的物质中(例如在水或钢中)要比在空气中传播得快;但它在暖空气中又比在冷空气中传播得快,而暖空气的密度却比冷空气低。这是不是自相矛盾呢?
81 船下沉时是一直沉到海底,还是当它们下沉到一定深度时压力就会将它们保持在深水中?
82  哪些是最活泼的化学元素,为什么?
83 “贵”气体贵在何处?
84 为什么会形成晶体?为什么晶体总有一定的形状?
85 水能够压缩吗?
86 什么是金属氢?氢怎么能成为金属?
87 我们所读到的“聚水”是什么?它仍然是H2O,那么有什么不同呢?
88 水冻结时会什么会膨胀?
89 什么是燃料电池?它们在发电上有什么优点?
90 什么是维生素?我们为什么需要维生素?
91 生命是怎样开始的?
92 有可能形成以硅为基础的生命吗?
93 为什么恐龙会灭绝?
94 人脑同计算机有什么差别?计算机能思考吗?
95 思考的速度有多快?
96 “生物钟”指的是什么?它们是怎样工作的?
97 细菌、微生物、菌株和病毒有什么不同?
98 病毒是怎样发现的?
99 为什么红血细胞每隔几个月就更换一次,而大多数脑细胞却可以活一辈子?
100 衰老的目的是什么?


[ 本帖最后由 snowhole 于 2007-7-21 12:48 编辑 ]

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 楼主| 发表于 2007-07-19 14:30 | 显示全部楼层
1 什么是科学的研究方法?

  所谓科学的研究方法,很明显就是科学工作者在从事某项科学发现时所采用的方法。但是。这个过于简单的说明对我们没有多大帮助。能不能对这个问题作出更详细的说明呢?

  好吧!我们可以描述一下这个问题的一个理想答案。
  (1)在进行科学研究时,应当首先认识到问题的存在。
例如,在研究物体的运动时,首先应当注意到物体为什么会像它所发生的那样进行运动,亦即物体为什么在某种条件下会运动得越来越快(加速运动),而在另一种条件下则会运行得越来越慢(减速运动)。

  (2)要把问题的非本质方面找出来,加以剔除。
例如,一个物体的味道对物体的运动是不起任何作用的。

  (3)要把你能够找到的、同这个问题有关的全部数据都收集起来。在古代和中世纪,这一点仅仅意味着如实地对自然现象进行敏锐观察。但是进入近代以后,情况就有所不同了,因为人们从那时起已经学会去模仿各种自然现象,也就是说,人们已经能够有意地设计出种种不同的条件来迫使物体按一定的方式运动,以便取得与该问题有关的各种数据。

例如,可以有意地让一些球从一些斜面上滚下来;这样做时,既可以用各种大小不同的球,也可以改变球的表面性质或者改变斜面的倾斜度,等等。这种有意设计出来的情况就是实验,而实验对近代科学起的作用是如此之大,以致人们常常把它称为“实验科学”,以区别于古希腊的科学。

  (4)有了这些收集起来的数据,就可以作出某种初步的概括,以便尽可能简明地对它们加以说明,亦即用某种简明扼要的语言或者某种数学关系式来加以概括。这也就是假设或假说。

  (5)有了假说以后,你就可以对你以前未打算进行的实验的结果作出推测。下一步,你便可以着手进行这些实验,看看你的假说是否成立。

  (6)如果实验获得了预期的结果,那么,你的假说便得到了强有力的事实依据,并可能成为一种理论,甚至成为一条“自然定律”。

  当然,任何理论或自然定律都不是最后定论。这一过程会一次又一次地重复下去。新的数据,新的观察和新的实验结果将不断出现,旧的自然定律将不断为更普遍的自然定律所替代,因为这些新的定律不但能说明旧定律所能解释的各种现象,而且还能说明旧定律所不能解释的一些现象。

  以上这些,正如我已经说过的,是一种理想的科学研究方法。但是在真正的实践中,科学工作者并不需要像做一套柔软体操那样一步一步地进行下去,而且他们通常也不这样做。
  比起旁的事情来,像直觉、洞察力甚至运气这一类因素常常更起作用。在整部科学史中充满了这样的例子。有不少科学家仅仅根据很不充分的数据和很少一点实验结果(有时甚至一点实验结果也没有),便突然灵机一动,得出了有用的、合乎事实的论断。这样的论断,如果按部就班地通过上述理想的科学研究方法进行,就可能要用好几年的时间才能得到。

  例如,凯库勒就是在邮车上打瞌睡的时候,突然领悟到苯的化学结构的。洛维则在半夜醒来的时候,突然得到了关于神经刺激的化学传导问题的答案。格拉泽却由于无聊地凝视着一杯啤酒,才得到了气泡室的想法。
  然而这是不是说,一切都是凭好运气得来的,根本不需要动脑筋去思考呢?不,绝对不是的。这样的“好运气”只有那些具有最好领悟力的人才会碰上,换句话说,有些人之所以会碰上这样的“好运气”,只是因为他们具有十分敏锐的直觉,而这种敏锐的直觉则是依靠他们丰富的经验、深刻的理解力和平时爱动脑筋换来的。

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》
科学普及出版社   1984年
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 楼主| 发表于 2007-07-19 14:31 | 显示全部楼层
2 你认为谁是迄今最伟大的科学家?

  如果所提出的问题是“谁是第二伟大的科学家”,那就很难回答来。因为,据我看来,至少有十来位科学家可以看作是第二伟大的科学家。例如,爱因斯坦,卢瑟福,玻尔,巴斯德,达尔文,伽利略,麦克斯韦,阿基米得等,都可以算得上。

  事实上,世界上很可能根本没有第二伟大的科学家。既然有那么多科学家都能如此合适地看作第二伟大的科学家,既然在上面列举的科学家中很难区别出到底谁更伟大,我们只好停止进行这项评选,干脆说他们都是名列前茅的选手。

  但是,由于我们所提出的问题是:“谁是最伟大的科学家?”所以,要回答这个问题是没有多大困难的。我认为大多数科学史家都会立刻异口同声地说,牛顿是世界上从未有过的最伟大的科学家。尽管他也有他自己的一些缺点,例如,他是一个很糟糕的演讲者,还或多或少是个胆小怕事的人,是一个喜欢自我怜悯的好哭的人,而且有时还容易灰心丧气,但是作为一个科学家来说,那是没有人能够和他相比的。

  他由于研究出微积分而为高等数学奠定了基础。他由于进行了把阳光分解为光谱色的实验而奠定了现代光学的基础。他由于发现了力学上的三大定律并推导出这些定律所起的作用而奠定了现代物理学的基础。他由于研究万有引力定律而奠定了现代天文学的基础。

  任何科学家只要具有这四项功绩中的一项,就足以成为一位显赫的科学家,如果所有这四项贡献都是他一个人作出的话,那他就会毫无疑问成为名列首位的科学家。
  当然,牛顿的伟大还不只限于他的这些发现。更重要的是他作出这些发现时所采取的方式。

  古希腊人曾把大量科学思想和哲学思想汇集在一起。柏拉图、亚里斯多德、欧几里得、阿基米得和托勒密等伟大人物,在两千年当中一直像巨人一样屹立在后代人的心目之中。后来阿拉伯和欧洲的许多伟大思想家都没有能够越过古希腊人一步,在不引证古人的见解来支持其想法的情形下,都不敢提出自己的新见解。尤其是亚里斯多德,更是他们心目中的泰斗。

  到了十六和十七世纪,才有一些实验家,如伽利略和波义耳等,敢于提出古希腊人的见解并非全是正确的。伽利略推翻了亚里斯多德在物理学上的某些论断,并作了不少工作(牛顿后来的三大运动定律就是对伽利略这些工作所进行的概括)。尽管如此,欧洲当时的知识界仍然不敢背离他们长期以来所崇拜的希腊人。

  到了1687年,牛顿出版了他用拉丁文写的名著《数学原理》。根据大多数科学家的看法,这是自古以来第一部最伟大的著作。在这部著作中,他提出了他的物体运动三大定律,他的万有引力理论以及许多其他问题。他以严格的希腊风格应用了数学,并以最完美的方式把各种现象联系在一起。凡是读过这部书的人,都不得不承认世界上终于出现了一位不但可与任何一个古代思想家并驾齐驱,甚至胜过他们的伟大思想家,不得不承认他所提出的宇宙图案不仅是无懈可击十分完善的,而且从它的合理性和必然性方面来说,都大大胜过希腊文献中所提到的东西。

  随着这个伟大人物和这部伟大著作的出现,古希腊人加在人们思想上的枷锁终于被打碎了,现代人在智慧上的全部自卑感永远被打破了。
  在牛顿逝世以后,亚历山大教皇用以下几句话谈到了他:

    自然和自然规律隐藏在黑夜之中
    上帝差遣牛顿来到我们当中
    于是,他揭开了自然这谜,创业立功

————
碧声注:上述译文有误,这几句话的作者是一位名叫亚历山大·蒲柏(Alexander Pope)的英国诗人,并非教皇。

阿西莫夫《你知道吗?--现代科学中的一百个问题》
科学普及出版社   1984年
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 楼主| 发表于 2007-07-19 14:32 | 显示全部楼层
3 两个或两个以上彼此并不知道对方所做工作的科学家,为什么时常会提出同样的理论?

  回答这个问题的一个最简便办法,是直截了当地说,这是因为科学家并不是在真空中工作的。这也就是说,他们全都深深地卷入到当时的科学结构和科学进步之中,并同时面对着同样一些问题。

  例如,在十九世纪上半叶,物种进化的问题在很大程度上仍然是个悬而未决的问题。有一些生物学家曾经激烈反对这种看法,然而另外一些生物学家则在那里积极地推测这种进化可能引起的后果,并竭力寻找物种进化的证据。尽管他们当中既有人反对,也有人支持这种看法,但几乎每一个生物学家都在思考这个问题,这是当时的实际情况。当时的主要问题是:

  如果确实发生了物种进化,那么,到底是什么因素导致这种进化的呢?
  在英国的达尔文当时正在思考这个问题。在东印度群岛的另一个英国人华莱士也在思考着同样的问题。这两个人都是周游世界的旅行家,都进行了类似的观察;而且在思考这个问题的关键时刻又都同时阅读了马尔萨斯的一本著作。马尔萨斯在这本著作中谈到了人口不断增长对人类所发生的影响。当时,达尔文和华莱士两人都开始思考这样一个问题:生物数量的增加对所有物种所造成的压力。哪一些个体会生存下去,而哪一些个体将不能生存下去?结果,他们两人都得出了通过生物的自然淘汰而进行物种进化的新理论。

  但是,上面所说的这些还不算是最令人惊讶的。因为这两个人都以同样的方式研究同样一个问题,都对同一些事实进行观察,而又都阅读了同一本由另一个人所写的书,因此就很可能得出相同的答案。

  到了十九世纪后半叶,许多生物学家都试图弄清生物遗传机理。有三个分别住在三个不同国家的人,竟在同一时期以同样的方式研究了这个问题,并得出了相同的结论。而且这三个人在查阅过去的文献时,又都不约而同地发现了另一个人(孟德尔)早在三十四年前就已经发现的、但一直没有引起人们注意的遗传规律。

  十九世纪八十年代对科学工作者所提出的一项巨大任务,是如何能够以低成本生产出铝。当时,人们虽然已经知道了铝的特性和用途,却很难从铝矿石中把它提炼出来。要从这项发现中发财致富,完全取决于能否研究出一种容易实现的技术。我们很难查明,到底有多少化学工作者当时曾经以另一些化学工作者已经取得的同一些经验为依据来研究这个问题。但是我们已经知道,有两个人在同一年——1886年——得出了同样的答案。其中一个是美国的霍尔,另一个是法国的赫鲁特。这一点,似乎并不使人感到十分奇怪,令人感到惊讶的倒是:这两个人不但姓氏的第一个字母都是H,并且两人既都生于1863年,又都死于1914年。

阿西莫夫《你知道吗?--现代科学中的一百个问题》
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 楼主| 发表于 2007-07-19 14:33 | 显示全部楼层
4 什么是戈德尔证明?戈德尔证明是否说明真理是不可得知的?

  从欧几里得(2200年前)以来,数学家一般都是从某些称为“公理”的陈述出发,推导出各种有用的结论。
  从某种意义上说,这几乎就像是一种必须遵守两条规则的游戏。第一,公理应当尽量少。如果你能从某一条公理推导出另一条公理,所么,所推导出的那条公理就不能作为公理。第二,公理必须是没有内在矛盾的。绝不允许从某一公理推导出两个相互矛盾的结论。
 
 任何一本中学几何课本都要先列出一组公理:通过两点只能作一条直线;整体等于各个部分之和,等等。在很长一段时间内,人们都把欧几里得的公理看作是唯一可用来建立没有内在矛盾的几何学的公理,从而把这些公理看作是“真公理”。

  但是,到了十九世纪,有人证明了欧几里得的公理是可以用某些方式来加以改变的,因而可以建立另外一种不同的几何学,即“非欧几里得几何学”。这两种几何学虽然各不相同,但每一种几何学都不具有内在矛盾。从此以后,人们如果要问哪一种几何学是真几何学,就没有意义了。如果要问,就只能问哪一种几何学更有用些。

  事实上,我们可以用许多组公理来建立几种各不相同但又各自并不具有内在矛盾的数学体系。

  在任何一种这样的数学体系中,你都必定不可能根据它的公理推导出既是如此又非如此的结论,因为如果这样的话,这个数学体系就不可能不具有内在矛盾,就会遭到淘汰。但是,徜若你能作出一种陈述,并且发现你不能证明它既是如此又非如此的话,又将怎么样呢?

  假如我说:“我现在所说的是假话”。

  是假话吗?如果是假话,那么,我在说假话这件事就是假的了,因此,我必定在说真话。如果我在说真话,那么我在说假话这件事就是真的了,因此,我确实在说假话。我可以永无休止地来回这样说,结果,将永远无法证明我所说的到底是如此,还是并非如此。

  假如你能对这些逻辑公理进行调整,以排除上面所说的这种可能性,那么,你能不能找到另外的方法来作出这样一种既是如此,又非如此的说法?

  1931年,一位奥地利数学家戈德尔终于提出一个有力的证明,他指出,对于任何一组公理,你都能作出既不能根据这些公理来证明事实确是如此,也不能根据这些公理来证明事实确非如此的说法。从这个意义上讲,任何人都不可能建立出一种可以凭此推导出一个完美无缺的数学体系的公理。

  这是不是意味着我们永远不可能找到“真理”呢?

  第一,因为一种数学体系不完美,并不意味着它所包含的东西是假的。如果我们不想超出这样的数学体系的限度来应用它,它就仍然是极其有用的。

  第二,戈德尔证明只适用于数学中所应用的那几种演绎体系。但是演绎并不是发现“真理”的唯一办法。任何公理都不能帮助我们去推导出太阳系的大小。太阳系的大小是通过观察和测量而得出的——观测是得到“真理”的另一途径。

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5 普通数和二进制数有什么区别?它们各有什么优点?

