太陽與它的行星
作者：劉遠景 （原載于“新浪博客”，原名叫《地球與太陽》）
(2009-01-15 13:17:03)
前面說了宇宙,今天想說說我們賴以生存的地球和太陽。意思是我們應(yīng)該愛護我們共同的家園。人類并不是像哈姆雷特所說的那么偉大，而是宇宙中的一種普通的生物。不要以為人可以憑借自己的智慧和力量主宰其他生物，就可以為所欲為。我們平時強調(diào)人權(quán)，其實也應(yīng)該講動物權(quán)和植物權(quán)，不然，我們會遭報應(yīng)的。
太陽的一些數(shù)據(jù)和能量：直徑140萬公里。與地球的距離約1.5億公里,太陽光照射到地球上需要約8分鐘。太陽的表面溫度約6000攝氏度，中心溫度約1500萬開氏度。太陽的密度為每立方厘米1.4克,由于它的體積大,質(zhì)量卻是太陽系行星總和的745倍,是地球質(zhì)量的33萬倍,即:1.9891×1033克,換成噸為200億億億噸重。太陽自轉(zhuǎn)一周為25天，公轉(zhuǎn)速度為每秒250公里，繞銀河系核公轉(zhuǎn)一周為2.5億年。
太陽上的化學成分與地球上的化學成分相同，只是比例有差別：太陽上氫占71%，地球上氧約占地殼的50%。
太陽是地球及其生物存在的根本。沒有太陽的引力和斥力，地球早已經(jīng)不能作為一個獨立的天體存在，其他七大行星也是同樣。（冥王星已經(jīng)不當作一個行星了）。地球上的一切能源都來自陽光，否則，就沒有植物和動物，自然，也就沒有煤和石油，沒有太陽就沒有四季寒暑，也就沒有水力資源。如果沒有這些能源，我們?nèi)祟惥筒豢赡墚a(chǎn)生，也不能生存。
太陽與其他恒星相同，都靠普通的氫核聚變產(chǎn)生能量，供它自身和其他行星享用。但是太陽的氫核聚變與氫彈核聚變不同。太陽的能量產(chǎn)生的速度非常慢，太陽中一個人體大小的體積內(nèi)產(chǎn)生能量速度，比人體將食物消化轉(zhuǎn)為能量的速度還要慢。氫彈和太陽能量產(chǎn)生速度的巨大差別是因為它們的氫核聚變反應(yīng)的類型不同。太陽中的氫幾乎全是普通的氫，每個氫原子只有一個質(zhì)子，而氫彈的核反應(yīng)需要的氫是兩種稀有的同位素---氘和氚。這兩種同位素除了含有一個質(zhì)子外，還分別含有一個或者兩個中子。氘和氚相對而言更容易發(fā)生核反應(yīng)。太陽用來產(chǎn)生能源的核反應(yīng)依靠普通的氫，這種反應(yīng)非常困難。我們?nèi)祟愒诘厍蛏线€有能力使普通的氫產(chǎn)生核聚變，只能使用氘和氚產(chǎn)生核聚變制造氫彈。
太陽和恒星上的普通氫的核聚變的機制與原子貝塔衰變的機制相同，這種反應(yīng)叫作“弱相互作用”（Weak interaction）。貝塔衰變（Beta decay）是一個質(zhì)子（或中子）改變成一個中子（或質(zhì)子），并放出一個電子（或正電子）的放射性衰變過程，放出的電子叫貝塔（β）粒子，貝塔放射性衰變由弱相互作用控制，并且總是會有一個反中微子（或中微子）逃逸出去。
太陽中的普通氫原子只有一個質(zhì)子，沒有中子。由于太陽中氫占物質(zhì)總量的71%，自然太陽中的質(zhì)子很多，但質(zhì)子單靠自己不能實現(xiàn)貝塔衰變轉(zhuǎn)化為中子，但是，如果某一質(zhì)子這樣衰變產(chǎn)生的新原子核比原核結(jié)合得更緊，這一過程就可以進行，而且不斷發(fā)生。根據(jù)不確定原理，整個系統(tǒng)可以“借到”額外的能量來使這一反應(yīng)成為現(xiàn)實。因為在衰變過程的最后，整個系統(tǒng)的總能量將會更低。雖然質(zhì)子僅靠自己不能轉(zhuǎn)化為中子，但如果在合適的原子核中，它們還是可以進行的。太陽上兩個質(zhì)子相互碰撞，由于庫侖排斥力，它們很難靠近進行強大的短程強相互作用，但是，偶爾由于量子隧道效應(yīng)（Quantum tunnlling）兩個質(zhì)子能結(jié)合在一起，形成一個不穩(wěn)定的由兩個質(zhì)子組成的原子核。通常，在一個很短時間內(nèi)，兩個質(zhì)子又會分開，但由于弱相互作用和不確定原理，這一不穩(wěn)定的原子核的兩個質(zhì)子中的一個有機會通過貝塔衰變轉(zhuǎn)化為中子，從而形成一個氘或氚原子核。
