老孫 發(fā)表于 2017-05-04 07:37
萬物生長靠太陽，其實科學的發(fā)展也離不開對于太陽的研究。太陽物理學是天文學中的一個重要分支。
挪威太陽物理學家保羅·布雷克這父親也從事太陽研究，實際上他從剛開始學走路的時候，就在挪威的哈勒斯圖亞太陽天文臺生活了，長大之后又成為了一位專業(yè)的太陽天文學家，成為挪威和歐洲空間局、美國國家航空航天局的太陽研究項目的領軍人物。
他為公眾寫成的《我們的太陽》圖文并茂，淺顯易懂，從古老的極光傳說，到最新的太陽物理之謎，把太陽方方面面的秘密抖了個遍，一定會讓你拿得起，放不下。
如今春分已過，太陽回到了北半球，讓我們在春暖花開的季節(jié)，一邊曬著太陽，一邊了解這位年齡已經45億歲，既溫柔又暴躁的太陽老公公吧。
有句話說，“一個民族需要仰望星空的人”，不過呢，夜晚的溫柔我們對宇宙有一種迷思，讓我們以為宇宙是如此的靜謐安詳。我們之所以有這樣的感覺，是因為我們居住在地球上。我們的地球是太陽系里的一顆行星，在這顆行星上，我們自由地呼吸，享受著和煦的陽光。這一切都是因為地球特別的環(huán)境，以及它與太陽的微妙關系。
太陽是個超級土豪
我們居住在地球大氣層的底部，大氣層就像厚厚的毯子蓋在我們身上，為我們保持了合適的溫度，它還跟地球磁場一起，替我們擋住了來自宇宙的危險。如果沒有大氣層，裸露的地球直接面臨溫度接近絕對零度（零下273攝氏度）的太空，那會是什么情形，看看月亮就知道了——白天接受太陽照射“發(fā)高燒”達到127攝氏度，夜晚降到零下183攝氏度。
處在離太陽1.5億千米的我們，接收到太陽的能量是每平方米1366瓦，這是垂直于陽光方向的數值，也就是進入地球大氣層的能量密度。因此，地球接收到的太陽光總能量是1.740×1017瓦，這個數字是非常恐怖的，為什么呢？因為目前我們人類每年消耗的總能源大約是年5×1017千焦，也就是只相當于3000秒也就是8.3小時的太陽光能量。人類辛辛苦苦一年干的力氣活兒，只相當于太陽的一個工作日！更何況，我們接收到的太陽光能量，又僅僅是太陽本身輻射出來總能量的20億分之一！這就相當于太陽往宇宙中撒了兩千萬人民幣，我們地球只接住了其中一分錢！
看到這里，你可能想到，哇！我們應該更積極地利用太陽能，即使不能畝產萬斤，至少可以緩解世界上的能源危機了。不過天文學家看到這些數據，會想到另外一件事兒，太陽是如何產生如此的巨大能量的？
表現太陽內部結構的藝術剖面圖，摘自《我們的太陽》一書。圖片來源：NASA
從太陽來的諾貝爾獎
太陽的巨大能量從而來，也就是“太陽發(fā)光之謎”，曾經令天文學家們苦苦困擾了上百年。一直到1920年代，英國物理學家愛丁頓才提出猜想，應該是太陽內部發(fā)生的核聚變反應，提供了源源不斷的能量，1938年貝特（Hans Bethe）完成了關于太陽內部氫聚變成氦的熱核反應過程的計算。這個貢獻解決了恒星能源之謎，從而讓他獲得了1967年的諾貝爾物理學獎。
在核聚變過程中，除了發(fā)出光、正電子之外，還會發(fā)射出來一種“看不見摸不著的”的粒子，稱為中微子。天文學家約翰·巴考爾（John Bahcall）建立了“標準太陽模型”，他預言每秒鐘就有數以萬億的中微子穿過我們身體，但我們沒有任何感覺，也就是中微子幾乎不會跟我們發(fā)生任何作用（要是作用顯著的話，那就變成災難大片《后天》的情景了），但是在隨后美國Homestake金礦和日本神岡地下實驗的測量中卻發(fā)現，測量到的太陽中微子流量只是預期中的三分之一。這個問題被稱為“太陽中微子丟失之謎”（solar neutrino problem）。
一直到1998年和2002年，日本超級神岡和加拿大SNO實驗室才觀測到確切證據，證明中微子沒有丟失，中微子其實有三種，它們可以相互轉化。從太陽里出來的時候，只有一種電子中微子，在飛行過程中，它有三分之二轉化成了另外兩種。
