在科学研究中,科学家每次发现新的自然现象或提出新的科学概念,都会创造专有名词来命名。命名好了,可帮助理解。复杂的现象、艰深的概念会因为直观易懂的名字而让人铭记。有些科学名词引人入胜,激起人们的好奇心和探索欲。如果命名不好,会让人或产生误解,或望文却步。
本文将对宇宙学(Cosmology)与天体物理(Astrophysics)中一些广为人知的物理名词作一番“咬文嚼字”,细究其词义,探讨背后的物理含义。
宇宙大爆炸不是爆炸。宇宙(Universe)是指空间与时间(Spacetime)的总和,包含了时空中所有的物质和能量。英文Universe一词含有Unique(即唯一)的意思,也就是说只有一个宇宙,宇宙包含了一切。物理学中有多重宇宙(Multiverse)理论,该理论认为存在多个相互独立的平行宇宙(Parallel Universe)。然而,这仅仅是基于数学逻辑的假设,无法在真实世界中被证实。
超新星爆发不诞生新星。第一代恒星未曾被直接观测到,仅仅是在理论上推测其为非金属星。这是因为,宇宙大爆炸过程产生了氢和氦,但没有产生金属元素。与通常所说的金属不同,在天体物理中把比氦重的元素统称为金属元素。恒星内部发生大量氢核聚变(Fusion),由聚变提供能量来抵抗引力坍缩。聚变不断把氢变成氦。
对大质量的恒星,当其核心的氢被耗尽,外壳的氢开始发生聚变,这会使得恒星体积逐渐增大,直至变成红超巨星(Red Super Giant)。如果恒星核心的质量超过钱德拉塞卡极限,由于电子简并压力无法抵抗引力,核心将会突然坍缩。坍缩的过程中产生巨大的爆炸,将恒星的大部分物质高速向外抛出,这个过程称为超新星爆发(Supernova)。超新星爆发产生的能量足以使一些较轻的非金属元素聚变成较重的金属元素。
含有金属元素的抛射物为下一代恒星的形成提供了原料。
黑洞是洞吗?超新星爆发剩余的恒星核心继续坍缩,巨大的压力导致质子吸收电子,转变成电中性的中子。恒星核心最终形成由中子构成的致密天体,称为中子星(Neutron Star)。一般中子星直径只有大约10公里,比一个城市还小。中子星就像是个巨大的原子核,其密度远远大于地球上常见的由原子构成的物质。中子星上的一小杯物质的质量超过地球上所有人类的质量总和。
如果恒星核心的质量足够大,将会继续坍缩至小于史瓦西半径,最终形成黑洞(Black Hole)。黑洞的引力场是如此之强,以至于物质和电磁波(包括可见光)都不能逃逸出来。不能逃逸的区域边界称为事件视界(Event Horizon)。