  我们通常所用的数都是十进制数。这就是说,它们是按10的幂来进位的。我们写7291时,实际上就是7×103加上2×102加上9×101加上1×100。应当记住,
103=10×10×10=1000;
102=10×10=100;
101=10;
100=1。
因此,7291就是7×1000加上2×100加上9×10再加上1。读出声的时候,就是七千二百九十一。

  由于我们对应用10的各次幂已经非常习惯,所以我们只须写出他们所乘的数(如7291),其余的都可以略去。
  其实,10的幂次并不是什么神秘的东西。任何一个比一大的数的幂次都可以起到这样的效果。例如,假定我们现在想用8的幂来写出7291这个数,这时应当记住
80=1;
81=8;
82=8×8=64;
83=8×8×8=512;
84=8×8×8×8=4096。
这样,我们就可以把7291写为1×84加上6×83加上1×82加上7×81再加上3×80。(请你们自己把这个数算出来,并看看所得出的答数。)如果只写出各次幂所要乘的数字,它就应当是16173。因此,我们可以说16173(八进制)=7291(十进制)。

  八进制的优点在于除了0以外,你只需记住七个数字。如果你想用数字8,那你可以写出8×83,而这就等于1×84。因此,不管任何时候,你都可以用1来代替8。所以十进制的8等于八进制的10;十进制的89等于八进制的131,依次类推。但是,用八进制时,一个数所用的总字数要比用十进制时多。由此可见,基数越小,所用的不同数字越少,但总字数则越多。

  当你用二十进制时,7291这个数将成为18×202加上4×201再加上11×200。在这种情形下,如果你把18写为#,并把11写为%,你就可以说#4%(二十进制)=7291(十进制)。用二十进制时你将不得不用19个不同的数字,但是每一个数所用的总字数就会少些。

  十进制是一种很方便的进位制。用这种进位制时,既不必记住过多的数字,而且在写一个数时,又可不必用过多的字数。

  什么是二进制数呢?在二进制的情况下,7291这个数等于1×212加上1×211加上1×210加上0×29加上0×28加上0×27加上1×26加上1×25加上1×24加上1×23加上0×22加上1×21再加上1×20。

(请你们自己把这个数算出来,看看得出什么结果。但要记住29是9个2的乘积,亦即2×2×2×2×2×2×2×2×2=512。)如果只写出数字,那就是1110001111011(二进制)=7291(十进制)。

  由于二进制数只需要用两个数字,即1和0,所以做加法和乘法演算特别简单。但是即使一个很小的数,例如7291,也要用很多位数表示,因而很容易在我们头脑中造成混乱。

  但是,电子计算机则可以使用一个双向开关。把开关拨向某一方向,即把电流接通时,它就代表1。把开关拨向另一方向,即把电流断开时,它就代表0。这样,通过操纵电路,使它根据二进制的加法和乘法规则接通和断开,计算机就能以非常快的速度进行算术演算。同按十进制原理设计、用标有0到9的齿轮来进行演算的普通台式计算器相比,它的演算速度要快得多。

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6 什么是虚数?

  大多数人最为熟悉的数有两种,即正数(+5,+17.5)和负数(-5,-17.5)。负数是在中世纪出现的,它用来处理3-5这类问题。从古代人看来,要从三个苹果中减去五个苹果似乎是不可能的。但是,中世纪的商人却已经清楚地认识到欠款的概念。“请你给我五个苹果,可是我只有三个苹果的钱,这样我还欠你两个苹果的钱。”这就等于说:(+3)-(+5)=(-2)。

  正数及负数可以根据某些严格的规则彼此相乘。正数乘正数,其乘积为正。正数乘负数,其乘积为负。最重要的是,负数乘负数,其乘积为正。

  因此,
(+1)×(+1)=(+1);
(+1)×(-1)=(-1);
(-1)×(-1)=(+1)。

  现在假定我们自问:什么数自乘将会得出+1?或者用数学语言来说,+1的平方根是多少?

  这一问题有两个答案。一个答案是+1,因为(+1)×(+1)=(+1);另一个答案则是-1,因为(-1)×(-1)=(+1)。数学家是用√ ̄(+1)=±1来表示这一答案的。(碧声注:(+1)在根号下)

  现在让我们进一步提出这样一个问题:-1的平方根是多少?

  对于这个问题,我们感到有点为难。答案不是+1,因为+1的自乘是+1;答案也不是-1,因为-1的自乘同样是+1。当然,(+1)×(-1)=(-1),但这是两个不同的数的相乘,而不是一个数的自乘。

  这样,我们可以创造出一个数,并给它一个专门的符号,譬如说#1,而且给它以如下的定义:#1是自乘时会得出-1的数,即(#1)×(#1)=(-1)。当这种想法刚提出来时,数学家都把这种数称为“虚数”,这只是因为这种数在他们所习惯的数系中并不存在。实际上,这种数一点也不比普通的“实数”更为虚幻。这种所谓“虚数”具有一些严格限定的属性,而且和一般实数一样,也很容易处理。

  但是,正因为数学家感到这种数多少有点虚幻,所以给这种数一个专门的符号“i”(imaginary)。我们可以把正虚数写为(+i),把负虚数写为(-i),而把+1看作是一个正实数,把(-1)看作是一个负实数。因此我们可以说√ ̄(-1)=±i。

  实数系统可以完全和虚数系统对应。正如有+5,-17.32,+3/10等实数一样,我们也可以有+5i,-17.32i,+3i/10等虚数。

  我们甚至还可以在作图时把虚数系统画出来。
  假如你用一条以0点作为中点的直线来表示一个正实数系统,那么,位于0点某一侧的是正实数,位于0点另一侧的就是负实数。

  这样,当你通过0点再作一条与该直线直角相交的直线时,你便可以沿第二条直线把虚数系统表示出来。第二条直线上0点的一侧的数是正虚数,0点另一侧的数是负虚数。这样一来,同时使用这两种数系,就可以在这个平面上把所有的数都表示出来。例如(+2)+(+3i)或(+3)+(-2i)。这些数就是“复数”。

  数学家和物理学家发现,把一个平面上的所有各点同数字系统彼此联系起来是非常有用的。如果没有所谓虚数,他们就无法做到这一点了。

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 楼主| 发表于 2007-07-19 14:35 | 显示全部楼层
7 什么是素数?数学家为什么对它们感兴趣?

  素数是这样的整数,它除了能表示为它自己和1的乘积以外,不能表示为任何其它两个整数的乘积。例如,15=3×5,所以15不是素数;又如,12=6×2=4×3,所以12也不是素数。另一方面,13除了等于13×1以外,不能表示为其它任何两个整数的乘积,所以13是一个素数。

  有的数,如果单凭印象去捉摸,是无法确定它到底是不是素数的。有些数则可以马上说出它不是素数。一个数,不管它有多大,只要它的个位数是2、4、5、6、8或0,就不可能是素数。此外,一个数的各位数字之和要是可以被3整除的话,它也不可能是素数。但如果它的个位数是1、3、7或9,而且它的各位数字之和不能被3整除,那么,它就可能是素数(但也可能不是素数)。没有任何现成的公式可以告诉你一个数到底是不是素数。你只能试试看能不能将这个数表示为两个比它小的数的乘积。

  找素数的一种方法是从2开始用“是则留下,不是则去掉”的方法把所有的数列出来(一直列到你不想再往下列为止,比方说,一直列到10000)。第一个数是2,它是一个素数,所以应当把它留下来,然后继续往下数,每隔一个数删去一个数,这样就能把所有能被2整除、因而不是素数的数都去掉。在留下的最小的数当中,排在2后面的是3,这是第二个素数,因此应该把它留下,然后从它开始往后数,每隔两个数删去一个,这样就能把所有能被3整除的数全都去掉。下一个未去掉的数是5,然后往后每隔4个数删去一个,以除去所有能被5整除的数。再下一个数是7,往后每隔6个数删去一个;再下一个数是11,往后每隔10个数删一个;再下一个是13,往后每隔12个数删一个。……就这样依法做下去。

  你也许会认为,照这样删下去,随着删去的数越来越多,最后将会出现这样的情况;某一个数后面的数会统统被删去因此在某一个最大的素数后面,再也不会有素数了。但是实际上,这样的情况是不会出现的。不管你取的数是多大,百万也好,万万也好,总还会有没有被删去的、比它大的素数。

  事实上,早在公元前300年,希腊数学家欧几里得就已证明过,不论你取的数是多大,肯定还会有比它大的素数,假设你取出前6个素数,并把它们乘在一起:2×3×5×7×11×13=30030,然后再加上1,得30031。这个数不能被2、3、5、7、11、13整除,因为除的结果,每次都会余1。如果30031除了自己以外不能被任何数整除,它就是素数。如果能被其它数整除,那么30031所分解成的几个数,一定都大于13。事实上,30031=59×509。

  对于前一百个、前一亿个或前任意多个素数,都可以这样做。如果算出了它们的乘积后再加上1,那么,所得的数或者是一个素数,或者是比所列出的素数还要大的几个素数的乘积。不论所取的数有多大,总有比它大的素数,因此,素数的数目是无限的。

  随着数的增大,我们会一次又一次地遇到两个都是素数的相邻奇数对,如5,7;11,13;17,19;29,31;41,43;等等。就数学家所能及的数来说,他们总是能找到这样的素数对。这样的素数对到底是不是有无限个呢?谁也不知道。数学家认为是无限的,但他们从来没能证明它。这就是数学家为什么对素数感兴趣的原因。素数为数学家提供了一些看起来很容易、但事实却非常难以解决的问题,他们目前还没能对付这个挑战哩。

  这个问题到底有什么用处呢?它除了似乎可以增添一些趣味以外,什么用处也没有。

碧声注:一点用处也没有吗?……听说在密码方面很有用哩。

阿西莫夫《你知道吗?--现代科学中的一百个问题》
科学普及出版社   1984年
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 楼主| 发表于 2007-07-19 14:39 | 显示全部楼层
8 当一个不可抗拒的力遇到一个什么力都不能使之运动的物体时,将会发生什么情况?

  这是一个经过无数次反复辩论的古典难题。
  在我把答案告诉你之前,有必要先明确以下几点。凡是按合理的技巧来探索宇宙秘密的“游戏”,也要和其他游戏一样,必须遵循一定的规则来进行。当两个人要在一起进行有意义的讨论时,他们首先必须就以下两点取得一致:

第一,双方所使用的符号(字眼或其它)都应当代表一定的涵义;
第二,双方都必须按照这种涵义来表达自己的意见。

  凡是按一致同意的定义讲不清的问题,都应当扔在一边。这样的问题是没有任何答案的,因为这样的问题根本就不应该提出来。

  例如,假定我提出这样一个问题:“正义有多重?”也许我正在想象一个手里拿着秤的瞎眼审判官的形象。但是,重量是质量的一种性质,只有物质才有质量。确实,如果要给物质下一个最简单的定义,可以把它定义为“有质量的东西”。

  正义并不是一种物质,而是一种抽象的东西。根据定义,质量并不是正义的一个特性,所以问正义有多重,是提出一个无意义的问题。这是一个没有答案的问题。

  又如,通过一系列非常简单的代数运算,我们有可能证明1=2。唯一的麻烦是,在证明的过程中,我们必须除以0。为了避免这类会引起麻烦的等式(更不用说其他一些会把数学的有用性毁掉的证明了),数学家曾规定在任何数学运算中都不允许应用“除以零”这个算式。因此,“分数2/0的值是多少”这个问题,也违背了“游戏”的规则,因而也是没有意义的。这个问题也没有答案。

  现在,我们可以回过头来回答上面所提出的问题了:当一个不可抗拒的力遇到一个什么力都不能使之运动的物体时,将会发生什么情况?

  所谓“不可抗拒的力”,按定义(如果这些字确实有一定涵义的话),就是一种无法抗拒的力,也就是任何物体(不管这个物体有多大)遇到它都会发生运动或遭到毁灭,但其本身则不会发生可觉察到的削弱或偏转的力。因此,宇宙中只要有这种不可抗拒的力,就不可能有一个什么力都不能使之运动的物体,因为我们刚才已经把不可抗拒的力定义为能使一切东西发生运动的力了。

  所谓“什么力都不能使之运动的物体”,按定义(如果这些字确实有一定涵义的话),无非就是任何力(不管这个力有多大)遇到它都将被它所吸收、而它则不会因为这个力而发生可觉察的变化或损伤的物体。在任何一个存在这样一个物体的宇宙中,就不可能同时存在不可抗拒的力这类东西,因为我们刚才已经把什么力都不能使之运动的物体定义为一个能抵抗任何力的物体了。

  由此可见,如果我们所提的问题是说这两样东西(不可抗拒的力和什么力都不能使之运动的物体)同时存在的话,那么,我们所提的问题显然已经背离了这两个词本身所包含的定义,而这是这种推理游戏的规则所不允许的。因此,这个问题是一个没有意义的问题,它是没有答案的。

  你也许会提出一个疑问:定义既然可以被定得如此严密,那么,岂非任何人都不可能提出无法回答的问题了吗?正如我们在回答前面第4个问题(碧声注:关于戈德尔证明的问题)所解释的,事实当然并不是这样。

阿西莫夫《你知道吗?--现代科学中的一百个问题》
科学普及出版社   1984年
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 楼主| 发表于 2007-07-19 14:39 | 显示全部楼层
9 宇宙中到底有多少粒子?

  实际上,这个问题不可能有肯定的答案,这首先是因为没有人能确切地知道宇宙有多大。但是,我们可以作一些假设。

  有人曾作过一个估计,认为在我们这个宇宙中大约有100,000,000,000(亦即10的11次方)个星系。这些星系,平均来说,每一个的质量都比太阳的质量大100,000,000,000(亦即10的11次方)倍。

  这就等于说,宇宙间物质总量等于太阳质量的10的11次方×10的11次方(亦即10的22次方)倍。换句话说,宇宙间的全部物质足够形成10,000,000,000,000,000,000,000(亦即10的22次方)个太阳。

  太阳的质量是2×10的33次方克。这就等于说,宇宙间的全部物质的质量是10的22次方×2×10的33次方(或者说2×10的55次方)克。这个数字可以写为20,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000克。

  现在让我们再从另一个方面来看一看。宇宙的质量几乎完全集中在它所含有的核子中(核子是组成原子核的主要粒子)。核子是很小很小的东西,需要有6×10的23次方个核子才能构成一克物质。

  既然需要有6×10的23次方个核子才能构成一克物质,既然宇宙中含有2×10的55次方克物质,那么宇宙间总共就应该有6×10的23次方×2×10的55次方(或者说12×10的78次方个核子。为方便起见,可以把这个数字写为1.2×10的79次方。

  天文学家认为,宇宙间有90%的原子是氢,9%的原子是氦,其余1%则是各种更为复杂的元素。就是说,在含有100个原子的一个典型样本中应当含有90个氢原子,9个氦原子和1个别的原子(比方说一个氧原子)。我们知道,每个氢原子的原子核有一个核子,即质子。每个氦原子核含有4个核子,即2个质子和2个中子。每个氧原子核含有16个核子,即8个质子和8个中子。

  因此,这100个原子总共应当含有142个核子,亦即116个质子和26个中子。

  这两类核子有一个区别。中子不带电荷,因此不必去考虑同它相伴随的粒子(电子)。质子带正电荷,因此,既然整个宇宙被认为是电中性的,所以只要有一个质子存在,就应该有一个电子(带有一个负电荷)和它同时存在。

  这样,每有142个核子,就应该有116个电子(以便和116个质子相平衡)。为了保持这一比例,宇宙间的1.2×10的79次方个核子就应该伴随有1×10的79次方个电子。把这些核子和电子加在一起,我们就得出宇宙间全部物质所含粒子总数应为2.2×10的79次方。我们可以把这个数字写为22,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000。

  如果宇宙是由一半物质和一半反物质组成,那么,这些粒子中就应当有一半是反核子和正电子。但是,这并不影响总数。

  宇宙间大量存在的另一些粒子是光子、中微子,也许有引力子,但它们都是没有质量的粒子,所以没有把它们计算在内。因此,总的说来,我们这个宇宙共有22×10的78次方个粒子。它们构成了一个相当大的宇宙。

阿西莫夫《你知道吗?--现代科学中的一百个问题》
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 楼主| 发表于 2007-07-19 14:39 | 显示全部楼层
10 宇宙中的物质是从哪里来的?宇宙外面又是什么东西呢?

