书城科普破解日食与月食(趣味科学馆丛书)
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第4章 认识日食的主角——太阳(1)

如果说太阳是饰演日食的主角,那它绝对是宇宙中炙手可热的重量级明星。人们常说“万物生长靠太阳”。如果没有太阳,或者说太阳要休息几年,地球上将会是何种状况呢?毫无疑问,地球上的一切都将不复存在了。而日食,尤其是日全食,就是要太阳暂时休息的一幕电影。好在这幕电影演出的时间并不长,而且演出的也不是很频繁。正因为这样,日食这幕电影不但没有给人类带来什么大的灾难,反而给人们带来了很多乐趣。

璀璨的巨人明星

站在地面看太阳,红红的,明亮的,光芒四射,十分平静和安宁。但这不是太阳上的真实情况。肉眼看到的太阳已经“化妆”过了。

太阳在北京天文馆的主厅里悬挂着一幅日面景色图:圆圆的日面上火舌翻卷,气浪升腾,高高的气体柱一直上升到50万千米高的日面上空。上升的气体达到一定高度后,不再继续往上飞,而是瓦解飞散,纷纷扬扬落回太阳表面,好像天女散花似的。

这还是一幅粗粗一瞥的太阳活动图画。仔细观察,太阳表面景色比这壮观得多呢!你若用较大的天文望远镜拍摄太阳照片,整个日面布满了密密麻麻的明亮斑点,像水中气泡,锅中米粒,又像跳动的珍珠。这是太阳上的“米粒”,天文学上叫做米粒组织。

把望远镜所成的太阳像投影到望远镜后面的投影屏上,璀璨晶莹的日面上出现一些黑暗的斑点,它们或者结伴而行,或者单个而立。有的威风凛凛在前面开路,有的神气十足在后面督兵。这是大名鼎鼎的太阳黑子。

假如你用快速摄影机拍摄一部太阳活动区影片,那更是生气勃勃,趣味盎然。看过这种影片的人,没有不拍手叫绝的。那里不仅有翻卷的火舌,飞腾的气浪,抛射的物质,还有比原子弹和氢弹爆炸激烈得多的太阳耀斑。影片里缓缓蠕动的太阳活动区物质,更是风云跌宕,妙不可言。

对于人类来说,太阳系是宇宙中最重要的星系,它幅员辽阔,成员众多。在这个家庭中,太阳是个头号“大个子”,所以我们说它是宇宙中的重量级明星。

木星八大行星、几千颗小行星、卫星和流星,都不能和它相比。在我们的想象中,地球可算硕大无比了,它上面有大洲、大洋、高山、深涧,有一百几十个国家,有60多亿人口,绕它赤道一圈有40000千米长。这样的世界还不大吗?

然而地球的直径只有太阳的1/109。木星是行星世界的“巨人”,它的直径是地球的11倍。若把木星和太阳作比较,10个木星直径才能抵得上1个太阳直径。

德国有个天文学家,名叫威特曼,专门测量了太阳的大小。他在瑞士洛克尔诺天文台,用针孔摄影机对准望远镜焦点上太阳像,进行了246次光电扫描,测出太阳直径为1392530千米。

如果我们要想从太阳直径的一端走到另一端,乘速度为60千米/时的普通火车,即使昼夜不停地行驶,也得2年零25天。要说火车速度太慢,我们来看看“神仙”走完这段距离的情况吧。

《西游记》里有个神通广大的孙悟空,一个筋斗就是十万八千里(54000千米),天上人间随意行走,再遥远的路程几个筋斗就到了。可是,就是孙悟空要从太阳直径的一端走到另一端,也得翻上26个筋斗。

根据太阳直径,立刻就能计算出它的体积来。太阳体积是140亿亿立方千米,大约是地球的130万倍。就是说,在它里面可以装得下130万个地球。这个明星个头可真够大啊!

也许你会说,个头大也不一定是重量级明星啊!那好吧,如果给太阳称称体重,你就会心悦诚服了。

给太阳称体重?真新鲜!这么大一个火球,烈火熊熊,气浪冲天,又和地球相隔1.5亿千米,怎么提得起来?用什么秤去称?

