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余曉輝:黑洞、天體演化以及核物理漫談

 昵稱72924878 2020-12-16

傳統(tǒng)的看法認(rèn)為,當(dāng)質(zhì)量比較大的恒星的核燃料耗盡時(shí),在自身巨大的引力作用下,它將塌縮成一個(gè)密度極高的“黑洞”,這樣的“黑洞”具有非常奇特的性質(zhì)。真的存在黑洞嗎?“黑洞”又會(huì)怎么演化呢?宇宙中的“非黑洞”又是怎么來(lái)的呢?

“黑洞”其實(shí)是一個(gè)很無(wú)理的神話!

“黑洞”的神話源自于對(duì)引力的無(wú)知,因?yàn)榇蠹也恢酪烤故鞘裁礀|西,不知道物質(zhì)的結(jié)構(gòu)是否會(huì)影響引力作用。我在此指出,反引力效應(yīng)是可以實(shí)現(xiàn)的,并且是基于引力理論實(shí)現(xiàn)反引力效應(yīng)。雖然這些理論不便在此論述,但是本文指出,系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是會(huì)影響引力作用的。讓我們來(lái)看看考慮了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)引力影響后,天體究竟是怎樣演化的?

在自身引力的作用下,恒星內(nèi)的物質(zhì)會(huì)塌縮靠攏,從而產(chǎn)生核聚變。在此過(guò)程中引力勢(shì)能將轉(zhuǎn)化成核勢(shì)能,并且系統(tǒng)總的質(zhì)量將減小。星體內(nèi)部承受的壓強(qiáng)最大,所以任何星體從外至里,物質(zhì)分布總是按照輕核物質(zhì)向重核物質(zhì)過(guò)渡,當(dāng)然這不是絕對(duì)地線性的,因?yàn)榇嬖谙到y(tǒng)其它能量的漲落,星體系統(tǒng)的物質(zhì)分布并不僅僅取決于引力作用。但是引力作用是影響星體物質(zhì)分布最重要的因素。由于在引力塌縮引發(fā)核聚變過(guò)程中,系統(tǒng)總的質(zhì)量會(huì)減小,所以引力塌縮不會(huì)無(wú)限進(jìn)行,最終會(huì)因?yàn)樾求w的物質(zhì)不斷核聚變而達(dá)到平衡狀態(tài)。

有沒(méi)有證據(jù)支持“核聚變過(guò)程中系統(tǒng)的質(zhì)量會(huì)減小”這一理論呢?當(dāng)然是有的!我們知道,原子核是由質(zhì)子和中子組成的,而中子本質(zhì)上是由質(zhì)子和電子組成的。所以按照傳統(tǒng)的看法,中子的質(zhì)量應(yīng)該和質(zhì)子的質(zhì)量非常接近,甚至可以說(shuō)是相等的。但是分析元素的原子量可以發(fā)現(xiàn),大部分的原子量小于該元素的中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)之和。這是什么原因呢?例如,原子序數(shù)為13的鋁總共有13個(gè)質(zhì)子和14個(gè)中子,而其原子量為26.98154,原子序數(shù)為25的錳總共有25個(gè)質(zhì)子和30個(gè)中子,而其原子量為54.9380。以這兩個(gè)元素?cái)?shù)據(jù)作一下簡(jiǎn)單計(jì)算,用原子序數(shù)減去原子量,不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)原子序增加時(shí),原子量的質(zhì)量虧損也在增加,這是一種普遍的情況。在此我指出,中子數(shù)量增多是質(zhì)量虧損的主要原因。

相對(duì)論認(rèn)為,質(zhì)量和能量之間有所謂的質(zhì)能關(guān)系。通過(guò)上面的分析,很容易發(fā)現(xiàn)相對(duì)論的這個(gè)結(jié)論是錯(cuò)誤的。因?yàn)榘凑障鄬?duì)論理論,當(dāng)核聚變(穩(wěn)定的)吸收能量時(shí),原子質(zhì)量應(yīng)該增加。事實(shí)與相對(duì)論理論恰恰相反。

并不是所有的核聚變都是穩(wěn)定的,有的核聚變是不穩(wěn)定的,反而會(huì)釋放能量而轉(zhuǎn)為核裂變。所以在星體的核聚變過(guò)程中,會(huì)伴隨著核能釋放以及非主流的核裂變現(xiàn)象。但是星體最終將會(huì)結(jié)束核聚變而沉寂。此后該星體又會(huì)怎么演化呢?假如沒(méi)有其它外部因素影響,星體不會(huì)有大的變化。但是由于星體的引力作用,外部其它物質(zhì)會(huì)在漫長(zhǎng)的歲月中不斷被星體俘獲,從而使星體的總質(zhì)量不斷增大,引力作用不斷增強(qiáng),引發(fā)星體繼續(xù)核聚變。