  第一个问题可以说是一个没有人能够回答的问题。

  科学并不保证所有的问题都有答案。只有在人们获得了足够的资料之后,科学才能向人们提供一个作出回答的方案。但是迄今为止,我们还没有掌握足够的资料来告诉我们宇宙间的物质究竟是从哪里来的。

  然而,即使如此,我们仍然可以作一些推测。我自己就曾经想过,在宇宙间可能存在有某种称为“负能量”的东西,这种“负能量”和普通的“正能量”完全一样,所不同的仅仅是,同等数量的“负能量”和“正能量”加在一起,将会成为“乌有”(正如+1和-1相加等于零一样)。

  反之,“乌有”则可能突然转变为一团“正能量”和一团等量的“负能量”。如果事情确是如此,那么,这一团“正能量”就可能发展成为我们现在所知道的这个宇宙,与此同时,还可能在别的什么地方存在一个相应的“负宇宙”。

  但是“乌有”又怎么会突然变成两团相反的能量呢?

  为什么不会呢?如果0=(+1)+(-1),那么,这个零所代表的东西就完全有可能变成+1和-1。也许在一个“乌有”的无限海洋中,会经常不断地形成大小相等的一对对正能量团和负能量团,以后,在它们经历了进化演变之后,又一次相互结合在一起而成为“乌有”。而我们现在则正好处在“乌有”与“乌有”之间的一个时期内的一个能量团中,并在对它感到奇怪。

  当然,上面所说的仅仅是一种推测。迄今为止,科学工作者既未探测到任何像“负能量”这样的东西,也未找到任何理由来使他们设想宇宙间可能存在有这样的负能量。因此,除非他们有朝一日终于发现了这样的负能量,否则我的设想将是毫无意义的。

  至于第二个问题,即宇宙之外是什么这个问题,我的回答是:宇宙之外是一个非宇宙。

  你看了这个答案,也许会说“你的这个答案丝毫也不说明什么问题”。你的话也许是对的,但是从另一方面讲,在实际生活中往往就有许多问题是得不到有意义的回答的(例如“天到底有多高?”)。所以,这一类问题都是“没有意义的问题”。一般说来,科学工作者甚至根本不愿去思考这类毫无意义的问题。

  然而,我们是不是可以从另一个角度来想一想这个问题呢?

  假定你是北美大陆中部的一只具有高度智慧的蚂蚁,而且还是一只一辈子都在“旅行”的蚂蚁。在这种情形下,在你不断向前走的过程中,你已经走过了一平方米又一平方米的地面,同时你还发明了一个小望远镜,使你能看到你前方几公里以外的地面。在这种情况下,你一定会认为这块地面是无边无际的。

  但是你也许会提出一个疑问:这块地面是否有一个尽头呢?这样一来,就会进一步产生一个使你感到困惑的问题:

“如果这块地面是有尽头的,那么,在尽头的那一边将是什么东西呢?”

  当然,你所以会提出这个问题,是因为你唯一体验到的仅仅是地面。你从来没有见到过海洋,对海洋一无所知,因此,你除了陆地以外,不可能想象出别的什么东西。在这种情况下,你就很可能会这样回答:“如果陆地真是有尽头的话,那么,在陆地的那一边一定是一块非陆地,不管这块非陆地到底是什么东西。”这样看来,这样的回答应该说是对的吧!

  既然如此,如果我们把宇宙定义为物质、能量及由这些物质和能量所充填的空间这三者的总和,并且宇宙真是有尽头的话,那么,在宇宙尽头之外的就应该是散布在这个非空间的非物质和非能量。总之,是一个非宇宙。

  如果这个宇宙是起源于一团正能量,而这团正能量是和一团负能量一起由“乌有”形成的,那么,这个宇宙尽头之外的就应当是“乌有”,而这个所谓的“乌有”也许就是非宇宙的另一种叫法。

阿西莫夫《你知道吗?--现代科学中的一百个问题》
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 楼主| 发表于 2007-07-19 14:40 | 显示全部楼层
11 为什么人们说“宇宙空间的低温?”一个空虚的宇宙空间怎么会有温度呢?

  其实,既不应该这样说,也不能这样说。温度是一定数量的物质中每一个原子的平均含热量,因此,只有物质才能有温度。

  假定宇宙空间存在一个像月球那样的天体,而这个天体距离它最近的恒星有好几光年,在这样的条件下,如果这个“月球”表面的初始温度是25℃的话,那么,这个“月球”一方面将会由于辐射而不断失去热量,而另一方面则会从遥远的恒星的辐射而获得热量。但是由于从这些恒星到达这个“月球”的辐射很少,因此不可能抵偿“月球”本身的辐射而失去的热量,结果,这个“月球”的表面温度就会立即开始下降。

  随着这个“月球”表面温度的不断下降,因它本身的辐射而失去热量的速率将会越来越少,到最后将出现这样一种情况,这时,它的表面温度已经如此之低,以致因它本身的辐射而失去的热量将会小到足可以和它从遥远恒星所吸收的辐射相平衡。这时,这个“月球”的表面温度确实是很低很低的,只稍稍超过绝对零度。

  人们在谈到“宇宙空间的低温”时,他们想到的例子正是这种离开所有恒星都很遥远的“月球”的极低表面温度。

  实际上,我们的月球离开恒星并不太远,它离其中一个恒星——太阳——的距离很近,还不到1.5亿公里。假定我们的月球仍然处在它现在的位置上,但它永远只有一面向着太阳,那么,这一面将不断地吸收太阳的热,直到面向太阳的这一面中心的温度大大超过水的沸点。只有在这样高的温度下,由它本身的辐射而失去的热量才会和来自太阳的巨大热流相平衡。

  但是,来自太阳的热只能以非常慢的速度透过月球本身的绝热物质,所以,背着太阳的那一面几乎不会获得热量,它所得到的一点点热量也会辐射到宇宙空间中去。这样,永远背离太阳的一面就将处于“宇宙空间的低温”状态。

  然而,我们的月球是相对于太阳进行自转的,所以每自转一次其表面的各个部分平均只能从太阳那里得到相当于两个星期的辐射热。在这种只能从太阳获得时间有限的辐射的情况下,月球上只有个别地方的表面温度才勉强达到水的沸点。而在长夜中,其温度在任何时候都不会低于绝对温标120度(从我们地球上的标准来说,这个温度是相当低的),这是因为温度尚未下降到比这更低的时候,太阳就又升上来了。

  但是,地球上的情况则与此大不相同,因为地球上有大气和海洋。海洋同光秃秃的岩石相比,能够更有效地吸收热,而且散热的速度也慢得多。它所起的作用就像一个热褥垫那样,当太阳晒的时候,它的温度不会上升得像陆地那样快,没有太阳的时候,它的温度也不会下降得像陆地那样快。此外,地球的自转速度很快,所以地球上大多数地方每次只经历十来小时的白天和黑夜的变化。同时,地球大气所造成的风也会将热量从向阳的一面带到背阴的一面,以及从热带带到两极。

  正因为如此,尽管地球和月球离太阳的距离大致相等,地球所经受的温度变化范围却比月球小得多。

  一个处在比南极还要低的温度下的人如果被放到月球的背阴处,那将会发生什么情况呢?情况不会像你可能想象的那么严重。在地球上,即使穿着绝热服,我们的体温也会相当快地发散到大气层和大气层的风中去——它们会把我们的体热迅速带走。在月球上,情况就大不相同了。在那里,一个身穿保温宇宙服和宇宙靴的人,几乎一点也不会失去体热。因为在那里,体热既不会靠传导传到体外,也没有风通过对流现象把它带到空虚的空间中。他将会如同一个被放置在真空中的保温瓶那样,只可能辐射出极少量的红外线。在这种情况下,冷却将是一个十分缓慢的过程。当然他的身体本身会不断地产生热量,所以他将会更容易感到太热,而不会感到太冷。

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 楼主| 发表于 2007-07-19 14:41 | 显示全部楼层
12 什么是宇宙尘?它们是从哪里来的?

  根据最新的天文学理论,星系最初是一团团巨大的气尘凝聚体,这些气尘凝聚体缓慢地旋转,分裂成为湍动的涡流,最后凝结成为恒星。在大量形成恒星的天区,所有的气尘实际上都会分别和其中某一颗恒星结成一体,因而气尘很少会或者完全不会留在星系空间中。在球状星团中,在椭球星系中以及在旋涡星系的中心部分,情况确实是这样。

  但是在旋涡星系的外缘,这种过程就不会进行这样彻底。由于所形成的星星为数较少,所以留下的气尘就会多一些。正因为我们处在银河系的旋臂上,所以我们能看到尘云在银河的辉光中形成一些暗斑。银河系的中心也正是被这些尘云遮住,才显得模糊不清。

  形成宇宙的物质,绝大部分是氢和氦。氦原子一般是不会彼此结合的。氢原子虽然会彼此结合,但一般只彼此结合成对而形成氢分子(H2)。这就意味着,处于恒星与恒星之间的绝大多数物质是由一个个很小的氦原子和一个个很小的氢原子和氢分子组成。这些物质形成了大量散布在恒星与恒星之间的星际气体。

  星际尘(或者宇宙尘)的数量比星际气体少得多,它们是由粒子组成的。这些粒子虽然也很小,但却比单个原子或分子大得多,因此它们一定含有除了氢和氦以外的其他原子。

  除了氢和氦以外,宇宙间另一种最普通的原子是氧。氧原子能和氢结合而形成氢氧基(OH)和水分子(H2O)。氢氧基和水分子具有能够同它们所遇到的任何其它基团及分子相结合的倾向。正因为如此,宇宙间会逐步形成由许许多多这样的分子所组成的微粒。绝大部分宇宙尘很可能就是由氢氧基和水分子所组成。一直到1965年,天文学家才开始在宇宙间探测到氢氧基,并开始研究它们的分布情况。从这以后,不断有报道说,宇宙空间存在既含有氢和氧、也含有碳原子的更复杂的分子。

  由此看来,宇宙尘中一定也含有不及氢、氧和碳那么普通的原子所组成的原子团。科学工作者已经在星际空间探测到钙原子、碘原子、钾原子和铁原子,他们是通过这些原子所能吸收的光而探测到它们的。

  在我们的太阳系内,也存在类似的宇宙尘,这些宇宙尘很可能是由彗星造成的。在太阳系可见范围以外,可能有一个由大量彗星所组成的彗星壳,其中有一些彗星(也许是由于附近恒星的引力作用)向太阳的方向掉落。彗星是一团金属和岩石小碎片,这些碎片由冰加上冻结的甲烷、氩和其它这类物质结合成松散的团块。每当彗星走近太阳时,彗星中的某些物质便会因受热而融化,结果,其中的微小固体颗粒便获得了自由,并以一条长长的尾巴的形式散布在宇宙空间中。最后,这个彗星将完全崩解。

  在太阳系的历史中已经有无数彗星发生了这样的崩解,正因为如此,太阳系的内圈才会到处散布有这样的宇宙尘,每天都有数十亿这样的宇宙尘粒子(“微陨石”)落到地球上。从事宇宙研究的科学家都对这些“微陨石”感兴趣,他们之所以对此感兴趣,固然有种种原因,其中的原因之一,是因为有一些较大的微陨石可能会给未来的宇航员或登月移民造成危害。

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 楼主| 发表于 2007-07-19 14:42 | 显示全部楼层
13 什么是脉冲星?

  1967年夏天,剑桥大学的赫维什和他的合作者,在十分偶然的情况下,探测到来自天空的一种从未探测到的射电辐射。这种射电辐射是非常有规则的、每隔1又1/3秒出现一次的脉冲。更确切地说,这种脉冲每隔1.33730109秒出现一次,发出这种脉冲的辐射源后来就被称为脉冲星。

  接着,在这以后的几年中,天文学家又陆续发现了很多这样的脉冲星。说到这里,你们也许会提出一个疑问:脉冲星为什么未能更早发现呢?这是因为每一颗脉冲星虽然在一次脉冲当中都会辐射出大量的能量,但这些脉冲是如此的短暂,因此,射电波的平均强度是很低的。这就是天文学家为什么一直没有发现他们的原因。此外,由于天文学家在这以前都认为射电源是以稳定的水平辐射发出能量的,因此他们都没有去认真寻找这样的脉冲。

  后来,在蟹状星云中发现了一颗脉动得特别快的脉冲星,同时还发现这颗脉冲星能在可见光的范围内发出辐射,而且光的闪烁正好和射电辐射的时间相一致。天文学家以前虽然曾多次观测到这颗脉冲星,但都以为它不过是一颗普通的恒星,因此从未有人试图用足够灵敏的、能发现它每秒钟会闪烁三十次的这样一种观测仪器去对它进行观测。一颗脉动得这样快的脉冲星,如果单凭肉眼或者仅仅依靠普通的仪器来进行观察,它的光就似乎是很稳定的。

  然而,脉冲星到底是一种什么样的星呢?一个天体如果会以周期性的间歇发射出能量的话,那么,在这间歇的时间内,它一定正在发生某种物理现象。例如,它也许是一个正在一会膨胀一会儿收缩的天体,并在每一次收缩时发射出一股能量。或者它也许正绕着自己的轴或围绕着另一个天体运转,并且每绕一周,就发射出一股能量。

  难以解决的一个问题是:这种脉动为什么会进行得这样快,长的是每4秒钟脉动一次,短的则是每隔1/30秒就脉动一次。第一,这种脉冲星必定是一个非常炽热的物体,否则它就不可能发射出这样大的能量。第二,它必定是一个很小的天体,否则它绝不可能脉动得这样快。

  科学工作者以往所观测到的最小天体是白矮星。白矮星的质量可以和太阳的质量一样大(其炽热程度也可能和太阳差不多或者更大),但它的体积则不会比地球大。既然如此,这样的白矮星是否可能通过膨胀或收缩或者通过自转而发出脉冲来呢?会不会是两颗白矮星在那里彼此绕着转动呢?但是,不论天文学家用什么样的理论来解释这种现象,他们都无法想象出白矮星为什么会运动得这样快。

  既然不可能是白矮星,那么,有没有可能是更小一点的天体呢?天文学家曾经根据理论作出了一个预测,认为恒星在引力的作用下可能坍缩到非常致密的程度,以致恒星里的所有原子核都被挤压而彼此紧挨在一起。在这种情况下,电子和质子将会相互作用而形成中子,结果,这个恒星将会成为一团“中子浆”。这样的“中子星”的质量可能有太阳那样大,但直径却只有十来公里。

  不过,还没有人探测到中子星;由于中子星是如此之小,所以有些天文学家担心宇宙间即使有中子星存在,人们也无法探测到它。

  可是,这样小的天体应当会飞快地自转,因而就会产生这样的脉冲。这是因为在这样的天体上可能会出现这样一些条件,使得其中的电子只能通过该中子星表面的某些点逃逸出来。这样,当中子星自转时,电子就会像一个旋转着的喷头中喷出的水那样从其中喷射出来,每旋转一周,就会朝地球的方向喷射出一些电子,从而产生射电波和可见光。

  美国康奈尔大学的戈尔德曾经指出,如果情况真是这样,那么,中子星将会逐渐失去能量,因此,它的脉动率就应当会逐渐减慢。他的推论经过了检验,并发现实际情况确是如此。因此,就目前看来,脉冲星很可能就是天文学家曾经担心永远无法探测到的中子星。

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 楼主| 发表于 2007-07-19 14:43 | 显示全部楼层
14 有人说中子星上每一立方厘米的物质重达十亿多吨,这怎么可能呢?

