老孫 發(fā)表于 2017-05-04 07:37
萬(wàn)物生長(cháng)靠太陽(yáng)，其實(shí)科學(xué)的發(fā)展也離不開(kāi)對于太陽(yáng)的研究。太陽(yáng)物理學(xué)是天文學(xué)中的一個(gè)重要分支。
挪威太陽(yáng)物理學(xué)家保羅·布雷克這父親也從事太陽(yáng)研究，實(shí)際上他從剛開(kāi)始學(xué)走路的時(shí)候，就在挪威的哈勒斯圖亞太陽(yáng)天文臺生活了，長(cháng)大之后又成為了一位專(zhuān)業(yè)的太陽(yáng)天文學(xué)家，成為挪威和歐洲空間局、美國國家航空航天局的太陽(yáng)研究項目的領(lǐng)軍人物。
他為公眾寫(xiě)成的《我們的太陽(yáng)》圖文并茂，淺顯易懂，從古老的極光傳說(shuō)，到最新的太陽(yáng)物理之謎，把太陽(yáng)方方面面的秘密抖了個(gè)遍，一定會(huì )讓你拿得起，放不下。
如今春分已過(guò)，太陽(yáng)回到了北半球，讓我們在春暖花開(kāi)的季節，一邊曬著(zhù)太陽(yáng)，一邊了解這位年齡已經(jīng)45億歲，既溫柔又暴躁的太陽(yáng)老公公吧。
有句話(huà)說(shuō)，“一個(gè)民族需要仰望星空的人”，不過(guò)呢，夜晚的溫柔我們對宇宙有一種迷思，讓我們以為宇宙是如此的靜謐安詳。我們之所以有這樣的感覺(jué)，是因為我們居住在地球上。我們的地球是太陽(yáng)系里的一顆行星，在這顆行星上，我們自由地呼吸，享受著(zhù)和煦的陽(yáng)光。這一切都是因為地球特別的環(huán)境，以及它與太陽(yáng)的微妙關(guān)系。
太陽(yáng)是個(gè)超級土豪
我們居住在地球大氣層的底部，大氣層就像厚厚的毯子蓋在我們身上，為我們保持了合適的溫度，它還跟地球磁場(chǎng)一起，替我們擋住了來(lái)自宇宙的危險。如果沒(méi)有大氣層，裸露的地球直接面臨溫度接近絕對零度（零下273攝氏度）的太空，那會(huì )是什么情形，看看月亮就知道了——白天接受太陽(yáng)照射“發(fā)高燒”達到127攝氏度，夜晚降到零下183攝氏度。
處在離太陽(yáng)1.5億千米的我們，接收到太陽(yáng)的能量是每平方米1366瓦，這是垂直于陽(yáng)光方向的數值，也就是進(jìn)入地球大氣層的能量密度。因此，地球接收到的太陽(yáng)光總能量是1.740×1017瓦，這個(gè)數字是非?？植赖?，為什么呢？因為目前我們人類(lèi)每年消耗的總能源大約是年5×1017千焦，也就是只相當于3000秒也就是8.3小時(shí)的太陽(yáng)光能量。人類(lèi)辛辛苦苦一年干的力氣活兒，只相當于太陽(yáng)的一個(gè)工作日！更何況，我們接收到的太陽(yáng)光能量，又僅僅是太陽(yáng)本身輻射出來(lái)總能量的20億分之一！這就相當于太陽(yáng)往宇宙中撒了兩千萬(wàn)人民幣，我們地球只接住了其中一分錢(qián)！
看到這里，你可能想到，哇！我們應該更積極地利用太陽(yáng)能，即使不能畝產(chǎn)萬(wàn)斤，至少可以緩解世界上的能源危機了。不過(guò)天文學(xué)家看到這些數據，會(huì )想到另外一件事兒，太陽(yáng)是如何產(chǎn)生如此的巨大能量的？
表現太陽(yáng)內部結構的藝術(shù)剖面圖，摘自《我們的太陽(yáng)》一書(shū)。圖片來(lái)源：NASA
從太陽(yáng)來(lái)的諾貝爾獎