一旦氘或氚核形成生成氦所需的其他核反應(yīng)就容易了。質(zhì)子和氘核之間通過強相互作用和電磁相互作用反應(yīng)形成3He,再通過一個強相互作用形成氦四，這樣，由質(zhì)子---質(zhì)子循環(huán)，由氫變?yōu)楹さ倪^程產(chǎn)生大量的能量，以此來供應(yīng)太陽自身及其他行星。
根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能換算關(guān)系E=MC2。太陽這樣大的質(zhì)量恒星按過去和現(xiàn)在的核聚變速度，還可以燃燒幾百億到上千億年，即使后期燃燒得快一些，也能在一百億年內(nèi)有足夠的能量供應(yīng)。
太陽是銀河系中一個普通的恒星。太陽離銀河的銀核約為2.3萬光年，也有說三萬光年的。像太陽這樣的恒星在銀河系中大約有幾百億個（中學課本中說有一千億個）。這些恒星中有的比太陽的的質(zhì)量大，如天蝎座α星，其質(zhì)量等于二十五個太陽質(zhì)量，有的比太陽小，如牧夫座α星，質(zhì)量只有太陽的一半。要論體積，在銀河系可能要算獵戶座的α星為最大，那可是個龐然大物，有900個太陽的體積大。幸運得很，它離我們地球很遠，有650光年。要是像半人馬座的比鄰星那樣只有幾光年，那我們白天曬太陽，晚上要曬星星，也許根本就沒有晚上，那我們會疲憊不堪的。
銀河系的中心銀核是一個質(zhì)量非常大的天體，吸引力也非常強。我們的太陽離這個銀核有二萬多光年。這是一個比較好的距離，離得太遠，可能會被其他星系吸引走，太近了又會成為銀核的獵物，被它吞噬掉。
2，地球
地球是太陽的一個行星。太陽有八個行星（原先說有九個，后來天文學家把最邊上的冥王星除名了，原因是它太小了。）依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。前四個因為像地球是固體的，所以稱為類地星，后兩個因遠離太陽，表面溫度低稱之為遠日星。木星和土星是兩個巨型行星。
前面說過，固體是宇宙中稀有的物態(tài)形式。按物理學原理，任何物體大約都經(jīng)過等離子體階段，可能是水星、金星、地球和火星離太陽太近，溫度比較高，太陽的輻射和引力使這幾個行星由等離子體狀態(tài)改變成為固體狀態(tài)了。在這四個固體行星中，地球的體積，質(zhì)量都是最大的，距離太陽處于第三位，自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)也是最快的。因此，地球有足夠的引力吸引住空氣。地球有了大氣層，能減少太陽的輻射，使溫度不至于太高，也能保留住地球上水分這個生物產(chǎn)生和生存的根本。如果地球的質(zhì)量太小，運動速度又慢，地球也就同金星和火星一樣成為一片荒漠了。地球是一個有生命存在的天體，像地球一樣有生命的天體在宇宙中并不多。其原因之一，也是最重要的原因就是地球上有水。