我們所知的某些輕核聚變會(huì)釋放能量,其實(shí)更合理的看法是,這些輕核聚變成不穩(wěn)定的重核,不穩(wěn)定的重核繼發(fā)核裂變,由于輕核聚變中消耗的能量小于不穩(wěn)定的重核裂變產(chǎn)生的能量,所以直觀地看到這種輕核聚變會(huì)有能量釋放。而要這樣的過(guò)程中滿足能量釋放大于吸收,必須在最后形成有更輕的粒子出現(xiàn)(比最初參與核反應(yīng)的某些粒子更輕),因?yàn)橹挥羞@樣才能滿足核勢(shì)能轉(zhuǎn)換特性。核裂變與核聚變往往是相伴相隨的,如同復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)一樣。但是在星體變化的不同階段,有時(shí)核裂變是影響星體變化的主流行為,有時(shí)核聚變是影響星體變化的主流行為。所以即使在引力塌縮期間,由于部分輕核不穩(wěn)定聚變而轉(zhuǎn)為核裂變,可以釋放能量而引發(fā)少量物質(zhì)噴發(fā),但是隨著核聚變逐漸穩(wěn)定,這種噴發(fā)會(huì)越來(lái)越少。

由于核聚變不是永遠(yuǎn)都穩(wěn)定的,當(dāng)星體不斷吸引外部物質(zhì),最終將使核聚變大規(guī)模轉(zhuǎn)為核裂變,從而使星體的塌縮現(xiàn)象轉(zhuǎn)為爆發(fā),構(gòu)成新的星系或恒星系統(tǒng),這是一個(gè)周而復(fù)始的過(guò)程,是需要漫長(zhǎng)時(shí)間作用的。

在星體循環(huán)演化過(guò)程中,引力勢(shì)能以及物質(zhì)攜帶的其它任何形式的勢(shì)能都可以通過(guò)核聚變而轉(zhuǎn)化為核勢(shì)能,而星體爆發(fā)時(shí)核勢(shì)能又轉(zhuǎn)化為動(dòng)勢(shì)能和光勢(shì)能、熱勢(shì)能、引力勢(shì)能等各種形式的勢(shì)能。能量和物質(zhì)在星體的演化過(guò)程中都是往復(fù)循環(huán)的。

按照上面的簡(jiǎn)單分析,我們不難理解為什么物質(zhì)中的核子以及原子序數(shù)是數(shù)字化的,這是因?yàn)楹司圩兒秃肆炎兪切纬晌镔|(zhì)的唯一途徑。地球環(huán)境與大質(zhì)量的天體不同,即使這樣也能在地球上合成人工元素。不難想象,在大質(zhì)量星體條件下可能會(huì)合成超重核元素,并且在星球內(nèi)部極高的壓強(qiáng)條件下是有可能形成穩(wěn)定的超重核元素的,但最終將轉(zhuǎn)而變?yōu)楹肆炎儯偈剐求w爆發(fā)。由于大規(guī)模核裂變時(shí)星體系統(tǒng)質(zhì)量迅速增加,系統(tǒng)引力作用增強(qiáng),從而形成正反饋效應(yīng),加速了核裂變爆發(fā)過(guò)程。


星體大規(guī)模核裂變爆發(fā)時(shí)的質(zhì)量取決于引力塌縮初始質(zhì)量以及外來(lái)質(zhì)量。

從現(xiàn)象來(lái)看,太陽(yáng)正處于引力塌縮期,地球或許是早期核裂變噴發(fā)的太陽(yáng)邊緣殘?bào)w。即使在引力塌縮期,依然存在小規(guī)模的周期振蕩現(xiàn)象,即小規(guī)模的噴發(fā)以及緩慢地塌縮,這是必然的,因?yàn)榇笠?guī)模的核聚變中還伴隨有小規(guī)模的核裂變。所以,用“核燃料耗盡而引力塌縮”這樣的概念并不準(zhǔn)確,核能的釋放正來(lái)自于引力塌縮激發(fā)的核聚變所伴隨的核裂變。

設(shè)想一下,在遙遠(yuǎn)的過(guò)去,太陽(yáng)爆發(fā)而噴發(fā)出一個(gè)比較大的個(gè)體,這個(gè)個(gè)體在遠(yuǎn)離太陽(yáng)的過(guò)程中又一分為二,其中之一是地球,其中之一是月亮。地球與月亮就這樣誕生了,因?yàn)榈厍蚺c月亮是同一個(gè)體分裂的,且大小接近,故而兩者沒(méi)有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),雖然地球本身在不停自轉(zhuǎn),而月亮相對(duì)地球是靜止的,因而月亮朝向地球的相對(duì)面始終是不變的。又因?yàn)樵铝帘容^小而率先冷卻凝固,所以月亮上的巖石年齡要比地球上的更古老。

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