太陽(yáng)的巨大能量從而來(lái)，也就是“太陽(yáng)發(fā)光之謎”，曾經(jīng)令天文學(xué)家們苦苦困擾了上百年。一直到1920年代，英國物理學(xué)家愛(ài)丁頓才提出猜想，應該是太陽(yáng)內部發(fā)生的核聚變反應，提供了源源不斷的能量，1938年貝特（Hans Bethe）完成了關(guān)于太陽(yáng)內部氫聚變成氦的熱核反應過(guò)程的計算。這個(gè)貢獻解決了恒星能源之謎，從而讓他獲得了1967年的諾貝爾物理學(xué)獎。
在核聚變過(guò)程中，除了發(fā)出光、正電子之外，還會(huì )發(fā)射出來(lái)一種“看不見(jiàn)摸不著(zhù)的”的粒子，稱(chēng)為中微子。天文學(xué)家約翰·巴考爾（John Bahcall）建立了“標準太陽(yáng)模型”，他預言每秒鐘就有數以萬(wàn)億的中微子穿過(guò)我們身體，但我們沒(méi)有任何感覺(jué)，也就是中微子幾乎不會(huì )跟我們發(fā)生任何作用（要是作用顯著(zhù)的話(huà)，那就變成災難大片《后天》的情景了），但是在隨后美國Homestake金礦和日本神岡地下實(shí)驗的測量中卻發(fā)現，測量到的太陽(yáng)中微子流量只是預期中的三分之一。這個(gè)問(wèn)題被稱(chēng)為“太陽(yáng)中微子丟失之謎”（solar neutrino problem）。
一直到1998年和2002年，日本超級神岡和加拿大SNO實(shí)驗室才觀(guān)測到確切證據，證明中微子沒(méi)有丟失，中微子其實(shí)有三種，它們可以相互轉化。從太陽(yáng)里出來(lái)的時(shí)候，只有一種電子中微子，在飛行過(guò)程中，它有三分之二轉化成了另外兩種。
這下我們可以放心了，太陽(yáng)這個(gè)巨大的能量之源，還是牢牢地掌控在科學(xué)家的方程之中。有意思的是，在2002年，雷·戴維斯與小柴昌?。∕asatoshi Koshiba）由于發(fā)現“太陽(yáng)中微子丟失”而被授予諾貝爾物理學(xué)獎（其實(shí)在這時(shí)，“丟失之謎”的答案剛剛被找到，正因為“丟失之謎”被解決，人們才注意到這個(gè)問(wèn)題的重要性）。到2015年，解決“丟失之謎”的科學(xué)家梶田隆章（小柴昌俊的學(xué)生）及SNO實(shí)驗室的亞瑟·麥克唐納也拿到了（慢了半拍的）諾貝爾物理學(xué)獎?？磥?lái)諾貝爾獎委員會(huì )還真是“不見(jiàn)兔子不撒鷹”??！
雖然有了“太陽(yáng)標準模型”，實(shí)際上關(guān)于太陽(yáng)還有很多未解之謎，比如太陽(yáng)黑子周期是怎么回事兒，日冕溫度為什么比太陽(yáng)本體還高，太陽(yáng)風(fēng)是怎么被拋射出來(lái)的，太陽(yáng)磁場(chǎng)究竟是怎么回事兒，太陽(yáng)是怎么形成，又將在何時(shí)發(fā)生爆炸毀滅太陽(yáng)系……有許多問(wèn)題都是諾貝爾獎量級的難題。因此天文學(xué)家們正在動(dòng)用地面、太空望遠鏡各種手段密切關(guān)注太陽(yáng)。
極光之謎
其實(shí)從太陽(yáng)而來(lái)的巨大能量早就有了征兆，只是我們不理解而已。在地球的高緯度地區，夜晚經(jīng)?？梢钥匆?jiàn)極光（Aurora）。極光異常壯麗，是橫跨天空的巨大綠色、紅色、藍色光帶，還會(huì )輕輕飄舞，令人心醉神迷。極光看上去很美好，但它卻是太陽(yáng)“脾氣暴躁”的證據。
阿拉斯加熊湖上空的北極光。圖片來(lái)源：USA Air Force，摘自《我們的太陽(yáng)》一書(shū)