说起称太阳,还得从伦敦的瘟疫谈起。1665年,在英国首都伦敦发生了一场瘟疫,被传染的人不死也被折磨得九死一生。人们害怕瘟疫,纷纷从首都逃离。一时,繁华热闹的伦敦街头变得冷冷清清。

为了躲避瘟疫,剑桥大学不得不放假,学生们因此纷纷回家乡去了。牛顿当时也在剑桥大学,他也因此回到了家乡林肯郡。

一天夜晚,在深沉的夜色中,一轮明月高高挂在天空,显得无比幽静而神奇。这时,年轻的牛顿独自坐在自己家的果园里沉思。

突然,一只苹果从树上掉了下来,落在牛顿脚边。这个不为人注意的自然现象,却触动了牛顿的“灵感”,从此他就经常观察物体下落的现象,探索物体下落的原因。他得到这样的结论:一切物体向地面降落是因为地球在吸引它们。他又问自己:月亮为什么不落到地面上来呢?经过研究,他把物体之间相互吸引的问题进一步推广到月亮、行星和一切天体。这就形成了万有引力定律。

牛顿

在牛顿以前,曾经有人猜想,引力是和距离平方成反比的。牛顿想证明这个猜想。可是当时没有精确的地球半径数值,牛顿无法完成自己的证明。没办法,他只好等待。

1671年,法国天文学家皮卡尔测得了比较精确的地球半径数值。这一消息传到牛顿耳朵里,他立即采用这个数值进行计算。越计算,他预期的结果越明显,以致使他激动得无法继续计算下去,不得不由他的朋友代他继续计算。

经过牛顿的精心研究,万有引力定律问世了。这个定律指出,万物彼此吸引,吸引的力量大小与参加吸引的物质的质量成正比,与它们之间的距离平方成反比。

万有引力定律为天文学家称天体提供了重要的科学秤,从此“称”太阳质量就有了可能。利用万有引力定律作秤,用地球作秤砣,天文学家测量出太阳质量是地球的33万倍。这就是说,如果把太阳放在天平上,用地球作砝码,需要加33万个地球在天平的另一端,天平才能平衡。地球的质量是60万亿亿吨,因此,太阳的质量是2000亿亿亿吨。

太阳质量在太阳系各成员中是最大的。据计算,太阳系的质量99%以上集中在太阳上。由于太阳具有巨大的质量,所以它的吸引力是很大的。太阳所以能成为宇宙中的重量级明星,紧紧地把太阳系中的所有成员都拉在自己周围,给它们规定运行的路线、行动的速度和各自的地位,都是靠它的强大的吸引力。

太阳对它表面物质的吸引力是地球的27.5倍。就是说,一个体重160千克的人,如果到了太阳上,他的体重将变成1650千克。不要说烈火熊熊的太阳表面人们无法上去,就是将来防温隔热的问题解决了,人类也休想登上太阳!因为到了那里,强大的太阳吸引力会把人压垮的。

太阳质量虽大,但它的密度只有地球的1/4,即1.41克/立方厘米,不到水密度的1.5倍。太阳的密度是很不平均的,太阳中心集中了很多物质,密度为160克/立方厘米,是黄金密度的8倍;而在太阳外面大气层里,物质则稀薄得像轻纱,比鸿毛还轻。

知识点原子弹

原子弹是核武器之一,是利用核反应的光热辐射、冲击波和感生放射性造成杀伤和破坏作用,以及造成大面积放射性污染,阻止对方军事行动以达到战略目的的大杀伤力武器。核武器系统,一般由核战斗部、投射工具和指挥控制系统等部分构成,核战斗部是其主要构成部分。核战斗部亦称核弹头,并常与核装置、核武器这两个名称相互代替使用。实际上,核装置是指核装料、其他材料、起爆炸药与雷管等组合成的整体,可用于核试验,但通常还不能用作可靠的武器;核武器则指包括核战斗部在内的整个核武器系统。

炙热的火球

人们在形容明星时常常会使用“重量级明星”或“炙手可热”来形容。太阳不但是宇宙中的重量级明星,也是一个非常红火的明星。

原子弹爆炸雄伟壮观的太阳是一个大火球。同地面上的火相比,太阳上的火才称得上真正的大火。地球上燃烧数百吨干柴时,浓烟滚滚,烈焰腾腾,火舌乱舔,劈劈啪啪的爆裂声中,一堆干柴化为灰烬,其火势可谓大矣!

然而,这样的火远远没有原子弹和氢弹爆炸时的火势大。原子弹和氢弹爆炸时,轰隆隆一阵巨响之后,半空中腾起一股巨大的蘑菇云。火光闪闪,数十千米之外都能看见。至于它的热辐射更有摧枯拉朽功能,所到之处,一切东西都将着火焚烧,其势不比干柴燃烧大得多吗?

然而,原子弹和氢弹爆炸的火同太阳上的火相比,又相形见绌了。太阳表面的温度是5700度,内部的温度还更高,据理论推算,太阳内部高到1500万~2000万℃。试想地球上哪里找得到这样高的温度?