  一个原子的直径,大体上说,约为10-8厘米。在普通的固体和液体中,原子与原子之间靠得很近。实际上是相互接触的。因此,普通固体和普通液体的密度取决于以下三个因素:一是原子的大小,二是原子在其中的密集程度,三是单个原子的重量。

  在普通的固体当中,密度最小的是固态氢,它的密度是每立方厘米0.076克。密度最大的是稀有金属锇,它的密度为每立方厘米22.48克。

  如果原子是一个不可压缩的固态小球,那么锇应当是所有物质当中密度最大的了。这样,一立方厘米物质的重量绝不可能超过一公斤,当然就更谈不上会有几吨重了。

  但是原子并不是固态的,新西兰出生的物理学家卢瑟福早在1909年就曾经证明,原子中的大部分空间是空的。原子的外围只含有非常轻的电子,原子的99.9%的质量都集中在其中心的原子核内。

  原子核的直径约为10-13厘米(或者说约为原子本身直径的1/100,000)。如果一团物质中的原子能被很紧很紧地挤压到一起,以致其中的电子都被推开,原子核被迫相互接触,那么,这团物质的直径就会缩小到只有原来直径的1/100,000。

  如果我们的地球被压缩成为一团原子核,其中的所有物质就将被挤压成一个直径只有128米的球体。太阳如果也受到这样的挤压,它将成为一个直径只有13.92公里的球体。如果宇宙的全部已知物质都被转换为相互接触的原子核,那么,它们将会成为一个直径为几亿公里的球体,可以绰绰有余地纳入太阳系的小行星带中。

  恒星中心的热和压力能够破坏原子的结构并使原子核开始挤压到一起。太阳中心的密度要比锇原子的密度大得多,但是其中的一个个原子核仍然可以不受阻碍地自由运动,其中的物质仍然呈气体状态。有一些恒星却几乎完全由这样一些已被破坏的原子所组成。例如,天狼星的伴星就是一颗并不比天王星大的“白矮星”,但是它的质量却和太阳一样大。

  原子核是由质子和中子组成。所有质子都带有正电荷并会相互排斥,因此不可能把一百个以上的质子集合在一处。然而中子是不带电荷的,在适当的条件下,无数中子能够积聚在一起而形成一颗中子星。人们认为脉冲星就是这样的中子星。

  如果太阳一旦变为一颗中子星,它的全部质量将会被挤压成一个直径只有现有直径的1/100,000的球体,或者说将成为一个体积只有现有体积的1/1,000,000,000,000,000的球体。这样一来,它的密度将会是其现在密度的1,000,000,000,000,000倍。

  太阳目前的总密度是每立方厘米1.4克。如果它一旦变为中子星,它的密度就将成为每立方厘米重1,400,000,000,000,000,000克。

  这就等于说,中子星上的每一立方厘米物质重达1,400,000,000,000吨(14亿吨)。

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15 什么是黑洞?

  为了了解什么是黑洞,让我们先从太阳这样的恒星谈起。我们知道,太阳的直径为1,392,000公里,它的质量为地质质量的330,000倍。在这样大的质量、从表面到中心的距离这样长的情况下,位于太阳表面的任何东西所受到的引力大约相当于地球表面引力的28倍。

  任何一颗普通的恒星都会由于下述两种因素的相互平衡而保持其通常的大小。其中一个因素是恒星中心有非常高的温度,因而会使恒星的物质经常处于膨胀的状态。另一个因素就是它本身具有很大的引力,从而会使恒星的物质倾向于收缩而挤压在一起。

  但是在恒星生存期的某一阶段,其内部温度将会降低,这样一来,引力将会成为一个主导的因素,结果,这颗恒星就会开始坍缩,在这个过程中,恒星内部物质的原子结构会遭到破坏。这样一来,原子将不复存在,替代它的将是一个个电子、质子和中子。这颗恒星将会坍缩到这样一种程度,这时电子的相互排斥力将使该恒星不能够再进一步坍缩。

  这颗恒星于是就成为一颗“白矮星”。像太阳这样的恒星一旦坍缩成为一颗白矮星,它的全部物质将被挤压成为一个直径只有大约16,000公里的球体,它的表面引力将变成地球表面引力的210,000倍(因为它的质量虽然没有变,但是从表面到中心的距离则大大缩短了)。

  在某些条件下,引力将变得如此之大,甚至能战胜电子之间的排斥力。结果,这颗恒星将会再度坍缩,并迫使其全部电子和质子彼此结合为中子,这样一来,这颗恒星将一直收缩到所有的中子都彼此接触为止。到了这一步,这个中子结构物又将会抵制进一步的坍缩,这颗星于是成为一颗中子星。这样的中子星将把太阳的全部质量压缩在一个直径只有16公里的球体内。结果,它的表面引力将是地球引力的210,000,000,000倍。

  在某些条件下,引力甚至能进一步战胜中子结构的抗拒。这时候,再也没有任何东西能够抵抗得住它的进一步坍缩了。结果,这颗恒星就会坍缩到体积等于零,而它的表面引力就会无限地增大。

  根据相对论,一颗恒星所发射出来的光,当它克服该恒星的引力场而向外射出的时候,将会失去一定的能量。引力场越大,所失去的能量也越大。这一点已经由科学工作者经过天文观测和实验室实验得到证实。

  由太阳这样的普通恒星发射出的光,它失去的能量是很有限的。由白矮星发射出的光会失去较多的能量;由中子星发射出的光会失去比这更多的能量。当这颗中子星进一步坍缩时,就会出现这样一种情况:从它的表面向外射出的光将会失去它的全部能量,从而根本不可能逃逸出去。

  一个比中子星坍缩得更厉害的天体,它的引力场将是如此之强,以致任何靠近它的东西都将被它所捕获,并且再也不能从它里面逃逸出去。这就如同被捕获的物体落进一个无底洞的情况一样。而且,正如上面所说,甚至连光也不能逃逸出去,因此,这个坍缩了的天体将是黑的。正因为它既像个无底洞,而且又是黑的,所以天文学家就把它叫做“黑洞”。

  天文学家目前正在宇宙的各个角落寻找可证明确有这种黑洞存在的证据。

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16 恒星的温度能达到多少度?

  这个问题的答案取决于你所说的是什么样的恒星,以及你所指的是恒星的哪一个部位。

  在我们能观测到的恒星中,99%以上都和太阳一样,属于称为“主序星”的一类。至于恒星的温度,我们一般是指恒星的表面温度。下面我们就从这里谈起。

  任何恒星都具有一种在其自身的引力作用下发生坍缩的倾向,但是当它坍缩时,它的内部会变得越来越热。而当它的内部温度越来越高时,这颗恒星就有一种发生膨胀的倾向。最后,两种倾向会达到平衡。结果,这颗恒星便达到了某种固定的大小。一颗恒星的质量越大,为了平衡这种坍缩所需要的内部温度就越大,因而它的表面温度也就越高。

  太阳是一颗中等大小的恒星,它的表面温度为6000℃。质量比它小的恒星,其表面温度也比它低,有一些恒星的表面温度只有2500℃左右。

  质量比太阳大的恒星,其表面温度也比太阳高,可达10,000℃、20,000℃,甚至更高。在所有已知的恒星中,质量最大、因而温度最高、亮度最大的恒星,其稳定的表面温度至少可达50,000℃,甚至可能更高。也许可以大胆地说,主序星的最高的稳定表面温度可以达到80,000℃。

  为什么不能再高呢?质量再大的恒星,其表面温度会不会比这还要高呢?到这里,我们不得不停下来。因为,一颗普通恒星,如果具有这样大的质量,以致它的表面温度竟高达80,000℃以上,那么,这颗恒星内部的极高温度就会使它发生爆炸。在爆炸时,也许在瞬间会发出比这高得多的温度,然而当它爆炸之后,剩下来的将是一颗更小和更冷的恒星。

  但是恒星的表面并不是温度最高的部分。热会从它的表面向外传播到该恒星周围的一层很薄的大气层(亦即它的“日冕”)。这里的热量从总量上说虽然不算大,但是,由于这里的原子数量同该恒星本身的原子数量相比是很少很少的,以致每一个原子可以获得大量的热供应。又因为我们以每一个原子的热能作为测量温度的标准,所以,日冕的温度高达1,000,000℃。

  此外,恒星的内部温度也比其表面温度高得多。要使恒星的外层能够战胜巨大的向里拉的引力,就必须是这样。已经查明,太阳中心的温度大约为15,000,000℃。

  自然,那些质量比太阳大的恒星,它们不但表面温度更高,中心温度也同样会更高。同时,对于具有一定质量的恒星来说,其核心的温度一般总是随着它的年龄的增长而越来越高的。有一些天文学家曾试图计算出,在整个恒星爆炸的前夕,其核心的温度可以达到多少度。我所看到的其中一种估算,认为最高可达到6,000,000,000℃。

  那些不属于主序星的天体,其温度有多高呢?尤其是那些在六十年代新发现的夭体,其温度可达到多少度呢?例如脉冲星的温度可能达到多少度呢?有些天文学家认为,脉冲星实际上就是非常致密的“中子星”,这种中子星的质量虽然和一颗普通恒星一样大,但是它的直径只有十几公里。这样的中子星的核心温度会不会超过6,000,000,000℃这个“最大值”呢?此外,还有类星体,有人认为类星体可能是由数百万颗普通恒星坍缩而成的,既然如此,这种类星体的核心温度又有多高呢?

  所有这些问题,迄今为止,还没有人能够回答。

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17 在一颗恒星上,聚变反应可以进行到什么程度?

  我们知道,当质子和中子相互结合而形成原子核时,这样的结合不但是一种较稳定的结合,而且所含有的质量要比同样一些质子和中子单独存在时所含有的质量少。因此,在发生这样的结合时,多余的质量就会转变为能量而被发射出去。

  一千吨氢(氢核由单个质子组成)可以转变为993吨氦(氦核由两个质子和两个中子结合而成)。失去的这7吨质量将作为同它等效的能量而被释放出来。

  凡是象太阳这样的恒星都会辐射出以这种方式形成的能量,太阳每秒钟会把大约630,000,000吨氢转变为略少于625,400,000吨氦。换句话说,它每秒
钟会失去4,600,000吨质量,然而即使在这种惊人的速率下,太阳仍然含有足够多的氢,以保证这种过程继续不断地进行数十亿年之久。

  不过,太阳的氢供应量总有一天会消耗殆尽。这是不是说,到了那一天,这样的聚变过程将会终止,太阳从那时起将会成为一颗冷星呢?

  情况并非如此,因为氦核并不是质子和中子的一种最“节约”的组合方式。氦核还可以经过聚变转化为更加复杂的原子核,例如可以经过聚变而成为象铁原子等一类很复杂的原子核,同时发射出更大的能量。

  由此可见,前面所说的那1,000吨氢聚变为993吨氦之后,还可以进一步聚变为991.5吨铁。也就是说,当氢聚变成氦时会有7吨质量转变为能量,而当氦聚变为铁时,只有1.5吨的质量转变为能量。

  然而,到了氢原子都聚变为铁原子,聚变过程就到头了。因为在铁原子核中,质子和中子是以最稳定的形式组合在一起的。铁原子的任何转化,不论是转化为较简单的原子,还是转化为更复杂的原子,总是吸收能量、而不是放出能量。

  因此可以说,当一颗恒星发展到“氦阶段”时,它已经用掉了五分之四可资利用的聚变能,而当朝着“铁的阶段”发展时,它放出剩下的那五分之一的聚变能,全部聚变能到此就用完了。

  但是再往后又将发生什么情况呢?

  在一颗恒星超过氦阶段继续向前发展的过程中,该恒星核心的温度将会变得越来越高。有人提出一种理论说,当恒星发展到铁阶段时,其核心的温度将会高到足以引起产生大量中微子的核反应。由于中微子不会被星体物质所吸收,所以它们一旦形成,就会以光速向四面八方飞奔,并把能量一起带走。这样一来,恒星的核心就会失去能量,并且很快就突然冷却下来,结果,这颗恒星就会坍缩成一颗白矮星。

  在坍缩过程中,它的外层,由于仍然含有许多没有铁原子那么复杂的各种原子,因而将会全部立即发生聚变,并爆炸而成为一颗“新星”。由此产生的能量将会形成一些比铁更为复杂的原子,即周期表中位于铁以后的各种原子——一直到铀原子和超铀原子为止。

  含有重原子的这种“新星”的碎屑将和星际气体混合在一起。由这类气体所形成的恒星就是“第二代恒星”,正因为如此,所以在“第二代恒星”中才含有少量在恒星本身的聚变反应中绝不可能形成的各种复杂原子,太阳就是这样的第二代恒星,而这也正是地球中为什么会有金和铀这类元素的原因。

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 楼主| 发表于 2007-07-19 14:46 | 显示全部楼层
18 所有恒星所发出的全部能量都到哪里去了?

  恒星可以通过以下几种不同的方式发射出能量。

  第一,恒星会发射出无质量的电磁辐射——光子,这种电磁辐射包括从能量最大的γ射线到能量最小的射电波(甚至一个冷的物体也会发射出光子;物质的温度越低,光子也越弱)。可见光就是这类辐射的一部分。

  第二,恒星还会发射出中微子和引力子等无质量的粒子。

  第三,恒星还会发射出各种具有质量的带电高能粒子,主要是质子,但同时也包括数量较少的各种原子核及其它各种粒子。它们就是宇宙射线。

  恒星发射的所有这些粒子(光子、中微子、引力子、质子等等),只要当它们是单独出现在宇宙空间的时候,它们将是稳定的。就我们所知,它们可以在数十亿年的时间内不发生任何变化地通过数十亿光年的真空。

  由此可见,恒星所发射的一切粒子只要没有遇到任何会把它们吸收掉的物体,就会一直存在下去。拿光子来说,几乎任何东西都能把它们吸收掉。能量很大的质子就较难被别的东西阻挡和吸收,至于中微子,那就更难被别的什么东西阻挡和吸收了。关于引力子的情况,直到目前为止,人们尚未弄清。

  假如我们的宇宙中,除了以固定不变的位形分布的恒星以外,什么东西也没有的话,那么,由某一颗恒星所发射出的每一颗粒子,除非它遇到了另一颗恒星并被吸收掉,否则,都一定会在宇宙空间“旅行”。在这种情况下,所有的粒子将只会从一颗恒星“旅行”到另一颗恒星,这样,总的说来,每一颗恒星都应当能够收回它所发射出去的全部能量。从这种假定出发,宇宙似乎应当会永远不变地继续下去。

  但是以下三个事实的存在、使实际情况不会象上面所说的那样。

  第一,宇宙并不是单由恒星所组成,而是包含有大量的冷物质,从巨大的行星直到星际尘,当这些粒子遇到冷物质时,粒子就被吸收,冷物质则发射出能量较小的粒子以作为交换。这就意味着,总的来说,冷物质的温度会逐渐上升,而恒星所含的能量会逐渐减少。

  第二,恒星以及其他天体发射出来的某些粒子(如中微子和引力子)被物质吸收的几率是如此之小,以致在宇宙的整个生存期间,业已被吸收的只占其中很小的一部分。这就意味着,在恒星发射出来的全部能量中,有很大一部分仍在宇宙空间中“旅行”,而这同样也等于说,恒星所含有的能量正在逐渐减少。

  第三,宇宙正在膨胀。这就意味着星系与星系之间的空间正在逐年扩大,因此甚至象质子和光子等一类能被其他物体吸收的粒子,平均说来,也要旅行更长的路程才遇到其他物体而被吸收掉。正因为如此,恒星所吸收的能量抵偿不了它所发射的能量的倾向正在逐年加大。同时,为了填补因宇宙膨胀而增大的这部分宇宙空间,就一定会有额外的能量(亦即快速的高能的、但尚未被吸收的粒子)进入到这部分宇宙空间。事实上,这个道理是很明显的,只要宇宙还在继续膨胀,总的来说,它将会继续变得越来越冷。

  当然,如果宇宙有朝一日开始再一次从膨胀转为收缩的话,情况就会倒转过来,到那时,宇宙将会开始再一次逐渐变热起来。

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19 什么是太阳风?