除了發(fā)出光和熱，太陽(yáng)還會(huì )發(fā)出高能的帶電粒子流，其中主要是電子和質(zhì)子。太陽(yáng)風(fēng)的速度非常大，可以高達160萬(wàn)千米每小時(shí)，有時(shí)候狂風(fēng)速度還會(huì )更大。如此狂躁的太陽(yáng)風(fēng)會(huì )嚴重傷害生命，所以載人航天的防護非常重要，要能夠把這些高能粒子屏蔽在飛船之外，要是出艙活動(dòng)，宇航員要穿上厚厚的宇航服。
在地面上，幸好地球有一個(gè)厚厚的大氣層保護我們，而且它還有一個(gè)隱形的幫手：地球磁場(chǎng)。地球磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)從南北極出來(lái)，在地球周?chē)纬上穸鄬踊\子一樣一個(gè)場(chǎng)。來(lái)自太陽(yáng)的帶電粒子被地球磁場(chǎng)俘獲，會(huì )在這個(gè)磁場(chǎng)中運動(dòng)，輸送到南北極區域。當這些粒子流在南北極沖進(jìn)地球大氣層的時(shí)候，跟高層大氣原子發(fā)生強烈的摩擦，把能量傳輸給大氣原子，會(huì )產(chǎn)生某些特定顏色的光。這就類(lèi)似日光燈或者霓虹燈的發(fā)光機制，也就產(chǎn)生了我們看到的美妙的極光。在中國古代傳說(shuō)里，北方有一種神獸叫做“燭龍”，它的形體巨大，在空中搖擺。民俗學(xué)家認為，它可能就是源自古人看到的極光，或者聽(tīng)說(shuō)過(guò)的北方極光傳說(shuō)。
地球磁層保護我們免受太陽(yáng)粒子的危害。不過(guò)有些粒子依然能夠從這個(gè)保護盾的“間隙”進(jìn)入大氣層，產(chǎn)生白日極光。來(lái)自太陽(yáng)的大部分粒子在地球背向太陽(yáng)一側穿透磁層，然后沿著(zhù)磁力線(xiàn)去往極地區域。圖片來(lái)源：T.Abrahamsen/ARS，摘自《我們的太陽(yáng)》一書(shū)
當太陽(yáng)活躍，太陽(yáng)風(fēng)非常強烈的時(shí)候，有時(shí)候在中低緯度都可以看到極光，還可能會(huì )對我們的電氣設備造成傷害，尤其是我們如今為數眾多的衛星等航天器。所以在現代的天氣預報之外，又加了另外一項“太空天氣預報”，提前知道太陽(yáng)的活動(dòng)，尤其是那些被拋射出來(lái)的大團的高能粒子，進(jìn)行防護或躲避。
慶幸地生活在地球上
所以我們能夠生存在地球上，是由一連串的巧合條件造成的。我們離太陽(yáng)的距離不太近，也不太遠，正好適合液態(tài)水的存在。像水星離太陽(yáng)太近，它的大氣層已經(jīng)被太陽(yáng)給剝光了，像木星土星，離太陽(yáng)又太遠，如果地球位于這樣的位置，行星也是冰凍的。如果沒(méi)有地球大氣層，我們就會(huì )像月亮一樣，白天溫度非常高，夜晚溫度非常低。這種溫度劇烈變化、冰火二重天的世界，是很難適合生命存在的。地球磁場(chǎng)幫我們抵擋了來(lái)自太陽(yáng)的高能粒子，從而免于電離輻射的傷害。
此圖表現了我們所在的太陽(yáng)系剛誕生時(shí)可能的樣子。圖片來(lái)源：NASA/FUSE/LynetteCook，摘自《我們的太陽(yáng)》一書(shū)
所以宇宙環(huán)境對于生命來(lái)說(shuō)并不友好，地球和太陽(yáng)的關(guān)系微妙而復雜，地球的種種條件，讓它成為難得的承載生命的一艘“宇宙飛船”。在這次飛船上，我們能夠享受來(lái)自太陽(yáng)的能量，卻又不被它傷害。
我們日常所需要利用的也僅僅是太陽(yáng)光中的可見(jiàn)光部分（還有部分紫外線(xiàn)和紅外線(xiàn)）。而大氣層的防護和我們在宇宙中的位置，又讓我們可以非常安全的觀(guān)測太陽(yáng)，理解太陽(yáng)。太陽(yáng)是我們了解宇宙，尤其是了解恒星的非常好的樣本。
