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浴火而生的家园:张中白教授谈太阳系的前世今生

2017-11-14 环球解密

悠远缥缈的浩瀚星河中,有否我们的定位?宇宙的生成,是否也不知所起?

●余温中见真章:大霹雳理论

对宇宙的好奇,古有屈原<;天问>;,今有大大小小的科学理论。“大霹雳理论”已广为世人所知---- 在约莫一百五十亿年前,宇宙由一个温度极高、密度极大的奇异点爆炸后,向外扩张而成。听起来是如此不可思议;但事实上,大霹雳是科学界十分肯定的理论了。

夜空总是万千星子洒落在黑色布幕之上,然这个我们习以为常的情景却颇有不寻常之处。何以白日的天空是一片碧蓝,到了晚上却黑漆漆一片?即便太阳已下山,星月的光芒也该当点亮夜空才是。我们可以把偌大的宇宙想象成有许多房间,星星是房里的灯泡。若宇宙是无限的,房间便有无限多。即便房里的灯光微弱,仍然是有“光”的,我们可以看到密密麻麻的星光;但若是仅有限的房间内有灯泡,势必有一部分房间,远远看来是“黑”的。

由此说明宇宙中的星辰数目有限,似乎十分合理;却从而构成了一个不易解决的“奥伯斯吊诡 (Olber's Paradox)”。星星之所以能在位置上维持稳定,应是星体间相互的万有引力牵制;若星体有限,势必有些星星未有更外围的星体吸引,会因重力塌陷被拉向内。是什么力量维持它们不向内聚集?“大霹雳以后向外膨胀中的宇宙”便是一解。

科学自是不会空有推论,哈伯望远镜提供了证据此说法的证据。已知恒星随其所含元素不同,光谱中会有不同的“暗线”。哈伯望远镜观测远近的星光光谱时,发现远处的光谱暗线会落在频率比较低的位置,是为一都卜勒效应下的红移。由此发现,较近的星星退行速度较慢,较远者反之,为正比关系。退行速度与距离分析后,发现所有星星都在150亿年前向外移动,可推测这便是宇宙之初了。

大爆炸时极高的温度,经过150亿年的降温,已剩下背景辐射的 2.76K。这么低的温度乍看不足为奇,却曾是贝尔实验室通讯专家量测电磁波讯号时,十分惹人嫌的背景噪声!

●余晖中炼仙丹:元素的生成

解决了宇宙的诞生与扩张问题,但大霹雳充其量只是炸开了数不清的原子及其内核子,仍难以解释现今世上的种种元素与星系组成。大霹雳之初,中子数远多于质子数,经常甫一形成质量数较大的元素,就因不稳定而衰变成较小的元素了(注一)。大霹雳的产物氢,在中子枪的袭击下,产生质量数2、3的同位素氘与氚,以及质量数4的氦。再往上呢?自然界中没有质量数为5的同重素,大霹雳制造的元素也就到此为止了。

改变原子核的组成需要极高的温度,连大霹雳都未能完成生产诸多元素之任务,仅完成了氢(20%)与氦(80%)。究竟真正的“宇宙炼丹炉”在哪里?

暗夜中抬头所见的满天星斗,便是这些炼丹炉;更精确说,更重的元素来自于恒星。宇宙中游走的云气产生坍缩时,减少的位能转换成够大的热能,核聚变从而产生。核反应中,总体质量减少,依据 E = mc²,转换成能量。这些能量推动着恒星的膨胀,抵御着重力的坍缩,维持恒星的体积,并一路燃烧出更重的元素。

恒星坍缩与核聚变持续进行,就能够无止尽的产生更重的新元素吗?观察地球上的元素,会发现以铁的含量居首。无独有偶,宇宙中元素从较多的氢氦,其含量随着原子续增加而递减,到了“铁”却形成另一高峰。事实上,核聚变进行到铁后,若欲产生新的元素,总质量必须上升才可行,自然就此打住,而恒星则走向惊天动地的爆炸。大霹雳之初的众多中子,原本已经转换成质子被封存在元素中,这一爆炸又再度释放至太空中。重出江湖的中子枪继续扫射,比铁还重的元素于焉诞生。当然在此过程中,也会有不稳定元素生成,而后再经Beta衰变回到稳定。

古代被视为异象的蟹状星云,其实仅是人类目睹了这些过程;恒星的爆炸亦非少见。而恒星的温度确实够高,足以让此理论成真。电脑模拟爆炸时产生的元素,与实际侦测吸收暗线的证据两相对照,也支持恒星是宇宙炼丹炉的说法。进一步来说,太阳光的吸收暗线,与模拟结果亦吻合。而地球与其余的行星,也是由这些核反应的余烬所组成的。

然而,相较于宇宙形成与元素生成的理论的备受肯定,太阳系的生成就众说纷纭、莫衷一是了。其中一种说法认为,“太阳风”将元素依据轻重吹到不同的距离,从而在较近之处形成类地行星,较远处形成类木行星。可惜的是,此一说与角动量守恒原理相互牴触,至今未解。

