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天體品質是怎麽稱出來的?其實不僅能稱重天體,還能稱重整個星系

2024-08-23科學

千鈞一發「不稱星體」。

星體的品質非常之大,天文學家會用「太陽品質」的單位來衡量星體的品質,其中,1個太陽品質等於2*10^30公斤,也就是2000億億億公斤,因此星體的確太重了。

但是要說稱星體的重量,為什麽星體的品質太小就不稱了呢?

是人太貪心,還是人太懶惰?

這其實有一個很簡單的原因,那就是:這樣根本稱不出來。

這聽起來有點玄乎,但仔細想想也不難理解。

人們使用稱重的原理首先是什麽?

秤就是一個測力儀器,力的本質是啥?

是品質乘以加速度,這裏的加速度是指由於重力使物體受力而產生的加速度。

萬有重力定律是由牛頓提出的,向心力、向外力是物體遵循的基本原則,從這些定律可以推得一顆物體承受來自地球重力的力大小為F=mg。

但如果把品質m看作10公斤的話,那麽10公斤受到的重力就是98.1N。

那麽假如一個力傳感器的測量範圍是0-50N,另一個是50-100N,這意味著什麽?

顯然是10公斤的重力太大,已經超出了我們手中力傳感器所能承受的範圍,測不出。

這還是「只有10公斤」的星體,如果品質只有1公斤,那測量品質的力會更小,這就更測量不出來了。

而且,科學家還發現,星體的本質是什麽?

由於組成星體的粒子,它們的品質主要來自質子和中子,而質子和中子被認為是不可分的基本粒子,因此明顯,不可能稱出一個只有1個質子、1個中子的「星體」,這樣的觀測根本上不了台。

但是如果這樣說,太重的不稱,太輕的不稱,那稱星體的重量還有什麽意義呢?

難道真的只能測量「恰到好處」的星體?

其實不然,然而如果品質太大,那麽星體的體積也會變大,而且密度也會降低,這樣測量的難度就大大降低了。

量子力學的「威力」。

這到底是為什麽?

為了回答這個問題,我們需要先了解一下「度量」的概念:度量是鏡面反射光的單位,長度單位是奈米,而品質單位就是原子單位,由此可見,這個單位十分之小,因此: 1.度量是最小的單位,無法再細分。

原子單位是品質上的單位,並不是原子數目上的單位。

在人們剛開始接觸到原子以及原子構成的分子、普朗克所提出的光子能量概念時,確實都需要知道原子的大小,並且需要知道光子或原子的構成,因此在這個階段,原子的大小,以及光子的品質,對人們來講是非常有用的資訊。

然而,隨著研究的深入,人們更註重「量子力學」的法則,因為這個階段需要知道的是原子和分子的性質,尤其是在進行化學研究時,已經很少有人去關心原子應該多大、光子的品質是多少了。

這時人們已經開始試圖用微觀的粒子來描繪宏觀的世界,最終,人們已經能夠直接測得原子和分子來研究材料的性質,而這再也不需要知道原子的大小以及光子的品質了,因為這些資訊都是由量子力學來決定的。

從這個角度上來講,原子和光子已經不再是能夠細分的物質,因此,學術界把原子、光子稱為「品質單位級別的物質」。

而在指導研究過程中,人們會發現:凡是涉及品質級別的研究,都和量子力學有關,而只要是品質級別的物質,且只要等級不是很低,那這些研究就會和量子力學有關,反之則不然。

那麽,量子力學又是什麽呢?

簡單地說,量子力學就是使用數學的方法來描述微觀世界的一種學科體系,而在這個學科中最為獨特的地方是:波粒二象性。

這個學科的原理非常之簡單,那就是光在傳播過程中,會形成一種光電子的粒子行為,而電子在傳播、進行光譜儀測量的行為過程中,也會表現出一種波動的性質,這種表象既不是粒子,也不是波動,因此人們就創造出一種新的概念:「粒子波」。

而這種「粒子波」性質就是由量子力學來定義的,這種定義幫助人們更好的了解微觀世界。

在測量原子的世界中,人們就會發現原子本身太輕,因此原子和質子的大小都用「原子單位」來做單位,而光子的能量用哈特來表示,而太陽品質則用動品質來表示。

在太陽動品質的單位中:1個太陽動品質=9.5*10^37千克,如果太陽品質要達到這個數量級別的話,那麽這顆太陽的體積就不再是「像太陽那麽大」了,而是:1. 體積變得非常大。

新發現:太陽又輕了50%。

從太陽這裏也能很好的說明星體的體積和密度的關系,不過這次我們不討論太陽這個重量級,而是更加重的星體,比如主序星。

主序星是天文學定義的一個星體階段,也是由燃燒氫元素,而目前所研究的大部份星體都是主序星階段,不同的主序星品質各有不同,但是它們的品質在天文學家的觀測中都基本處於相近的範圍。

在我們所研究的恒星中,品質最小的恒星是0.08個太陽品質,這類恒星的體積也非常小,幾乎和木衛的體積差不多,而品質最大的恒星是120個太陽品質,這種恒星並不常見,因此,探索它們的痕跡就顯得格外困難。

在太陽的品質中,人們只有透過計算的方式才能得出這個品質,因此對於更大品質的恒星來講,計算的難度就會更大,這就是主序星品質的上限。

和主序星對應的還有一種星體,那就是白矮星,白矮星和主序星的品質差不多,但是它們的體積更小,這就導致星體的密度非常的大。

品質越大的星體,體積越小,密度越大,品質越小,體積就越來越大,密度也就越來越小,而人們透過觀測這兩種星體,還發現一個重大的問題:品質越大的星體,密度越大,但品質越大到一定程度,星體的大小也會上升,從白矮星到中子星,再到黑洞,這些星體都有各自的特點。

品質在10個太陽動品質左右的中子星都非常的穩定,而一旦品質超過這個數值,這些星體就會走向黑洞,這是因為這些星體中的原子核子會受到強大的重力,從而連續進行融合,最終導致原子核子消失,而這也會導致物質塌縮,最終形成黑洞。

但是人們得到這些結論是透過計算的方式得出的,那麽人們如何才能觀測這些星體。

有一種方法,就是使用它們對周圍天體的重力影響程度來觀測這些星體,物體的品質越大,它們的重力就會越大,而品質越小,重力就會越小,但這個方法比較受天文學家們的喜愛,只是因為它的觀測難度太大,人們並不會經常使用這個方法。

那麽人們又使用一種怎樣的方法來觀測太陽系的品質呢?

這種方法就是透過金星和地球的重力關系來進行觀測的,而此時的光年單位非常之適合觀測這兩個天體的品質。

用這種方法也能很直觀的知道:地球的品質並沒有超過太陽品質的1000倍,否則它就會像太陽一樣,成為新的太陽,對於太陽系中的除了太陽之外的所有天體的品質也都是透過這種方式來觀測的。

人們使用的還有一種方法,就是使用哈柏望遠鏡,這種望遠鏡是使用高倍率的鏡頭來放大目標物體,這種方法也非常之直觀。

結語

不僅能稱重星體,稱重整個星系也是人們從太陽系中發現的奇特方法,而在這個過程中,還發現了更多的現象。