  1850年,一位名叫卡林顿的英国天文学家在观察太阳黑子时,发现在太阳表面上出现了一道小小的闪光,它持续了约5分钟。卡林顿认为自己碰巧看到一颗大陨石落在太阳上。

  到了20世纪20年代,由于有了更精致的研究太阳的仪器。人们发现这种“太阳闪光”是普通的事情,它的出现往往与太阳黑子有关。例如,1899年,美国天文学家霍尔发明了一种“太阳摄谱仪”,能够用来观察太阳发出的某一种波长的光。这样,人们就能够靠太阳大气中发光的氢、钙元素等的光,拍摄到太阳的照片。结果查明,太阳的闪光和什么陨石毫不相干,那不过是炽热的氢的短暂爆炸而已。

  小型的闪光是十分普通的事情,在太阳黑子密集的部位,一天能观察到一百次之多,特别是当黑子在“生长”的过程中更是如此。像卡林顿所看到的那种巨大的闪光是很罕见的,一年只发生很少几次。

  有时候,闪光正好发生在太阳表面的中心,这样,它爆发的方向正冲着地球。在这样的爆发过后,地球上会一再出现奇怪的事情。一连几天,极光都会很强烈,有时甚至在温带地区都能看到。罗盘的指针也会不安分起来,发狂似地摆动,因此这种效应有时被称为“磁暴”。

  在本世纪之前,这类情况对人类并没有发生什么影响。但是,到了20世纪,人们发现,磁暴会影响无线电接收,各种电子设备也会受到影响。由于人类越来越依赖于这些设备,磁暴也就变得越来越事关重大了。比如说,在磁暴期内,无线电和电视传播会中断,雷达也不能工作。

  天文学家更加仔细地研究了太阳的闪光,发现在这些爆发中显然有炽热的氢被抛得远远的,其中有一些会克服太阳的巨大引力射入空间。氢的原子核就是质子,因此太阳的周围有一层质子云(还有少量复杂原子核)。1958年,美国物理学家帕克把这种向外涌的质子云叫做“太阳风”。

  向地球方向涌来的质子在抵达地球时,大部分会被地球自身的磁场推开。不过还是有一些会进入大气层,从而引起极光和各种电现象。向地球方向射来的强大质子云的一次特大爆发,会产生可以称为“太阳风暴”的现象,这时,磁暴效应就会出现。

  使彗星产生尾巴的也正是太阳风。彗星在靠近太阳时,星体周围的尘埃和气体会被太阳风吹到后面去。这一效应也在人造卫星上得到了证实。像“回声一号”那样又大又轻的卫星,就会被太阳风显著吹离事先计算好的轨道。

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 楼主| 发表于 2007-07-19 14:47 | 显示全部楼层
20 太阳还能使地球上的生命维持多久?

  据我们所知,只要太阳保持着目前的能量辐射状态,就能使地球上的生命存在下去。我们可以确定出这个状态能持续多久的上下限。

  太阳的辐射是在氢聚变成氦的过程中产生的。太阳要产生这么强烈的辐射,聚变物质的数量一定也该是很大的。实际上也是如此。在每一秒钟里,就有630,000,000吨氢聚变成625,400,000吨氦;其余的4,600,000吨则转化为辐射能,永远不再属于太阳了。这些能量中有一小部分射到地球,就足以维持我们这个星球上的生命了。

  从太阳每秒钟消耗的氢的数量来看,它似乎不会维持很久。但是,这是由于没有考虑到太阳的巨大质量的缘故。太阳的质量为2,200,000,000,000,000,000,000,000,000吨(即二千二百亿亿亿吨)。这个质量当中大约有百分之五十三是氢。这就是说,太阳目前约含有1,160,000,000,000,000,000,000,000,000吨氢。

  如果你想知道的话,不妨告诉你:太阳质量的其余部分几乎全都是氦。比氦更复杂的原子,占太阳质量的百分之零点一弱。氦比氢更致密些。在相同的条件下,氦原子的质量是同量氢原子的质量的四倍。如果换算成体积——所占据的空间,太阳大约有百分之八十是氢。

  如果假设太阳最初全部由氢组成,而且它一直以每秒钟六亿三千万吨的速率把氢转变成氦,并将保持这种速率的话,那么,我们就可以计算出:太阳已经辐射了大约四百亿年,并将继续辐射六百亿年。

  实际上,事情并不如此简单。太阳是一颗“第二代的恒星”,它是由在好几十亿年前就已燃烧光、并已爆炸掉的恒星所留下的尘埃和气体所组成的。因此,在一开始时,太阳的组分中就含有大量的氦,几乎跟现在一样多。这就是说,用天文学的尺度来衡量,太阳只辐射了一段很短的时间,它的氢储量减少得不多。太阳可能还不到六十亿岁。

  此外,太阳也不会一直保持目前这种辐射速率。氢和氦在太阳里并不是均匀地混合着的,氦集中在太阳的核心部分,而聚变反应则发生在这个核心的表层。

  随着太阳不断辐射,氦所构成的核心会越来越大,在它的中心,温度也会越来越高,最后,这个温度会高到足以使氦原子变成其他复杂原子的地步。到那个时候,太阳将放出比目前更强的辐射来。不过,随着氦聚变的开始,太阳就会开始膨胀,并逐渐变成一颗红巨星。那时地球上将热得无法忍受,海洋就会煮干。据我们所知,这颗行星就不复是生命的适宜住所了。

  据天文学家估计,太阳将在从现在算起的八十亿年后进入这一新阶段。不过,八十亿年也还是一个相当长的时间,因此眼下还没有必要惊慌。

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21 如果太阳的表面温度是白热的,太阳黑子为什么又是黑的呢?如果黑子真是黑的,它们就该也是冷的。太阳上的东西怎么会是冷的呢?

  这个问题看来确实象是一个难题。事实上,在十九世纪初期,就有一位伟大的天文学家赫歇耳曾断言说,既然黑子是黑的,它们就必定是冷的。为了解释这一点,他只能说,太阳并不是里里外外都很热。不错,它有一个白热的大气层,但在大气层的下面,则是太阳那冷的固体部分,人们可以透过太阳大气层的缝隙看到这个固体部分。这些缝隙就是我们所说的黑子。赫歇耳甚至认为,太阳内部的固体表面上冷到可以允许生物在那里生存。

  但是,这种看法是错误的。现在,我们很清楚地知道,太阳通体都是热的。事实上,我们看到的太阳表面是太阳上最冷的区域,但即使在那里,对生物来说,也肯定是太热了。

  辐射和温度是密切相关的。1894年,德国物理学家维恩研究了在不同温度下发射出来的各种光辐射。他的结论是:在理想的情况中,在每个特定的温度下,每一个物体都会辐射出特定波长范围内的光,而与物体本身的化学组成无关。

  随着温度的升高,峰值辐射的波长会变得越来越短,对于任何物体都是如此。在摄氏六百度左右,就会有相当多的辐射进入可见光的频率范围,于是物体就会呈现暗红色。当温度再升高时,物体就变为鲜红色,然后变为橙红色、白色和蓝白色。如果温度足够高,辐射频率就会大部分位于紫外区,甚至比这还要高。

  仔细地测量了太阳峰值辐射的波长(它位于黄光区域内),我们就可以计算出太阳表面的温度,这个温度大约是6,000℃。

  太阳黑子并不处于这一温度上。它们比这个温度要低不少,我们认为,在黑子的中心部分,温度只有4,000℃。太阳黑子很可能是一团膨胀的巨大气体。这种膨胀在太阳上造成了一定的温度降,正象电冰箱里的情形一样。要使一个巨大的黑子能抵御住从四下里温度更高的地方传递进来的热量,保持住数日或数周的低温,需要有一个巨大的热泵才行。不过,关于太阳黑子生成的机制,天文学家至今仍未找到完全满意的解释。

  即使是摄氏四千度,太阳黑子也应该很明亮。它应该比地球上的弧光灯还要亮许多,而弧光灯已是亮得不能用眼睛去直视它了。

  其实,太阳黑子也确实比弧光灯亮,这一点已经用仪器检测出来了。问题出在这里:我们的眼睛是不能看出光的绝对强度的。我们在判断亮度时,靠的是与四周环境的比较。太阳表面上那些温度较高的正常区域的亮度,是黑子中心低温区域亮度的四至五倍,与前者相比,后者在人眼中就显得是黑的了。这种黑只是光学上的错觉。

  这一点有时在日蚀时可以看出来。在太阳明亮的圆面上,掩蚀太阳的月亮朝向我们的一面的确是黑的。当月球的边缘掩过一个巨大的太阳黑子,使我们能在月亮的衬托下来观察黑子的“黑”时,我们就能够看出,黑子实际上并不黑。

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22 为什么所有行星的轨道都近似地位于一个平面上?

  对于行星都在同一个轨道平面内这一点,最合理的天文学推测是:它们是由同一薄层物质生成的。

  目前流行的理论认为,太阳系原先是一团巨大的尘埃和气体,最开始时是旋转的球体。在它本身所具有的重力影响下,它逐渐凝聚起来,因此旋转会加快,以保持角动量的守恒。

  随着这团星云越来越凝聚,转得也越来越快,由于离心力的作用,一部分物质会被从赤道平面上甩出去。这部分被甩出去的物质只占整体的百分之几,它们在星云中心的主体位置外围形成一个巨大的薄层。由于某种原因(至于具体是什么原因,大家还没有一致的看法),从这一薄层物质中,又凝聚出各个行星,而星云的中心主体则变成了太阳,各行星在原来的薄层的位置上继续运转。正因为如此,它们几乎都在同一个平面——太阳的赤道平面上旋转。

  由于同一个原因,各行星在凝聚的过程中所形成的各个卫星,一般也都在同一个平面上,它们也与各个行星的赤道平面相合。

  至于例外的情况,则被认为是整个太阳系形成许久以后发生的剧烈变故造成的。冥王星在与地球运转平面成十七度角的平面上运行(其它各行星都没有这样倾斜的轨道)。有些天文学家认为,冥王星原先可能是海王星的一颗卫星,后来有某种大变故使它摆脱了海王星。海王星目前的一颗最大的卫星“特瑞敦”并不在海王星的赤道平面上运行,这也是这颗行星发生过大灾变的另一个证据。

  木星有七颗位于外围的小卫星不在它的赤道平面上。土星的最外面一颗卫星也是这样。这些卫星可能在形成太阳系时都不是在它们目前所处的位置上形成的,而是很久以后才被这些大行星俘获过来的小行星。

  在火星和木星之间运行的小行星当中,有许多小行星的轨道平面都有很大的倾角,这也同样是发生过灾变的迹象。这些小行星原先很可能是一颗和各行星在同一个平面里运行的较小的行星。在太阳系形成后许久,可能是一次爆炸或一系列爆炸使这颗苦命的行星裂成许多小块,走上各自的轨道,其中有许多和原先的轨道大不相同。

  彗星有各种各样的运行平面。对此,有些天文学家认为,在太阳系的边远处——离太阳大约有一光年上下——存在着一个延伸得很远的彗星星云。它们很可能是在发生普遍的收缩和赤道平面上出现薄层物质之前、就由原先的球状星云的外层凝聚成的星体。

  当一颗彗星由于偶然的机会,从这个球层上掉了下来,落入太阳系内部时(这可能是由于遥远恒星的引力影响),它就会在任何一个平面上绕太阳运行起来。

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23 冥王星与其它各行星有什么不同?为什么会有这些不同?

  冥王星因为是离太阳最远的一颗行星而引人注意(它离太阳的平均距离约58亿公里)。不过,总得有那么一颗行星是最远的,冥王星不过刚好处在这个位置上而已。

  然而,事情还不止这样,冥王星具有一些不寻常的特性因而与其他大行星很不相同,这使它引起了天文学家很大的好奇心。例如:

  (1)冥王星有比其他各大行星形状更扁长的椭圆轨道。正圆的偏心率为零,地球轨道的偏心率只有0.017,这使它近于是个正圆。然而冥王星的偏心率却为0.25。有的时候,它离太阳会近到43亿公里;有的时候却远达72亿公里。事实上,当冥王星离太阳最近时,它要比海王星还接近太阳,因此有一段时间它不再是最远的一颗行星。现在它正在向比海王星还靠近太阳的位置运动,它将把这种地位保持四十年上下。

  (2)冥王星的轨道在所有大行星当中是最倾斜的。如果在太阳的一侧把所有的行星在它们的轨道上排成一列的话,它们差不多刚好一个挨着一个,只有冥王星是例外。冥王星的轨道平面与我们的地球轨道平面成17度角,因此,它既可能高踞于其它行星的总平面之上,也可能远远落在它们的总平面之下。因此,它从来不会在跨越海王星轨道时与海王星碰撞——离海王星远着呐。

  (3)除冥王星外,八大行星可分成两类。第一类是靠近太阳的四颗行星:水星、金星、地球和火星,这些行星都比较小,密度比较大,相对来说没有多少大气。此外,还有四颗较远的行星:木星、土星、天王星和海王星,它们是大行星,密度小,大气层很厚,冥王星不属这些“气儿吹成的大块头”之列,但却象内行星一样,是一个小小的致密世界。它所处的位置确实有些不相称。

  (4)除水星和金星外——它们离太阳太近了,万有引力效应会使它们的运动减慢——其他行星都可以说是绕着自己的轴心迅速转动着的。它们的运转周期从10小时到25小时。但是,冥王星的自转周期是153小时——差不多是七天。

  为什么一切都是这样地走极端呢?冥王星这样与众不同是什么原因呢?

  有人提出了一个特别有意思的设想。这种设想认为:冥王星在一开始并不是颗行星,而是海王星的一颗卫星,而在某种宇宙灾变中,它从自己的卫星轨道上被抛了出来,成了独立的行星。

  这样的爆炸(如果真的是爆炸的话)完全能够把它送上一个倾斜的、不匀称的轨道,但这个轨道还会把它带回自己原来从海王星抛出去的地方。

  作为一颗卫星,它可以是小而致密的,无须象真正的外行星那样一定得是那种气儿吹成的大块头。而且,它还能以自己在海王星重力作用下绕海王星运行时所具有的旋转速度自转下去(卫星一般都是这样的,我们的月亮就是如此)。这时,冥王星就很容易以七天为自己的自转周期了(月亮的自转周期是四个星期)。当冥王星从海王星那里被甩出去时,它可以保持自己的自转周期,同时以最特殊的身份成了一颗行星。

  不过,糟糕的是,所有这一切都只是臆测。对于冥王星是否曾是海王星的卫星,我们并没有过硬的证据。即使算是说对了的话,我们也还不知道冥王星是被什么灾变把它搞成现在这个样子的。

阿西莫夫《你知道吗?--现代科学中的一百个问题》
科学普及出版社   1984年

水箭注:

2006年8月“冥王星”被无情踢出“太阳系九大行星”之列,降级为“矮行星”。
据法新社2007年6月14日报道,两名美国科学家在最新一期《科学》杂志上发布研究成果称,矮行星“厄里斯”比原“冥王星”还要大些。

由此可见,科学并不是一成不变的绝对真理,不过是一套不断发展不断完善的研究体系,仅此而已。
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 楼主| 发表于 2007-07-19 15:01 | 显示全部楼层
24 彗星为什么有尾巴?