生物（除病毒以外），都由細胞組成，而活細胞是由水、無機鹽、糠、脂、蛋白質(zhì)和核酸組成的，這些有機物都離不開水，水在生物體中的成分約占80-90%。雖然水是一種無機物，卻是細胞生命的主體，并且沒有水，或者水分不足，生命體就無法進行循環(huán)和代謝，所以說水是決定地球上存在生命的第一要素。在太陽系行星中，在木星以遠，由于溫度低于零下140攝氏度，即使有水，也不是液態(tài)的，生命無法在那里存在。在離太陽較近的水星和金星上，溫度又高于460攝氏度，即使有水，也早已經(jīng)蒸發(fā)掉了。只有火星與地球的溫度相近，從火星表面存在河床上看，火星的確曾經(jīng)有過液態(tài)水。由于火星質(zhì)量比地球小，自轉(zhuǎn)也慢，引力不足以留住空氣，所以現(xiàn)在大氣非常稀薄，雖然它離太陽比地球遠一些，但白天照在火星上，由于沒有大氣層隔離保護，使火星的白天溫度比地球白天的溫度還要高很多?；鹦巧蠜]有水的主要原因有二：一是引力太??；二是溫度太高。
地球上有生命的第二個原因是溫度適宜。地球的地面平均溫度是22攝氏度。這個溫度便于一些原子結(jié)合成大分子，在自然條件下不至于使已經(jīng)結(jié)合的分子分解成原子，特別是使水分子保持在二氫一氧的狀態(tài)。由于地球上水的覆蓋面積大，并且由于蒸發(fā)循環(huán)和海流循環(huán)，能夠調(diào)節(jié)地球上的溫度，使熱的地方不至于太熱，冷的地方不至于太冷。
地球上有生命的第三個原因是有充足的大氣。大氣就像客人一樣，要想留住大氣，主人必須好客。天體要想留住大氣就必須有足夠的質(zhì)量引力，不然大氣就會逃逸遠去。即使地球有這樣大的質(zhì)量，也有少量的大氣并且是氧氣透過電離層散逸到太空中去了。地球上的地殼中氧的萬分占50%，空氣中氧的成分占21%，氮占了78%，這兩者組成一種干潔的空氣，都是生物維持生命所必需的物質(zhì)。也許人們重視氧氣的作用，忽視氮氣的作用，其實，氮也是生物特別是植物所必需的，化肥的主要成分就是氮、磷、鉀，足見氮的重要性。
宇宙中氫的成分占72%，但地球上無論是地殼還是大氣中，氫的成分卻非常少，這主要是氫的質(zhì)量低，太輕。作為氣態(tài)的氫，地球很難以自身的引力吸引住它。但是由于地球氧的成分足，一部分沒有逃逸的氫原子與氧原子相結(jié)合成了水，這些氫再也不能逃脫地球了。
水、溫度、大氣的適宜是地球上生命存在的基本原因，也是區(qū)別于其他天體的重要標志。
我國中學的地理課本上說：“根據(jù)科學家推算，其中可能有的（銀河系）恒星擁有適合生物生存條件的行星”。這種可能是有的，但是那個行星必須有以上三個條件。不僅銀河系，就是仙女座大星云系，只要有上面講的條件，都能夠維持生命生存下去。這里說的是維持生命生存的條件，不是生命起源的條件。生命起源的條件比維持生命的條件復雜多了，僅大分子如何形成生物細胞就是一個非常復雜的問題。這個我們以后再說。
地球還有如下一些數(shù)據(jù)是我們應(yīng)該知道的：地球赤道半徑為6378公里；繞太陽公轉(zhuǎn)一周的時間是365天5小時；在繞太陽公轉(zhuǎn)時，地球并不是以自轉(zhuǎn)赤道為近日點均衡地運動的，自轉(zhuǎn)形成赤道平面，公轉(zhuǎn)形成黃道平面，在赤道與黃道之間形成23.26分的交角，這樣，太陽在夏天偏向北半球直曬，冬天偏向南半球直曬，只有在春分日和秋分日才把直曬點放在赤道上。由于這個緣故，才構(gòu)成了一年四季，在亞熱帶到溫帶生活的人感覺是最明顯的。地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道是橢園形的，不是正園形的。在冬天，地球離太陽的距離是一億四千七百萬公里；在夏天，是一點五億公里。也就是說，夏天地球離太陽的距離比冬天地球離太陽的距離遠200多萬公里。平均距離是14，960公里。約為1.5億公里.這個數(shù)字也叫國際際天文單位,字母寫為AU。
地球在冬天離太陽近,我們北半球的人卻感到冷,夏天離太陽遠了反而感到熱,這是因為太陽光冬天不是直射到地球的北半球,而夏天太陽是直射到北半球的緣故。所以,行星與太陽的距離并不是決定行星行溫度的唯一的條件。