●余烬中成山河:地球的诞生

至于人类赖以为生的地球,自然不乏询问其贵庚者。圣经主张的四千年,在地质学发展后很快被推翻了。提出“现在是通往过去的一把钥匙”的地质学之父赫登,便认为以当今地球众生相的复杂程度,决不可能在短短千年的尺度下竣工。克耳文爵士借由地球冷却速度与现在温度,推算出地球的诞生起码有四千万年。此一发表与演化学之父达尔文所推算的生物演化历史大有牴触;然碍于皇家科学院的权威,异议科学家们也不敢大鸣大放。

“四千万年”的说法独霸多年,直到岩石定年法的应用,才终于翻案成功。放射性元素会由不稳定的母元素衰变为稳定的子元素时,同时放出射线,此衰变过程需要“时间”。分析石头中母元素与子元素的比例,便可得知其年岁。科学家兴匆匆的找了块石头试试,赫然发现它已存在了五亿年之久!随手一试竟打破了克耳文爵士的推测,想必地球的年纪不容小觑了。

然而,使用地球本身的岩石会产生一个问题,亦即原生石头经由火山运动的不断轮回更新。科学家的脑筋动到了“被封存的时间”陨石之上---- 它们来自小行星带,未能跻身行星之列,其中体积大者可行熔融作用,小者则不再变化。他们发现所找到的陨石中,最老的都指向一个相似的数字---- 45.6亿年。

陨石的贡献尚不止于此,其成分也有助我们对地球成分的了解。好比在生日会上猜测礼物盒里的内容物,我们通常会看看盒子的体积、惦惦重量,轻而大的可能是布娃娃,重而小的可能是铁制品例如无敌铁金刚。陨石就犹如娃娃或金刚的碎片,让我们以部分猜测整体。

事实上,只有特定类型的陨石可以代表太阳系元素的概况。一般而言,混合成分的石头被加热后会分层,轻的物质在外层、重的在核心;其中的石质球粒陨石,加热的温度不足,物质仍是混合状态,较能代表原始物质组成。更进一步而言,石质中的“碳质球粒陨石”,最高温度不超过摄氏400度,挥发性成分的保留亦十分完整,有助猜测地球的组成。再搭配由卫星、行星公转周期所计算出的地球比重(注二),猜测便更为精准。由此,地球为核心的地核与外部的地函组成的理论,算是确立了。

那供生物居住的“地壳”或“岩石圈”呢?简单来说,冷却凝固的外层物质会初步形成板块。炙热的地函依然汹涌著,带动表层板块的张裂或聚合。由裂隙中生成新的板块,另一端则隐没旧的板块,地表的体积大致维持一致。海洋地壳系依照鲍林提出之冷却过程的“岩浆分异作用”形成---- 较小半径的元素(如金属元素)冷却过程中容易与他人结合,大半径元素结晶时却需要更复杂的作用,因而留在岩浆中较久;后者因而被称为“亲岩浆元素”,直到接近地表才结晶,形成海洋地壳。

大陆地壳就更玄妙了。在板块隐没端实际上暗潮汹涌---- 一部分地表的冷物质快速隐没,至几百公里处时碰到温度高的地函,简直油炸冰块一样干柴烈火,发生了爆炸而喷上地表,形成大陆底壳。在形成后,他们因材料轻,即使将来板块碰撞时,也会被“刮”起至地表,而不隐没。至于大陆地壳从何时开始累积呢?以标准大半径元素“钾”的含量看来,大陆地壳钾含量是海洋地壳的十倍,表示隐没了十份的海洋地壳,方才形成一份大陆地壳;以厚度与地表面积算来,两者体积大约是3:1 (大陆地壳:海洋地壳)。综合看来,地球已隐没了三十份海洋地壳。以速率来说,平均1.5亿年可以隐没一份海洋地壳,表示此一过程由45亿年前便已悄然开始!(注三)

以人类之有限,欲探究亿年来的太阳系历史,自是挑战性十足。其中仍多有未解之谜,比如与地函成分类似的月球,是否是由地球经过惊人而暴力的过程“分家”的呢?太阳系家族中的成员各怀秘密,一而再地考验着人类的脑力与好奇心。

注一:我们先检视现今所存在的一百多种元素,他们稳定与否的关键在于原子核中的质子与中子比例。原子序较小的元素中,两者的比值约为1:1;随着原子序上升,带正电的质子数目变多,便需要更多的中子来维持稳定,质子与中子的比值趋近1:1.5。由于这个稳定原子核的作用,亦有“中子胶”的说法。质子数相同的原子称为“同位素”,中子数相同称“同中素”,质量数(中子数加质子数)相同者,则称作“同重素”。

注二:地球的比重可以由卫星绕行星、行星绕恒星的周期长度推测之。

注三:并没有所谓“海板块”或“陆板块”,综观地球上各大板块,大部分都是海洋地壳上缀有大陆地壳,仅太平洋板块与菲律宾海板块是没有大陆地壳的。

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