  彗星把人类恐吓了许多年代。偶尔,天空中会莫明其妙地出现一颗彗星。它的形状和其他任何天体都不相同。它模模糊糊,轮廓并不清晰,而且还拖着一个不甚分明的尾巴。在某些富于想象的人看来,这个尾巴很象是一个哭泣着的妇女的散乱头发(“彗星”一词就是从拉丁文的“头发”一词变来的),因此,人们认为它预示着大难将临。

  到了十八世纪,人们终于确认出,某些彗星在固定的轨道上绕着太阳转动,不过,这些轨道一般都是非常扁长的。当彗星在轨道的远端时,人们看不到它们。只有当它们位于近端时——这在几十年中才有一次(也许是上百或上千年)——它们才成为可以看见的天体。

  1950年,一位名叫奥尔特的荷兰天文学家提出,有一团巨大的星云,其中可能包含着几十亿颗小行星,在距离太阳一光年或甚至更远的地方运行。它们比冥王星这颗最远的行星还要远一千倍,而且,尽管它们为数甚众,我们却全然看不见它们。每隔那么一段时间,可能在邻近恒星的引力作用下,一些小行星在轨道上的运动会放慢下来,并开始朝太阳的方向落下。偶尔会有某个小行星深深地钻进太阳系的内部,在离太阳几百万公里的近处翱翔,自此之后,它就将保持自己的新轨道,成为我们所看到的彗星。

  几乎与此同时,美国天文学家惠普勒也提出,彗星主要是由低沸点的物质(如氨和甲烷)构成的,同时也包含有细碎的石砾。这团彗星云在远离太阳的时候,氨、甲烷和其他物质都凝固成为坚硬的“冰块”。

  这种冰冷的彗星结构,在外层空间迅速运行时是稳定的。但是,一旦它们慢了下来,向太阳靠近时,又会出现什么情况呢?当它进入太阳系内层时,会从太阳接受到越来越多的热量,使得冰块开始变成蒸汽,原先被凝在冰块表层的石砾颗粒得到了自由,结果,彗星的核心就被一团尘埃和蒸汽所形成的云雾包围起来。越靠近太阳,这团云雾就越稠密。

  太阳朝四面八方刮着太阳风——一种向外奔涌的亚原子粒子云。太阳风对彗星有一股作用力,这种力超过了彗星本身的微弱引力,彗星内的尘雾云就开始被太阳风吹出来,向背离太阳的方向伸展。随着彗星接近太阳,太阳风加强了,尘雾云就成了背离太阳方向的一条长尾。离太阳越近,尾巴就越长,然而,这种尾巴是由极其稀薄的分散物质构成的。

  自然,彗星一旦进入太阳系的内层空间,就不会长期存在下去。每靠近太阳一次,就造成一次物质损失。这样,转了几十次以后,彗星就变成了很小的石头核,或者干脆碎裂成小陨石团。有一些这样的陨石团正在确定的轨道上围绕太阳运行。当它们在地球的大气层里穿过时,就会出现壮观的“流星雨”。这些流星雨无疑是彗星的遗骸。

阿西莫夫《你知道吗?--现代科学中的一百个问题》
科学普及出版社   1984年
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 楼主| 发表于 2007-07-19 15:01 | 显示全部楼层
25 为什么月球总是以固定的一面对着地球?

  月球的引力造成地球两侧海水的升涨,形成每日两次的涨潮。随着地球从西向东自转,这两次涨潮——一次永远冲着月亮,另一次则背着月亮——在地球上从东向西移动。

  潮水在地球上运动时,会在白令海和爱尔兰海这样的浅海海底掠过。这样会造成摩擦,把转动的能量变成热。由于地球的转动能就这样慢慢地消耗着,我们这颗星球的绕轴自转就会放慢。潮汐对地球旋转所起的作用就像一副车闸,结果,每隔一千年,地球上的一天就会延长一秒钟。

  在月球引力影响下位置升高的不只是海洋。地球的固态地壳也相应发生变化,不过不那么容易注意到就是了。岩层会沿着地球产生两次轻微的凸起,一次朝着月亮,一次在地球的另一面。在岩石绕着地球凸起的过程中,岩层之间的摩擦力也消耗着地球的转动能量。当然,这种凸起并不造成岩石环绕地核的转动,但是,当我们这个行星运动而使各个不同的部分在月亮下面经过时,这种凸起会此起彼伏。

  月球上没有大海,没有潮汐。然而,它的固体表面层会对地球的引力发生反应——地球的引潮力比月球对地球的引潮力大八十倍,因此,月面凸起的程度要比地面大得多。同时,如果月球也是以二十四小时为周期自转的话,月球上所受到的潮汐摩擦力就要比地球上强烈。此外,由于月球的质量比地球小许多倍,要是它的自转周期与地球相同,它在开始时所具有的总能量就要小得多。

  随着月球上较小的初始转动能量在地球所引起的较大凸起中迅速消耗掉,它的自转周期相对说来就会以很快的速度变长。它的自转速度一定早在几百万年前就减慢到月球的一天等于地球的一个月那么长的地步了。到了这时,月亮就会永远用同一面对着地球。

  这时,月面的凸起就被“冻结”起来,有一处凸起就在我们所看到的这一面的正中央,永远对着我们。另一处就在我们所看不到的那一面的正中央,永远背着我们。在月球运
行时,这两处都不再变动位置,于是不再有升降变动,也就没有摩擦效应来改变月球的自转周期了。因此,月球将永远保持着以同一面朝向我们的状态。你瞧,这并不是出于巧合,而是引力和摩擦作用的必然结果。

  月球的情况是较为简单的。在一定条件下,潮汐摩擦力可以造成更复杂的稳定条件。例如,近八十年来,人们一直认为水星(离太阳最近的行星,受太阳引力的影响最强烈)也象月球以一面朝向地球一样,总是以一面对着太阳。实际上人们已经发现,在水星的情况下,摩擦效应能造成周期为58天的稳定自转,这刚好是水星绕太阳公转周期——88天——的三分之二。

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26 在月球上发现的“质集”现象是怎么一回事?

  只要能够假设宇宙间所有各个物体的质量都集中在一点,牛顿的万有引力定律就可以用十分简单的公式表达出来。如果物体是在很远的地方,我们就可以作这种假设。但是,物体彼此离得越近,就越需要把质量是分布在一个大区域里这一点考虑进去。

  即使在这种情况下,只要能保证如下两点,结果也还是很简单的:(1)物体是一个圆球;(2)它的密度沿半径方向对称分布。所谓“沿半径方向对称分布”,是指这样的情况:如果物体在中心上密度很大,而在离开中心时密度变得越来越小,那么,无论我们从中心点沿哪一条半径向外走,它的密度都以同样方式减小。即使密度有什么突变,也没有什么关系,只要这种变化在从中心向各个方向走时都同样发生就行。

  所有天体,只要它们足够大,就几乎都满足这两个条件。它们在形状上一般都很接近于球体,密度也差不多总是沿半径对称的;当然,在天体彼此相隔十分近的时候,应该允许出现一定的偏差。在研究月球和地球间的引力效应时,就要考虑到地球不是个正球体,它在赤道区域内有些隆起。隆起部分的多余物质产生了自己的微小的引力效应,这是必须考虑进去的。

  二十世纪六十年代,美国把几只空间容器(“月球轨道探测”)发射到围绕月球运行的轨道。由于详细地掌握了月球的大小和形状,火箭专家相信自己能够精确地计算出这些容器环绕月球的速度该有多大。然而,使他们惊讶的是,他们发现这些空间容器在轨道的某些地方走得太快了一点。

  人们对这些轨道进行了详细研究,结果发现,空间容器在飞越月球上广大的叫做“海”的地区——这是一些平坦的地区,几乎没有火山——时,速度会稍稍变快一些,这只能是由于月球的密度沿半径并不十分对称而造成的。在这些“海”中,一定存在着太多的质量,所以产生了事先没有预料到的附加引力效应。于是,天文学家开始谈起“质量集中”,或者简称为“质集”的现象来了。

  质集是什么原因造成的呢?

  现在有两种理论。有些天文学家认为,这些平原地区是由极大的陨石在月球上碰撞出来的特大号环形山,这些陨石可能埋入地下,至今仍在那里。它们的主要成分可能是铁,比普通月面物质的比重要大得多,因此会呈现出质量高度集中的异常现象。

  第二种理论认为,在月球的早期,月面上的“海”真的是海洋。在海水被蒸发到星际空间之前,海底积聚了厚厚的沉积物,这些物质现在还在那里,造成了多余质量的集中。

  将来进一步对月球进行探索,准会确定出这两种理论是否有一个是正确的,以及是哪一个是正确的。一旦知道了真情,它又会再告诉人们许许多多关于月球(以及地球)的早期历史。

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 楼主| 发表于 2007-07-19 15:02 | 显示全部楼层
27 人们已经先后六次登上月球,在那里都发现了些什么呢?

  从某种角度来看,由于人们已做的工作毕竟有限,因此不应对这几次月球探险抱有过多的指望。我们已做到的,充其量只是在相当于南北美洲总面积那样大的月球上,从相距很远的六个地点挖得了一些月面物质而已。宇航员每次来至月面上,都会有一些惊人的发现,但是,这离解答月球之谜可以说还相隔十万八千里呢!

  何况,天文学家和地质学家也只不过刚刚着手工作。对月球上岩石的研究需要进行好几年。这一课题可能会有很大的用处,因为在这些岩石中,有一些是在太阳系开始存在的最初几亿年里生成的,它们已有四十亿岁上下了。在地球上,迄今仍没有找到这种早期生成、并且无变化地保留了下来的物质。

  由于人们对月面物质化学成分进行研究的结果,有一点已经很清楚了,这就是:月球上各种元素的分布与地球上有显著的不同。同地球相比,月面岩石中那些倾向于形成低熔点化合物的元素——如氢、碳、钠、铅等等——的含量很少;而生成高熔点化合物的元素——如锆、钛和各种稀土金属——在月壳中的含量则比地球多。

  用推理的方法对这一现象进行解释时,我们可以假设月球表面曾有过很高的温度,而且这一高温时期相当长,以致低熔点化合物大部分蒸发散逸掉了,高熔点成分则原封不动地留了下来。由于在月球上发现大量的玻璃状物质——这似乎表明月面大部分曾熔化过,后来又重新凝固起来——这种推论就得到了进一步的支持。

  但是,这些热量是从哪里来的呢?可能来自早期大陨石对月球的撞击,也可能来自火山的大喷发。如果热源是这两者,熔凝效应会是区域性的。但是,到目前为止,人们得到的证据表明这一现象在月球上是普遍存在的。

  也许,这一效应的产生是由于太阳曾有过一段很长的高热时期。如果真是这样,地球过去也会处于同样的高温之中。尽管地球与月球不同,有大气层和海洋保护着它,但也应该能在地球上找到这一高热时期的证据。目前尚未发现这种证据,不过,这可能是由于地球上没有一块岩石能从太阳系历史的最初几亿年就一直无变化地保存下来的缘故。

  第三种可能性是月球曾一度比现在离太阳近得多。起先,它可能是具有狭长椭圆轨道的行星,轨道的一端离太阳就象水星离太阳那样近。这时,月球表面就会受到太阳的强烈焙灼。

  在轨道的另一端,它可能离地球的轨道比较近。在过去的某个时候,也许就在十亿年前,这种状况使得它被地球俘获过来,因而把它从行星变成了卫星。

  不管是什么原因,月球的这种被烘烤过的表面有一点使人们很失望:它增大了在月球表层几公里深度内不会有水分存在的可能性,这意味着在月球上建立移民点要比有水源时困难得多。

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28 火星上有生命吗?

  说真的,对这个问题,我们现在还回答不出来,除非科学家登上火星并进行研究,否则,我们可能永远不会知道。  不过,根据目前我们所掌握的知识来看,火星上是有希望存在生命的。诚然,火星探测器“水手九号”从火星上方1600公里的位置上,对火星的所有区域进行了观察,并没有发现什么生命迹象。但是,如果用同样的方法,在同样的高度向地球窥探,也同样不会发现地球上的生命迹象。

  火星的大气十分稀薄,只有地球上大气密度的百分之一,而且,它的成分几乎都是二氧化碳。还有,火星离开太阳的距离是地球的一倍半,那里的温度会象地球南极洲地区夜间的温度那样低。而在它的两极地带,低温会使二氧化碳冻结成为固体。

  如果没有特殊的保护措施,人类是无法在这种环境里生存的。事实上,地球上的任何动物都无法在那里生存。到火星上去的“地球人”只能在室内或地下洞穴里生活,然而,这是不是就意味着火星上不存在能适应火星条件的高级生命形态呢?应该说,存在的机会是很小的,但不能完全排除。

  那么,简单的生命形态——象地衣一类的植物和细菌类的微生物——会不会存在呢?它们存在的机会要大得多,或许,火星上的环境对它们还是相当不错的哩。大家知道,过去人们曾希望月球上有可能存在着简单的生命形态,这种希望现在正在逐渐破灭,但火星上的条件要比月球上好得多。火星离开太阳比月亮离太阳远,又有一层可以起一些保护作用的大气,因此,火星所受到的会把形成生命所必须的复杂分子破坏掉的强烈太阳辐射会少一些。

  还有,由于火星比月球冷,又比月球大,它就更能成功地把造成生命起源的挥发性物质保留下来。火星上有丰富的二氧化碳,肯定还含有水分。有了这些东西,生命就能够形成,既然地球上有某些十分简单的生命形态可以在类似火星的条件下继续生存下去,那么,从一开始就适应于火星上的条件的生命形态,就更应当如此了。

  “水手九号”所拍摄的照片表明,火星上的条件不一定总象目前那样严酷:火星上有火山地带,有一座大火山叫尼克斯·奥林匹亚,这座山的直径比地球上的任何一座火山都要大上两倍。这表明火星从地质学上说是一个活跃的世界,它正处在变化之中。

  火星上有一些曲折的线条,大家都觉得这些东西看起来像是河道,有的天文学家甚至认为,这些线条的外表就能说明,不久以前(从地质学上说),这里有水流过。还有一点,火星两极的冰冠看起来似乎有周期性的消长变化。

  可能火星会交替着经历两种状态。一种是漫长的冬天,这时候,大部分大气都冻结了,只剩下极其稀薄的一点儿(目前正是如此);另一种是漫长的夏季,这时候,全部大气都将化为气体,大气层会跟地球的一样稠密。

  也许,火星上的生命目前正在火星的土壤里休眠,一到长夏来临,大气浓厚起来,水也流动起来时,那里的生命就会比我们目前所想象的更加欣欣向荣地生长起来。

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29 如果火星上存在着简单生命,是否真正值得跑这么远的路去看上一趟?

  对这个问题,科学家会毫不迟疑地用最大的嗓门回答:“那还用说!”