炎热的夏天,人们汗流浃背,闷热难熬,那时的温度不超过40℃。炼钢炉内的温度高到能把钢铁熔化成“水”,然而这个温度只有1000多℃。地面上最难熔的金属是钨,所以电灯泡里用钨丝作灯丝。

我们知道,电灯泡里通上电流,灯丝就发出明亮的光焰,而电流一断,灯丝就恢复原状。然而钨若放到太阳表面上,它就不能像在地球上这样安然无恙了,到了太阳上,最难熔化的钨也要化成蒸气。

在18世纪的时候,化学家们都拿金刚钻没办法,因为它太顽固了,什么也不怕,连用火烧都烧不毁它。当时把它当做一种特殊的物质。

一位贵妇人知道金刚钻的特性后,觉得很奇怪,便慷慨解囊,拿出几颗金刚钻和红宝石送给化学家们做实验。

化学家们把这些珍贵礼物小心翼翼地放在一只耐高温的坩埚里,把口密封好,搁在熔炉里用火烧。熔炉烧到铁和玻璃熔化的温度后,又继续对盛金刚钻和红宝石的坩埚燃烧了24小时。之后,拿出来一看,红宝石还好好地保留在里面,而金刚钻却不见了。化学家为此很伤心,因为价格昂贵的金刚钻白白地消失了,却没得到什么结果。

这次实验失败在于化学家们没有及时观察金刚钻的熔化过程。化学家们吸取了教训,改进了实验方案,他们请磨镜师替他们磨了一只30厘米的放大镜,用来聚集,奇迹发生了,红宝石就在他们眼皮底下熔化了。由此可见,聚集的太阳光比熔炉温度高得多,否则在熔炉里不能熔化的红宝石怎么会熔化了呢?

后来,俄国天文学家维·康·柴拉斯基重新做了上面的实验,不过他不是用放大镜来聚集阳光,而是用一块直径1米的凹面镜,把它对准太阳后,在凹面镜的焦点上便出现了一个小分币大小的太阳像。他把一根白金丝伸进太阳光束之中的太阳像里,白金丝立刻弯曲起来,像蜡做的一样熔化了。

由此可知,太阳光束里的温度肯定比白金熔化的温度高。白金熔化的温度是1770℃,因此太阳表面温度在1770℃以上。后来柴拉斯基又测出太阳像里的使白金熔化的温度是3500℃,因此当时推测,太阳表面温度在3500℃以上。

现在知道,太阳表面温度是5700℃。这个温度不是用放大镜或凹面镜聚集阳光测出来的,而是用一种叫做光谱分析的方法测量出来的。

太阳上不仅火很大,温度很高,光线也是很强的。又一位科学家想亲眼看一看太阳表面的情况,冒险对它看了一眼。这一眼造成了终生遗憾!科学家的眼睛被强烈的阳光烧坏了。看了太阳一眼,瞎了一辈子。

在美国有过这样的现象:每年秋天来临的时候,医院里的看神经的病人逐渐增多起来。这些“病人”既不是口吐白沫、眼睛往上翻的精神病患者,也不是胡言乱语、喜怒无常的疯子,他们是所谓“季节情感失调症”患者。

大多数“病人”在向医生诉说:“一到初秋时节,随着白天变短,黑夜变长,便出现烦躁、忧虑、嗜睡、关节疼痛、食欲激增和性欲减退的症状。”

精神病专家卢森梭博士对这种“病”进行了研究。他经过查资料、翻阅病例,同有关科学家谈论,最后认为这种“病”是日照时间变化引起的。于是他想用延长“日照”时间的办法来治疗“季节性情感失调症”。他用日光灯代替阳光给“病人”照射。

幸好,卢森梭博士不是天文学家,也没有按照天文学家的办法去做。他要是天文学家,或者按照天文学家的办法,先计算一下太阳光多强,然后按照太阳光线的强度安装日光灯,他的试验方案就实施不成了。因为照在大气层外每平方米面积上的太阳光的热量是1360瓦,要安装日光灯模拟太阳光的话,每平方米面积上要装上34只40瓦的日光灯。这样,“病人”还能治疗吗?

卢森梭博士简单地用日光灯象征性地给“病人”照射,居然收到了良好的效果,大多数“病人”经过2~3天的治疗,症状明显地缓解。真是出奇制胜啊!

对于像卢森梭博士这样的“外行出奇制胜”当然是不能过多地评头品足的,但作为“内行”的物理学家要是这样做就不足取了。物理学家描述发光体发出光线的强和弱,通常用物理量——发光强度来表示,它的单位是坎德拉。1坎德拉大体上相当于点燃一支标准蜡烛时所发出的光。

把太阳光和已知的标准光源进行比较,得到太阳在正午时照在地面上的阳光要比1米远处同时点燃10万支标准蜡烛还亮。我们有这样的体会:从炼钢炉里出来的钢水散发的热气是非常强的,离它不远的人,身上的衣服都会烤焦,所以炼钢工人都穿着厚厚的防温隔热的工作服。离钢水远一点,热气就少一点。离得再远一点,热气就再少一点。离钢水越远,热气就越少。