太陽繞太陽運行在近日點與遠日點的速度也是不一樣的，遠日點時，運行慢，近日點時運行快。這也是宇宙中所有天體運行的規(guī)律。
地球與其他天體一樣也有磁場，以地球自轉(zhuǎn)軸為方向分為南北兩極。我們可以依此用指南針辨別方向，但是這個南北兩極也不是固定不變的。地磁場的極性在地質(zhì)時期內(nèi)具有固定周期的以180度方向的變化。到時，會出現(xiàn)南北兩極的互換，南極變成北極，北極變成南極。這種現(xiàn)象稱為“地磁倒轉(zhuǎn)”。這個周期維持時間一般為七十萬年到一百萬年左右，在這種轉(zhuǎn)換時期會有上千年地球沒有磁場，指南針失靈。這時地球上的人類會遭受由于沒有地磁保護而造成的宇宙射線的傷害，不少動物和植物將會毀滅，也許恐龍就是因為地球換磁極而滅亡的。
我們通常說的一天等于24小時,實際上是23小時56分4秒。在赤道處自轉(zhuǎn)的線速度為每秒1674公里。地球形成已經(jīng)46億年了，它在幾億年前也是以這個速度自轉(zhuǎn)的嗎？回答是：不是。地球在早期比現(xiàn)在自轉(zhuǎn)得快。由于日月的引力引起的海洋潮汐造成了地球自轉(zhuǎn)角動量的減少，加上冰川溶化引起海平面的上升造成地球自轉(zhuǎn)阻力的增加，地球的自轉(zhuǎn)速度是越來越慢了?，F(xiàn)在地球自轉(zhuǎn)的速度每天都在減慢1—2毫秒。二千年來，時刻已經(jīng)累積慢了二個多小時，地球還會由于地幔、地核的變化，風力的變化繼續(xù)減慢?，F(xiàn)在與五萬年前相比，每天至少長了一個多小時。也就是說，在五千年前，地球繞太陽一轉(zhuǎn)周的時間不是365天而是390多天。
地球的體積也是有變化的。當?shù)厍騽傂纬蛇M入太陽行星的軌道平面時，還應(yīng)該是等離子狀態(tài)，它的半徑肯定比現(xiàn)在長五分之一，應(yīng)該是7650公里左右，以后，地球還會以每年二毫米的速度縮小。
3，木星為什么不是恒星？
太陽系的八個行星中，按半徑大小排序，木星應(yīng)該排為第一，它的半徑是地球的317倍，按體積排序，也是木星最大，是地球的1320倍。木星有16個衛(wèi)星，比太陽的行星還要多，而地球只有一個衛(wèi)星——月亮。
在太陽系行星中，木星的確是一個龐然大物。木星的化學成分也與太陽和其他行星相同，主要成分是氫和氦，核心溫度高達三萬多度，核心主要是鐵和硅，其外層溫度卻很低：-148度。在八大行星中，自轉(zhuǎn)最快的是木星，它的赤道自轉(zhuǎn)一周只要9小時50分。公轉(zhuǎn)一周由于它比地球軌道大，約要12年才能繞太陽轉(zhuǎn)一周。木星的密度為每立方厘米1.33克,太陽的密度為1.41克。
這樣大的天體為什么屈尊作了一個太陽的行星，而沒有作恒星呢？
回答是：質(zhì)量太小。木星的質(zhì)量在太陽系中是最大的，但是與太陽相比，其質(zhì)量就微不足道了，還不到太陽質(zhì)量的1%呢。太陽系的所有行星的質(zhì)量總和還不到太陽質(zhì)量的8%。
在前面已經(jīng)說過.一個天體形成后要進入主序星的第一個基本條件就是它的質(zhì)量要達到太陽質(zhì)量的百分之七以上,小于這個質(zhì)量數(shù),其內(nèi)部就不能有足夠的收縮壓力產(chǎn)生高溫,不能產(chǎn)生氫核聚變的.一個小于太陽質(zhì)量百分之七的天體的命運只有二個:要么成為變星;要么成為某恒星的行星。
要按化學成分來說，木星有足夠的氫，自轉(zhuǎn)速度也快，如果它的質(zhì)量再增加七、八倍，也就可能成為一個恒星了，它就不會圍繞太陽公轉(zhuǎn)了，它四周的衛(wèi)星也就成了行星了。