  地球上所有的生命形态,都毫无例外地是在蛋白质和核酸的巨大分子的基础上形成的。它们全都借助于同一类化学反应,起控制作用的也是同一类的酶。地球上的所有生命,都是由一条线上发展下来的各个变种。

  如果火星上有生命,无论它们是何等的简单,都有可能是另一条线上的一系列变种。这一来,我们一下子就把生命的种类扩大了两倍(碧声注:疑此处有错,当为扩大一倍、达到原来的两倍),还有可能立刻获得对生命本质的更为根本的了解。

  即使火星上的生命被证明是建立在与地球上相同的那一条线上,在细微之处也会存在着有趣的不同。比如说,地球上所有的蛋白质分子都是氨基酸构成的,所有的氨基酸(除一种外)都可以是左旋的,或右旋的。在所有与生命无关的现象中,这两类氨基酸都是同样稳定的,也以同样的数量存在着。

  然而,在地球上的蛋白质中,所有的氨基酸,除了最无关紧要的最稀少的例外几种,都是左旋的。这就是说,蛋白质分子能够形成纯净的一串;而如果有些氨基酸是左旋的,另一些是右旋的,那就不可能形成这种纯净的蛋白质。然而,如果这一串都是由右旋氨基酸所组成,那也同样是纯净的。

  那么,为什么生命出现在左旋系统中,而不出现在右旋系统中呢?这是不是纯属偶然呢?地球上的第一息生命是偶然地成为左旋物体的呢,还是由于这里面有什么本质上的不对称性,使得左旋系统成为必然呢?火星上的生命有可能解答这个问题,以及其它类似的问题。

  就算火星上的生命确实和地球上的生命属于同一条线,在各个细节上也相同,单凭能知道这一点,去火星走一走也是值得的。这个事实本身就是有意思的证据。它表明地球上所存在的这些生命,可能是任何一颗行星——哪怕它们与地球很少有相似之点——所能具有的唯一生命形态。

  除此之外,从生物化学的角度来看,如果火星生命也和地球生命一样,是以碳元素为基础的,它们的生命物质的分子结构可能比世世代代生长在地球这个环境更适宜之处的任何生命都原始得多。如果是这样,火星就成了一座实验室,我们在那里可以观察到(可能)曾经在地球上存在过的生命的雏形。我们甚至可以用它们来做实验——在地球上,我们也可以这样做,但会多花掉许多时间——以探索潜藏在复杂的地球生命内部的基本真理。

  纵然火星上根本就不存在生命,在那里的土壤中,也很可能存在着有机物的分子。它们虽然并没有生命,但却可能正在向生命之路迈进。它们可能会说明在地球上出现第一个足够复杂的、可以被称为是生命的东西之前,地球所经历过的所谓“化学进化”这一阶段的本质。

  无论我们对于火星生命能了解到什么,都非常有可能帮助我们对地球上的生命有更为清楚的理解(就像学了拉丁语和法语,会有助于使我们对英语了解得更清楚些一样)。肯定地说,如果我们去火星是为了比在地球上更多地了解地球本身的话,这就足以使我们尽力去这样做了。

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30 海洋是什么时候形成的?又是怎样形成的?

  二十世纪初,人们曾认为地球和其他行星是由太阳所抛出的物质生成的。在人们的想象中,地球是逐渐冷却下来的,从白热到红热,再到一般的温度,最后降到水的沸点。当它冷却到一定程度时,地球那炽热的大气层中的水分就开始凝结起来,于是开始下雨了——下了又下,接着还是下。滚开的大雨降到滚烫的地面上,嘶嘶响着,向四处迸溅,这种令人难以置信的雨下了许多许多年,我们这个星球的高低不平的地面终于冷却得可以容纳这些雨水了,这就出现了海洋。

  这种说法戏剧性十足,然而却几乎完全是错的。

  现在,科学家相信,地球和其他行星不是由太阳生成的,而是在太阳自身开始生成那个时期内,由物质微粒聚集而成的。地球从来没有达到太阳那样的温度。但是,由于形成地球的这些微粒互相撞击的能量,它会达到相当高的温度。这个温度足以使得原先所有的大气和水蒸汽跑掉,因为地球的相对小的质量无法把它们留住。

  换句话说,新生成的地球是个固体块,既没有大气,也没有海洋。那么,大气和海洋又从何而来呢?

  在构成地球的岩石物质中,会有水分(还有气体)与岩石松散地结合在一起。在地球重力的作用下,这些岩石越来越紧密地重叠在一起,温度也越来越高,于是,水蒸汽和气体就从岩石中嘶嘶地被赶了出来。

  这些气泡不断生成、汇集,使新生的地球发生大量的地震。逃逸的热量造成猛烈的火山喷发。在数不清的年月里,水不是从天而降,反过来,倒是从地壳里呼啸而出,然后冷凝下来。海洋不是从上方,而是从下部生成的。

  现在,地质学家还有争论的问题,主要是海洋生成的速度有多大。水蒸汽是不是在十亿年或更短的时间里就全部跑了出来,因此,海洋从开始有生命以来就是现在这个样子呢?或者,这个过程进行得十分缓慢,因而海洋在各个地质年代一直在扩展,直到现在也仍在扩展?

  那些认为海洋早已形成,并且它的大小长久以来一直是稳定的人们指出:陆地的大小一直是目前的样子,它们在过去——即假设海洋比现在小得多的年代——也似乎并不比现在大多少。

  与此相反,那些坚持海洋一直在增长的人们则指出,即使到了现在,火山在喷发时也仍然把大量的水蒸汽散布到空气中来,这些水蒸汽不是来自海洋,而是来自深处的岩石。此外,在太平洋里有一些平顶的海底山峦,它们的顶部原先可能和海面一样高,现在却在海面以下三百米处了。

  还有一种折衷的看法认为,海洋一直在持续增长,但是,由于水量不断增加,它的重量把海洋的底部压了下去。简单地说,海洋越长越深,而不是越长越宽。这种说法既可以解释海底山峦的下降,又能说明大陆并没有改变。

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31 海洋是不是越变越咸?它们会不会变得咸到把所有生物都给咸死?

  地球上存在着水的循环。每年大约有12.5万立方公里的水从海洋表面蒸发掉。这些水会以雨的方式落下来。再以各种方式回到海洋里。

  循环的这两个分支——蒸发和回降——在一个方面是不平衡的:在海水的各种成分中,只有水本身能够蒸发掉,所以,雨水几乎是纯净的水。然而,降回地球的雨水先是降到陆地上,它们从土地上流过,从中带走了一些可溶性物质,一直带到大海。以河水为例,它会含有万分之一的盐。这是尝不出来的,但已是足够重要的了。

  这样,海洋似乎会不断地从陆地上得到微量的盐类和其他化学物质,但在蒸发过程中却根本不会把它们丢失掉。我们有理由认为,海洋一定是在变得越来越咸,当然,这是很慢的过程,但是在经历过上百万年的地质年代后,积累起来的盐就很可观了,比方说,现在的海洋中确实就含有3.5%的可溶性物质,其中大部分是食盐。

  河水也会将盐类带入内陆湖泊,这些湖泊与海洋不相通。在这里,可溶性物质也象在海洋中一样地积聚起来。如果湖泊位于炎热地带,平均蒸发率比海洋还高的话,可溶性物质就积聚得更快。结果,这些湖泊会变得比海洋还要咸。位于以色列和约旦边境的死海含有25%的溶解物。那里的水是如此的咸,以致一切生命都不能在里面生存。

  海洋是不是也不可避免地面临着这种没有生命的结局呢?
 
 如果没有什么能减少海洋中含盐成分的过程,结果可能就会如此。不过,这类过程是存在的。比如,狂风巨浪会把海水卷到陆地上,溶解的盐类也随着海水上岸,散布在陆地上。

  更为重要的是,当有些溶解物质达到一定的浓度以后,就会互相结合成不溶性化合物,沉入海洋的底部:还有一些物质,虽然本身不是不溶性的,却能与海底的物质结合起来。还有,一些物质能够被海洋生物的细胞所摄取。

  这样,现在海洋中含有的可溶性物质就远远少于过去几十亿年里被河流携带进来的物质。而在另一方面,海洋的底部还有很丰富的各种物质,比如,在海底分布着大量各种金属结核,它们一定都来自陆地。

  此外,随着年代的变迁,海洋的浅湾地带有可能由于地壳的升高而与海洋隔断。这一部分的水逐渐蒸发掉,留下大量的溶解物质,于是,它们又回归到陆地上。岩盐矿——从这里可以得到大量食盐以及少量其他物质——就是这类干涸掉的小块海洋的残迹。

  那么,总的结果是什么呢?归根结底,在长远的历程中,海洋是在一点点地咸起来呢?还是在渐渐变得淡些呢?或者它是有时向这方面发展,有时又向另一方面变化,而总的说来又保持平衡呢?对于这个问题,地质学家现在还不能肯定。

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32 海洋里真的有金子吗?

  当然有的,为什么不呢?

  雨水在不断从陆地向大海汇流的过程中,会把它所遇到的所有物质都溶解掉一些。所溶解的物质总量不大。其中有一些物质比另一些物质难于溶解,这些溶解物进入海洋后,有一些沉降到了海底。

  然而,自海洋出现后的几十亿年里,已经有很多很多的溶解物质被倾倒进大海。因此,每一种元素都以化合物的形式在海水中大量存在着,并和海中的水分子混合在一起。

  海水中约有3.25%是溶解了的固态物质。海水共有13.6亿立方公里,总重量达一百五十亿亿吨。如果把所有的固体物质从其中分离出来,会有五亿亿(50,000,
000,000,000,000)吨。当然,这里面有四分之三是食盐,但在其余的四分之一中,每样东西都有一些。

  例如,这里存在着许多镁化合物,足以从中获得一千九百万亿(1,900,000,000,000,000)吨金属镁。海洋中的这一储备足以满足我们相当长期的需要、特别是因为我们提取出来应用的东西,最终又都会被冲洗到海水中去。

  不过,海洋中的镁并不象陆地上那样以富含镁的矿藏的形式不均匀地分布在海洋各处,它是均匀地散布在整个海洋里的。这就是说,即使提取的效率达到百分之百,从一立方米海水中也只能得到一公斤镁。从海水中经济地提取镁的方法已被发现了,现在,人们正很合算地从海水中按自己的需要来取得它。

  另一种以可观的数量存在于海水中的元素是溴(这是氯的一门亲戚,不过不象氯那么普遍)。从海洋里溶解的溴化物中,可以提取出一百万亿(100,000,000,000,000)吨溴。这差不多是镁含量的二十分之一,所以,要从二十吨的海水——大约二十立方米——才能得到一公斤溴(以百分之百的效率)。这样做也是有利可图的,而海洋也正是世界上溴的主要来源。

  氯和溴的第三门亲属是碘。它比前两者更为稀少,在整个世界上是这样,在海洋里也是如此——它在海水中的含量还不及溴含量的千分之一,其总数达八百六十亿吨。这个数字听起来仍显得不小,但这意味着在两万多立方米海水中才有一公斤碘。这一含量太低了,无法以合算的方法直接提取。幸而,海藻类植物替我们做了这件工作,从海藻的灰里;就能便宜地得到相当数量的碘。

  海水也给我们带来了黄金。海水中的黄金总量大约在六百万吨到一千二百万吨之间。如果我们在这段文字的开始就把这个数字告诉大家,那它听起来会显得挺多。至少有六百万吨呢!而且还可能是它的两倍,可不得了!

  但是,现在我们可以懂得这个数字并不很大。既然要从二百到四百立方公里海水里才能捞到一公斤黄金,那么,为了得到一公斤黄金所要付出的费用会远远超过一公斤黄金的价格。所以,黄金还是被人们留在海里了。

阿西莫夫《你知道吗?--现代科学中的一百个问题》
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 楼主| 发表于 2007-07-19 15:03 | 显示全部楼层
33 如果冰冠融化了,将会发生什么情况?

  地球的陆地上承载着近3,800万立方公里冰(约有百分之八十五在南极洲)。由于水比冰的密度大些,这些冰融化以后,会变成大约3,400万立方公里的水。

  自然,如果这些冰融化了,它们大部分会从陆地流到大海。海洋总表面积是3.62亿平方公里。如果海洋的面积不变。这3,400万立方公里融化了的冰将会均匀地铺盖在海洋上,这就是说,海平面会升高约100米。

  不过,海洋的表面积不是一个不变的数字。如果海平面上涨的话,海水会沿着海岸上的低平地势漫过来,占领成百万平方公里的陆地。这意味着海洋面积会增大,而新的水层不会有原来那么厚。而且,新增加的重量会把海洋的底面压下去一些。然而,即使是这样,海平面仍可能会上升六、七十米,这足以漫到纽约帝国大厦的第二十层,同时把地球上人口最密集的地区淹没。

  在地质史上,陆地上的积冰曾有过很大的变化。在冰河时期的鼎盛阶段,高达千百米的冰川曾向前推进,而覆盖了成百万平方公里的土地,海平面则大大下降,使目前的大陆架地区都见了天日,成为干燥的地面。

  另一方面,当陆地上的积冰融化殆尽的时候——融化过程每次持续千百万年——海平面就升高了,这时陆地的面积就缩小了。

  这两种局面都未必是什么灾难。在冰河盛期,千百万平方公里的土地被冰所覆盖,使陆上生物无法生存。而另一方面,千百万平方公里的大陆架露了出未,成了可居住的地方。

  反过来说,当冰消融后,千百万平方公里的土地会被水淹没,使陆上生物无法生存;而在另一方面,由于不再有冰,又由于陆地面积的减小使陆地上的气候更为稳定,沙漠也减少了。因此,在剩下的陆地上,可供生活的土地的百分比也增加了。至于海洋的体积变化,相对来说是很小的(至多为百分之六或百分之七),所以,海洋生命不会受到多大的影响)。

  如果海面的升降过程是在几千年或几万年内发生的——过去一直就是这样的——人类是能够应付这种变化的。然而,麻烦有可能出在这里:人类的工业技术活动一直在把灰尘和二氧化碳吐到大气中去。灰尘会挡住一部分太阳辐射,使地球降温;而二氧化碳却会把热量留下来,使地球变暖。在这两种效应中,如果有一种在未来的时间里大大占了上风,地球的温度就有可能相对迅速地上升或下降。那样,或许大陆上将出现冰川、或许冰冠会融化入海。这两者都可能在一百年左右发生。

  因此,造成灾难的将是变化的迅速程度,而不是变化本身。

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 楼主| 发表于 2007-07-19 15:04 | 显示全部楼层
34 供我们呼吸的空气是从哪里来的?

