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太阳的年龄

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年龄的矛盾
  宇宙不仅伸展的空间十分遥远.而且绵延的时间极其久长。难道我们不该问一下:宇宙的年龄有多大、它将来还能活多久吗?
  在古代,对这些问题的回答只是猜想而已。例如,按照《圣经》上的说法推算,宇宙似乎只是在大约6000年前才创造出来的。
  1785年,苏格兰地质学家赫顿第一次尝试从科学上回答这类问题。他在《地球理论》一书中估算了地球表面缓慢变化——山脉的形成,河岸的冲蚀,等等的速率,断定这类变化已经延续了千百万年。
  1847年,德国物理学家亥姆霍兹率先提出“能量守恒定律”:能量既不能无中生有,也不会凭空消失,它只有从一种形式转化为另一种形式。那么,太阳的能量是从哪儿来的呢?
  假定太阳是一大堆普通的火,而它完全由碳和氧组成,那么为了维持它目前的发光速率,这堆巨大的混合物只消几千年就会焚烧殆尽。
  另一种可能是陨星撞击太阳时的动能转化成热和光。亥姆霍兹算出。倘若情况果真如此,那么由于陨星的积累,30万年后太阳的质量就会增加1%。这样它的引力就会逐渐增强,地球的公转就会因此而变快,地球上每一年时间的长度就会比前一年缩短两秒钟。可是实际上并没有发生这样的情况。
  1853年,亥姆霍兹又设想太阳本身的物质在向中心沉落,因此太阳在不断收缩。向中心运动的能量将转化为热和光,而且太阳的质量并不改变,也不会影响地球年的长度。亥姆霍兹算出,假定开始时太阳的物质布满了地球轨道以内的整个空间,那么经过1800万年,它就会缩成目前的大小。于是他断定,地球一定在1800万年之前就从当时那个“胖”太阳的表层物质中形成了。
  然而,地质学上的许多证据却表明,某些地质变化经历的时间远远超过1800万年。这又是怎么一回事呢?
  太阳的燃料
  1896年,法国物理学家贝克勒尔发现了“放射性”,它与原子核的变化有关。不同的原子核拥有不同数量的质子和中子。由一种原子核变成另一种原子核的过程叫做“核反应”,由此产生的能量就是核能。
  1905年,德国物理学家爱因斯坦提出了“狭义相对论”。它有一个结论:质量乃是极端集中的能量形成,很少的质量就能转化为巨大的能量。
  假如太阳的能量源自某种核反应,那么为了确保它像现在这样发光,就必须在每一秒钟内将460万吨物质转化为能量。这个数字听起来好像很大,但是与太阳本身的巨大质量相比却微不足道。因此太阳有生以来差不多一直就像今天一般大。
  放射性还可以用来测定地球的年龄。例如任何数量的铀都要经历45亿年才会有一半(在释放辐射的过程中)衰变为铅,因此测定一块含铀岩石中有多少铅,就可以推算出组成该岩石的那些铀原子的衰变过程已经持续了多久。
  现在看来固态地壳大概已经存在了46亿年。在此以前,地球可能是一大堆正在缓缓凝聚的物质,也可能以熔岩的形式存在。
  可以理所当然地认为,太阳的年龄至少也得像地球一般大,或者还要更老一些。核能是否能在这么长的时间内始终维持太阳的光和热呢?倘若能够的话,它的核燃料又是什么?是铀的放射性衰变吗?
  这涉及太阳的化学组成。由于每种不同类型的原子都会产生自己特有的光谱线,所以天文学家们研究太阳的光谱线就可以确定太阳外层大气中含有哪些化学元素。
  在太阳上,大约有71%是氢,27%是氦,所有其他元素的含量都微乎其微。因此,太阳的能量来源必定涉及氢与氦的变化,其他任何元素的含量都太少,都不足以满足这方面的要求。氢原子核就是一个质子。氦原子核由2个质子和2个中子组成。4个氢核可以通过“核聚变”而合成一个氦核(当然,这时就会有2个质子转变成为中子)。氢弹的能源正是这种聚变过程。如果它也是太阳的能源,那么我们就可以把太阳看成一个硕大无比而永远在爆炸着的氢弹。不过,它自身的强大引力使它不至于被炸得粉身碎骨。
  如果太阳在一开始时是纯氢的,那么它大约要花200亿年的时间才能形成目前这么多的氦。不过,天体物理学家们已经证明,太阳在一开始就含有相当数量的氦,由此推算出它的年龄是50亿岁左右。



作者:qalong 来源:本站原创 发布时间:2006年07月09日
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