【A-Level物理干貨】物理是什么之宇宙學(xué)

首先，要想弄明白物理是什么，我們需要知道物質(zhì)的起源是什么?有些同學(xué)或許知道，現(xiàn)在比較流行的關(guān)于物質(zhì)起源的說法是宇宙大爆炸學(xué)說，即the?Big?Band 。這個(gè)可不是某韓國(guó)著名偶像組合，也不是某美國(guó)泡沫喜劇。

宇宙大爆炸是自從13?billion?years開始，經(jīng)過不斷的向外擴(kuò)張，逐步形成了我們現(xiàn)在的數(shù)不清楚的星系以及成千上萬的恒星。恒星（stars）比如我們的太陽（the?Sun），同樣也是物質(zhì)的‘制造廠’。今天老師想分享的是Edexcel和OCR考試局Unit?5的一道題目。同樣在AQA考試局Optional內(nèi)容中有所涉及。提前預(yù)告一下，本節(jié)還講解了謎一樣的黑洞(Black?hole)是怎么形成的。有興趣的同學(xué)可以留意。

請(qǐng)先看題目：

離我們最近的一顆恒星就是太陽。然而在宇宙中有著成千上萬，數(shù)也數(shù)不清楚的恒星。夜里，當(dāng)你仰望星空，90%的星星都是類似于太陽，或者比太陽大的恒星，叫做main?sequence star。對(duì)于這個(gè)熾熱的太陽，你有沒想象一下，太陽的過去與未來？

我們先說太陽的過去。太陽是怎么形成的呢？在5000?million?years?ago，太陽形成的初始階段幾乎完全被密集的星云氣體和灰塵所掩蓋。由于重力的原因，星云團(tuán)的質(zhì)量向內(nèi)坍塌，隨著它的溫度和壓力的增加，這些片段會(huì)凝結(jié)成一個(gè)被稱為原恒星（Protostar）的超熱旋轉(zhuǎn)氣體。

繼續(xù)的坍塌會(huì)導(dǎo)致核聚變(Fusion)反映的開始。一顆恒星就誕生了。

我們的太陽經(jīng)過了4.5?billion?years的核聚變反應(yīng)，已經(jīng)進(jìn)入了‘中壯年’。形成了一顆穩(wěn)定的恒星。那么恒星的未來又在哪里？我們知道恒星的主要物質(zhì)是氫氣與氦氣。隨著核聚變的反映，最終，恒星會(huì)耗盡核心供應(yīng)的氫燃料，合成高質(zhì)量的元素，比如鐵，并且離開主序（main?sequence）帶進(jìn)行下一階段的演化。

紅巨星（red?giant）階段是緊接在離開主序帶之后的階段。因?yàn)殍F等其他很高質(zhì)量的物質(zhì)，核心會(huì)繼續(xù)塌縮，剩余的氫燃料會(huì)膨脹。恒星膨脹的外層是對(duì)流的，湍流讓接近燃燒區(qū)域的物質(zhì)上升至恒星的表面，并和表面的物質(zhì)混和。這顆紅色的耀眼恒星就變?yōu)榱嗽瓉眢w積的若干多倍。

當(dāng)一顆恒星耗盡了供應(yīng)的燃料之后，依據(jù)它在生命期的質(zhì)量，它的殘骸可以是下面三種型態(tài)之一。

如果和太陽的質(zhì)量差不多，恒星的最終宿命演化成白矮星（white dwarf）。1個(gè)太陽質(zhì)量的恒星，演化成白矮星之后的質(zhì)量大約是0.6個(gè)太陽質(zhì)量，被壓縮的體積則近似地球的大小。白矮星是非常穩(wěn)定的天體，白矮星在剛形成時(shí)有著非常高的溫度。

如果恒星的質(zhì)量大于太陽的三倍，當(dāng)恒星的核心崩潰時(shí)，就會(huì)形成爆炸，即時(shí)我們所說的超行星爆發(fā)（supernova）。壓力造成電子捕獲，因而使得大多數(shù)質(zhì)子都轉(zhuǎn)變成為中子。原本使原子核保持分離的力都消失了（按比例，如果原子核的大小像極小的灰塵，原子將有如一個(gè)足球的學(xué)術(shù)活動(dòng)場(chǎng)那么大），恒星的核心就成為只有中子的致密球體 (就像是個(gè)巨大的原子核)。這種恒星被稱為中子星（neutron?star），有著極高的密度，所以它們非常的小，大小不會(huì)超過一個(gè)大城市，直徑只有十幾公里的數(shù)量級(jí)。

如果恒星的殘骸有足夠大的質(zhì)量，中子簡(jiǎn)并壓力將不足以阻擋恒星繼續(xù)向物質(zhì)內(nèi)部塌縮，當(dāng)坍塌為一個(gè)點(diǎn)，我們稱之為奇點(diǎn)（和電視劇歡樂頌無關(guān)，哈哈）。這個(gè)恒星的殘骸就會(huì)成為黑洞（Black?hole）。因?yàn)闊o限大的質(zhì)量，集聚為很小一個(gè)點(diǎn)。質(zhì)量就是無窮大。這個(gè)質(zhì)量大的物體，重力也無限大，大到連光也無法逃逸，所以我們稱之為黑洞。

總結(jié)來說：

本題答案是：