  据天文学家推测,行星是由一些巨大的气体和尘埃旋转形成的,而构成这些气尘云的各种元素,其比例一般等于它们在宇宙中通常占有的百分比。行星中约有百分之九十的原子是氢,还有百分之九是氦,剩下的则包括其他所有元素——主要是氖、氧、碳、氮、氩、硫、硅、镁、铁和铝。

  地球的固态球体本身是各种岩石的混合物,由通过化学力结合成紧密分子的镁、铁、铝的硅酸盐和硫化物所组成。多余的铁则慢慢地沉到岩层下面,形成炽热的金属核心。

  当地球的这些固体成分聚拢在一起时,也会捕集到一些气态物质,这些气体会存在于固体微粒之间,或者与固体形成松散的化学结合。这些气体中有氮、氖、氩的原子——它们不与其他元素化合。此外还有氢原子。氢或自己成对地结合成氢分子(H2),或与其他原子化合。它能与氧化合生成水(H2O),与氮化合生成氨(NH3),或与碳化合生成甲烷(CH4)。

  随着构成地球的物质的不断堆积,压力就会越来越大,火山喷发也会越来越猛烈,这些气体就会被挤压出来。氢、氦和氖的分子由于太轻,地球留不住,就迅速地逃逸掉了。剩下来的就组成了大气。它们是水蒸汽、氨、甲烷,再加上一点儿氖。水蒸汽的大部分(不是全部)冷凝下来,就形成了海洋。

  木星和土星等行星所具有的也是这种大气,不过,由于它们的质量相当大,能够把氢、氦和氖保留下来。

  但是,内行星的大气层已开始进入化学进化阶段了。来自离得很近的太阳的紫外线,把水蒸汽的分子破坏成氢和氧的分子。氢逃逸掉了,而氧却留了下来。它们越聚越多,并且与氨和甲烷发生化合。氧与氨化合时,生成氮和水;氧与甲烷化合时,生成二氧化碳和水。渐渐地,内行星大气层的成分就从氨加甲烷变成了氮加二氧化碳。今天,火星和金星仍然具有这种氮加二氧化碳的大气层、地球在几十亿年前开始出现生命的时候,一定也是有这种大气层的。

  而且,这种大气是稳定的。它一旦形成,总有一部分当紫外线分解水蒸汽时生成的自由氧(其分子式为O2,由两个氧原子组成)积聚起来。紫外线还会进一步把这种氧变为臭氧(其分子式为O3,由三个氧原子组成)。臭氧会吸收紫外线,并把它截住,使它几乎不能穿过臭氧层进入上层大气层去分解下层的水分子,因此,大气层的化学进化即告终止——直到后来又出现了新情况时为止。

  在地球上,这种新情况已经出现过了。在偶然的情况下,有一些生命萌发了,它们能利用可见光来分解水分子。臭氧层并不阻挡可见光的通过,因此,上述过程(即光合作用)会无限地进行下去。在光合作用下,二氧化碳被吸收,而氧气则被释放出来。这大概是五亿年前开始的。从那时候起,大气层就被转变为今天这种氮气加氧气的结构。

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 楼主| 发表于 2007-07-19 15:04 | 显示全部楼层
35 什么是温室效应?

  当提到某种物体是“透明的”时,我们是说透过它能看到东西,而并不一定是说所有的光都能穿过这个物体。比如说,我们可以透过红玻璃看东西,因此它是透明的,但是,蓝光并不能穿过它,一般的玻璃对各种颜色的光都是透明的,但是,它对紫外线和红外线就很不透明。

  设想在阳光下有一幢玻璃房子。太阳光中的可见光部分都透过了玻璃,并被这幢房屋里的东西所吸收掉。房间里的物体因此而变暖,正象它们在户外受到阳光的直接照射下会变暖一样。

  因阳光而变暖的物体又会以辐射的形式把这些热量送出去。不过,这些物体的温度并没有太阳那样高。所以,它们并不发出能量很高的可见光,而是发出能量弱得多的红外线。经过一段时间后,它们以红外线形式辐射出去的能量,就会等于它们以可见光形式吸收进来的能量。这时,温度就不再变化(当然,这些物体这时要比太阳不照射它们时热一些)。

  处于露天环境中的物体在给出自己的红外辐射时不会有什么困难。但是,在玻璃屋子里受阳光照射的物体的处境大不相同。在它们所释放的红外辐射中,只有很少一部分会透过玻璃散发出去,大部分则被反射回来。结果,能量便在里面积聚起来。这样,室内物体的温度就会比室外物体的温度高出不少来。室内温度要高到能有足够多的红外辐射经过玻璃透射出去,以达到平衡状态为止。

  正因为如此,植物能在户外温度足以把它们冻死的季节中在玻璃房屋里生长。这种效应使玻璃房屋得名为“温室”。这种由于玻璃对可见光十分透明、而对红外线很不透明的事实而得到多余热量的效应,则称为“温室效应”。

  我们的大气层几乎完全是由氧气、氮气和氖气组成的。这些气体对于可见光和地球表面变暖时所释放出的红外辐射都是十分透明的。但是,大气里还含有0.03%的二氧化碳,它对可见光是透明的,但是对于红外线却不怎么透明。大气中二氧化碳的作用正象温室的玻璃一样。

  由于二氧化碳在大气层中的含量很少,相对地说,温室效应是次要的。不过,这已经使得地球比根本没有二氧化碳时要热了一点了。而且,如果大气层中的二氧化碳含量翻上一番,温室效应就会增强,地球会再暖上几度。这就足以使两极的冰冠逐渐融化。

  金星就是具有巨大温室效应的例子。它的厚厚的大气层似乎大部分是二氧化碳。由于金星比地球离大阳近,天文学家倒是预料到它的温度会比地球高。但是,由于原来不晓得金星大气层的成分,他们没有考虑到温室效应的附加效果。因此,当他们发现金星表面的温度竟远远超过水的沸点(这比他们的预料要高出上百度)时,真是十分惊讶。

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 楼主| 发表于 2007-07-19 15:04 | 显示全部楼层
36 行星探测器在飞越行星上空后会怎样?它们会飞到哪里去?

  美国和苏联所发射的卫星,绝大多数被送到了环绕地球的轨道上。

  当然,卫星的轨道有可能与地球表面相交。这样,它在转了一圈之后,就又回到了地球上。向水星进发的头两次飞行就属于这一类型。有时,卫星的轨道围绕地球绕一个很大的圈子,它可以超越过月球的位置。给月球“背面”拍摄照片的“月球三号”就是这样的一个。

  如果卫星以超过每秒11.2公里的速度向上发射,地球的引力场就无法留住它。这时,它将进入围绕太阳运行的独立轨道——太阳的引力场要比地球的引力场强大,它能系
留住运动速度更大的物体。这种环绕太阳的轨道,有时会与某个天体相交。撞到月球上(当然是有意这样做)的“流浪者七号”、“流浪者八号”和“流浪者九号”正属于这种情况。

  绕太阳飞行的卫星,如果不与任何天体相遇,它们就会在椭圆的轨道上无限地飞行下去。各种各样的“月球探测器”和“行星探测器”都是如此。

  对于围绕太阳运行的探测器,可以预先计算好它们的轨道,使它们在运转第一圈时就接近月球(如“先驱者四号”)、金星(如“水手二号”)或火星(如“水手四号”)。在接
近过程中,探测器会把有关自己所靠近的星体及它周围的空间的情报发送给地球。接着,探测器会撇下这些天体,继续绕着太阳运行。

  如果探测器不受它所飞越的行星引力场的影响,它最终将回到发射时在空间的位置(不过地球在同一时期内已经沿着自己的轨道走开,不再呆在原来的位置了)。

  如果探测器受到它所穿越的行星引力场的影响,那么,在这个引力的牵制下,探测器会进入一条新轨道。事实上,每当探测器十分靠近某个大质量物体时,轨道就会有所变化。因此,人们不可能精确地预料到某个探测器在绕太阳转过一、两周后,会处在什么轨道上。表达这种运动的方程组太复杂了,根本无法求解。

  当然,如果探测器能不断发出信号,我们就能够追踪出它的轨道——特别是当它离地球较近时。

  但是,一旦探测器中的电池用竭,航天器即告失踪:它们无法发出信号,而且又小得观测不到;所有的探测器最终都会失踪,这是我们早已料到的事情。

  不过,它们还将绕着太阳运行,大概还会处在原来的空间区域内。它们不会长途跋涉去漫游其它行星。既然我们接收不到它们的信号,它们就成了没有用处的东西,可以被人们当作“星际垃圾”而从名单中划去。如果它将来在围绕太阳运转时不撞到地球、月球、火星或金星的话,大概会永远在自己的轨道上转下去。

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37 地球将会有怎样的归宿?

  第一个试图不靠神学去详细研究地球的历史(即它的过去及可能会有的未来)的人,是苏格兰的地质学家赫顿。他在1785年发表了第一本现代地质学著作,他在书中承认自己在研究地球本身的过程中,并没有能够看出它有开始和终结的迹象。

  从那时以来,我们已经迈进了一大步。我们现在可以相当确定地说,地球目前的这种形态大约是在四十七亿年前就已经获得了的。大约就在那个时期,从形成太阳系的原始星云的尘埃和气体产生了我们今天所知道的地球。地球一旦形成,那么,如果听任它作为表面覆盖着一层水和空气的金属和岩石的集合体存在的话,它就会这样存在下去,而且,据我们所知,还会永远这样存在下去。

  但是,是否会有什么外来的因素对它进行干扰呢?

  离地球最近的、并且有足够大的能量来显著影响地球的天体是太阳。只要太阳能维持目前这种活动水平(它已经处于这种状态达几十亿年了),地球基本上就不会有变化。但是,太阳能把目前的这种状态维持下去吗?如果不能,将会发生什么变化?这种变化又会给地球带来什么影响?

  直到本世纪三十年代之前,人们都觉得太阳也象其他炽热的天体一样,总归是会冷却下去的,它会不断地向空间倾泻能量。由于这样,这种巨大的能流总会枯竭,渐渐地变成涓涓细流。随着这种情况的发生,太阳也会冷却成橙色,再变成红色,光度也越来越昏暗,最后终于熄灭。

  与此同时,地球也会缓慢地冷却下来。越来越多的水将冻结起来,两极地区也会扩展出去,最后,就连赤道地区都会缺少足以维持生命的热量了。整个海洋将冻结成一块坚冰;空气也会液化,随后还会冻结成固体。在此以后,冰冻了的地球(还有它那些行星伙伴)还会绕着死去的太阳运转数不清的年头。

  不过,即使真的是如此,地球还是会做为太阳的行星而存在着。

  但是,到了三十年代,核物理学家第一次揣摩出在太阳和其他恒星中所发生的核反应。他们发现,尽管太阳总有一天会冷下来,但在这之前,还要有温度极高的时期。一旦大部分氢燃料消耗殆尽,其他核反应就会发生,使太阳变热,并使它大大膨胀起来。总的来说,太阳发出的热量是比以前多了,但在它那变得很巨大的表面上,每一块地方所发生的热量却会减少。因此,它会变得冷一些。这时太阳就变成了一颗红巨星。

  在这种情况下,地球有可能先被焙成灰烬,最后又会挥发掉。这时,地球做为一颗固体行星的历史就算到了头。可是,我们对这一点倒不必过分担忧,这大概是八十亿年以后的事情了。

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38 什么是理论物理学家?他们都干些什么?

  物理学家主要研究各种形式的能量,同时还研究能量与物质的相互作用。物理学家对于支配运动的各种定律是很感兴趣的,因为任何运动的物质都具有“动能”。他对热、声、光、电、磁以及放射性都会感到兴趣,因为这些都是能量的存在形式。到了二十世纪,连质量看来都明显地是能量的一种形式了。

  物理学家还对能量从一种形式转变为另一种形式的方式,以及控制这类转化的规律感兴趣。

  自然,物理学家可以有所侧重。如果有人对于能量和亚原子粒子的相互作用特别感兴趣,他就是一位“核物理学家”(原子核是原子中的主要结构)。如果他对恒星中能量和物质的相互作用感兴趣,他就是一位“天体物理学家”。

  同样地,对化学反应中有关能量的问题特别感兴趣的人是“物理化学家”。而主要关心生命组织使用和产生能量的方式的人,则是“生物物理学家”。

  有的物理学家会致力于在特定条件下进行精确的测量。或许,他打算测定在某些化学反应中所释放出来的热量的精确数量;或许,他打算度量某一种亚原子粒于在分裂成其他粒子、并释放出能量时的精确方式;或许,他打算知道大脑的微弱电势在某些药物作用下的精确变化。在这些工作中,他都可以称得上是位“实验物理学家”。

  另一方面,一位物理学家也可能特别有兴趣去仔细钻研早已得到的测量结果,希望从中发现具有普遍意义的思想。或许,他能推导出某些数学关系式来,这些公式能够解释这些测量结果为什么是这样的,而且,如果他找出了这些关系,就能用它们来预言某些还没进行过的测量结果。而一旦进行了这些测量,其结果又和所预言的相一致的话,他很可能就发现了一条被称做“自然法则”的东西。

  试图用这种方法来获得自然法则的物理学家,就是“理论物理学家”。

  有一些物理学家对理论并不特别感兴趣。他们是极有天赋的实验物理学家。曾经发明了干涉仪、并精确地测量了光速的迈克耳孙就是这样的一位。也有人是对实验毫无兴趣的天才的理论物理学家,相对论的发现者爱因斯坦即属此例。(译注:爱因斯坦早年对实验是很感兴趣的)。

  虽然实验物理学家把自己框在测量的圈子里,而理论物理学家又拘泥于数学论证,但这两种人对于科学都是极端宝贵的。不过,人们总还是希望找到一位既是第一流实验家、又是第一流理论家的人物。费米就是这种“双料”物理学家的突出代表(他还是一位杰出的教师,因此,他大概可以说是“三料”的人物了)。

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39 时间是一种幻觉呢,还是确实存在的东西?怎么来描述时间呢?

  首先要指出的一点是,时间是一种心理学方面的事物。这是对时间长度的感觉。你吃过了东西,而过了一会儿,你又感到饥饿了。现在是白天,而过了一会儿,就成了黑夜。

  这种对时间长度的感觉是什么?究竟是什么东西使你意识到某件事情“过了一会儿”才发生?一般说来,这些问题属于思维机理的范畴,是有待今后解决的课题。

  每个人都会意识到,他对时间长度的感觉随环境而变。干一天活,好象要比同好朋友在一起呆一天长得多,听一个小时枯燥的报告,似乎也比打一个钟头扑克显得长。这就是说,我们所提到的“一天”或“一小时”在某些场合下可能要比在其他场合下长一些。不过,这里面有一桩麻烦事:一段时间在某个人看来可能显得长些,在另一个人看来又会显得短些,而对于第三者来说,却既不长也不短。

  要使时间观念对一群人都适用,就一定得找到一种普遍适用的、并不因人而异的衡量方法。如果有一些人商定在“六个星期后”准时会面,那么,靠每人自己觉得六个星期已过,然后来到会面地点,这是没有用的。大家必须全都同意在数过四十二个白天和黑夜后前来践约,而不管每个人心里的时间感到底如何。

  当我们选择好某个客观的物理现象作为代替我们对时间的本能感觉的一种手段时,我们就有了一种可以称之为“时间”的东西。从这种意义上来说,我们一定不要试图把时间定义为某种东西,而只能把它定义为某种度量系统。

  对时间的最早量度涉及到周期性的天文现象:正午(太阳升到最高处)的一再出现,标志着天数;新月的一再出现,标志着月数;春分节气(寒冷季节过后,太阳跨过赤道的一天)的一再重复,标志着年数。把一天划分为相等的小单位,就得到了小时、分和秒。

  然而,在我们设法利用比正午的重复更为迅速的周期性运动之前,这些很小的时间单位是无法精确地测量出来的。等振幅摆和等摆游丝使得十六世纪出现了现代的时间量具。从那时起,对时间的量度才成为精确可信的。现在,对于更精确的时间,我们用原子的振动来量度。

  我们怎样能保证这些周期性现象真的是“均匀的”呢?难道它们不会象人对时间的心理感觉那样也是不可靠的吗?

  有可能。不过,我们可以用几种方法独立地测量时间,并把测量结果加以比较。如果某种方法有显著的不均匀因素,那么,在和其他方法进行比较时,这种不均匀性就会表现出来。如果所有的方法都不均匀,它们也很难是恰巧同样地不均匀。因此,如果各种测量结果十分相近——实际结果也正是如此。我们就只能得出结论说,我们所应用的各种周期性现象从根本上来说都是均匀的。不过不都是完全均匀的,比如,一天的长短就稍有变化。

  物理学所量度的是“物理时间”。各种生物,包括人在内,都参加了周期性活动(如睡眠和清醒),而且,这些活动无需依赖外界的变化(如白天和黑夜)。不过,这种“生物时间”并不象物理时间那样严格。

  此外,当然还存在着一种对时间长度的感觉,或者说“心理时间”。即使看着一只钟,干一天活仍然显得比同好朋友在一起呆一天要长得多。

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