這下我們可以放心了，太陽這個巨大的能量之源，還是牢牢地掌控在科學家的方程之中。有意思的是，在2002年，雷·戴維斯與小柴昌?。∕asatoshi Koshiba）由于發(fā)現“太陽中微子丟失”而被授予諾貝爾物理學獎（其實在這時，“丟失之謎”的答案剛剛被找到，正因為“丟失之謎”被解決，人們才注意到這個問題的重要性）。到2015年，解決“丟失之謎”的科學家梶田隆章（小柴昌俊的學生）及SNO實驗室的亞瑟·麥克唐納也拿到了（慢了半拍的）諾貝爾物理學獎?？磥碇Z貝爾獎委員會還真是“不見兔子不撒鷹”?。?div style="height:15px;">
雖然有了“太陽標準模型”，實際上關于太陽還有很多未解之謎，比如太陽黑子周期是怎么回事兒，日冕溫度為什么比太陽本體還高，太陽風是怎么被拋射出來的，太陽磁場究竟是怎么回事兒，太陽是怎么形成，又將在何時發(fā)生爆炸毀滅太陽系……有許多問題都是諾貝爾獎量級的難題。因此天文學家們正在動用地面、太空望遠鏡各種手段密切關注太陽。
極光之謎
其實從太陽而來的巨大能量早就有了征兆，只是我們不理解而已。在地球的高緯度地區(qū)，夜晚經?？梢钥匆姌O光（Aurora）。極光異常壯麗，是橫跨天空的巨大綠色、紅色、藍色光帶，還會輕輕飄舞，令人心醉神迷。極光看上去很美好，但它卻是太陽“脾氣暴躁”的證據。
阿拉斯加熊湖上空的北極光。圖片來源：USA Air Force，摘自《我們的太陽》一書
除了發(fā)出光和熱，太陽還會發(fā)出高能的帶電粒子流，其中主要是電子和質子。太陽風的速度非常大，可以高達160萬千米每小時，有時候狂風速度還會更大。如此狂躁的太陽風會嚴重傷害生命，所以載人航天的防護非常重要，要能夠把這些高能粒子屏蔽在飛船之外，要是出艙活動，宇航員要穿上厚厚的宇航服。
在地面上，幸好地球有一個厚厚的大氣層保護我們，而且它還有一個隱形的幫手：地球磁場。地球磁場的磁力線從南北極出來，在地球周圍形成像多層籠子一樣一個場。來自太陽的帶電粒子被地球磁場俘獲，會在這個磁場中運動，輸送到南北極區(qū)域。當這些粒子流在南北極沖進地球大氣層的時候，跟高層大氣原子發(fā)生強烈的摩擦，把能量傳輸給大氣原子，會產生某些特定顏色的光。這就類似日光燈或者霓虹燈的發(fā)光機制，也就產生了我們看到的美妙的極光。在中國古代傳說里，北方有一種神獸叫做“燭龍”，它的形體巨大，在空中搖擺。民俗學家認為，它可能就是源自古人看到的極光，或者聽說過的北方極光傳說。
地球磁層保護我們免受太陽粒子的危害。不過有些粒子依然能夠從這個保護盾的“間隙”進入大氣層，產生白日極光。來自太陽的大部分粒子在地球背向太陽一側穿透磁層，然后沿著磁力線去往極地區(qū)域。圖片來源：T.Abrahamsen/ARS，摘自《我們的太陽》一書
當太陽活躍，太陽風非常強烈的時候，有時候在中低緯度都可以看到極光，還可能會對我們的電氣設備造成傷害，尤其是我們如今為數眾多的衛(wèi)星等航天器。所以在現代的天氣預報之外，又加了另外一項“太空天氣預報”，提前知道太陽的活動，尤其是那些被拋射出來的大團的高能粒子，進行防護或躲避。
慶幸地生活在地球上
所以我們能夠生存在地球上，是由一連串的巧合條件造成的。我們離太陽的距離不太近，也不太遠，正好適合液態(tài)水的存在。像水星離太陽太近，它的大氣層已經被太陽給剝光了，像木星土星，離太陽又太遠，如果地球位于這樣的位置，行星也是冰凍的。如果沒有地球大氣層，我們就會像月亮一樣，白天溫度非常高，夜晚溫度非常低。這種溫度劇烈變化、冰火二重天的世界，是很難適合生命存在的。地球磁場幫我們抵擋了來自太陽的高能粒子，從而免于電離輻射的傷害。
此圖表現了我們所在的太陽系剛誕生時可能的樣子。圖片來源：NASA/FUSE/LynetteCook，摘自《我們的太陽》一書
所以宇宙環(huán)境對于生命來說并不友好，地球和太陽的關系微妙而復雜，地球的種種條件，讓它成為難得的承載生命的一艘“宇宙飛船”。在這次飛船上，我們能夠享受來自太陽的能量，卻又不被它傷害。
我們日常所需要利用的也僅僅是太陽光中的可見光部分（還有部分紫外線和紅外線）。而大氣層的防護和我們在宇宙中的位置，又讓我們可以非常安全的觀測太陽，理解太陽。太陽是我們了解宇宙，尤其是了解恒星的非常好的樣本。
