物理学与人类文明 复习资料

《物理学与人类文明》复习资料

1 走进相对论

1.1 爱因斯坦是如何把普朗克的量子说推进为光子说的？两者的差异在何处？

答案要点：普朗克通过研究黑体辐射发现，只要认为物质单元（例如原子）吸收或发出辐射时能量不是连续的而是一份一份的，就可以克服“紫外光灾难”，使得黑体辐射的理论曲线与实验曲线相符。普朗克提出了能量量子的概念，给出了著名的普朗克公式：νh E =，其中，E 是辐射量子的能量，ν是辐射的频率，h 是普朗克常量。然而，普朗克的量子论是不彻底的。他认为原子在发射和吸收能量时是一份一份的，而能量（电磁波）在传播过程中仍是连续的。爱因斯坦发展了普朗克的量子论。他认为，辐射的本质就是一份一份不连续的，不论是在原子的发射、吸收它们的时候，还是在传播的过程中，它们都是一份一份的。爱因斯坦称之为光量子，并用光量子成功地解释了光电效应。爱因斯坦的光子说与普朗克的量子说的本质差异在于，普朗克认为的量子说只是在原子发射或者吸收时是一份一份的，而能量（电磁波）则是连续的，而爱因斯坦责任为辐射的本质就是一份一份的。

1.2 洛伦兹理论与爱因斯坦相对论的主要区别是什么？

答案要点：洛伦兹理论是建立在绝对空间的基础之上的，他认为相对性不正确，认为存在绝对空间（以太），洛伦兹变换：

???????

????????--===--=222221'''1'c v x c v t t z z y y c v vt x x 其中的速度v 是相对于绝对空间的，因而该变换时描述绝对空间运动的惯性系与绝对空间静止系之间的关系。爱因斯坦认为相对性原理成立，在光速不变原理和相对性原理的基础上，推导出了形式上与洛伦兹变换公式一致的描述两个惯性系之间的坐标变换关系。爱因斯坦认为，不存在绝对，不存在以太，上述变换的公式是描述两个任意惯性系之间的变换，v 是这两个惯性系之间的相对速度，根本与绝对空间的概念没有关系。

1.3 相对论建立在哪两个假设的基础之上？

答案要点：爱因斯坦的相对论是建立在：1、相对性原理 2、光速不变原理基础之上的。

1.4 相对论有哪些重要结论？

答案要点：相对论的重要结论是时间是相对的，空间也是相对的。

1.5 谈谈你对质能关系的理解。

答案要点：质能关系：2

mc E =这个公式不是告诉我们质量可以转化为能量，能量也可以转化为质量，而是告诉我们能量和质量是同一事物的两个方面。凡是有质量的东西都含有能

量，凡是能量，也都同时具有质量。

1.6 谈谈你对双生子佯谬的看法。

答案要点：所谓双生子佯谬，就是说假设有一对双生子A与B，A一直生活在地球上，B 则坐上高速的宇宙飞船飞向远方的星球进行星际旅行，然后再返回地球。回来后发现B比A 年轻许多。用相对论的观点来看，只是肯定的。

将生活再三维时空中的每一个人假设为一个质点，静止的人可以认为是上下左右都不动的一个点。在四维时空中，如图所示，一个静止不动的点在四维时空中表述为一条直线（pAq），而运动的质点表现为一条曲线(pBq)。这种描述质点在

四维时空中位置变化的曲线或者直线称为世界线。相

对论认为，一个质点描出的世界线的长度，就是它经

历的真实时间，称为该质点的故有时间。在非欧几何

中，两点间的距离最长的是直线，据此可知，pAq的

长度大于pBq的长度，即静止于地球表面的A的固有

时间大于做星际旅行回来后的B的固有时间，因此B

比A年轻。

1.7 什么是“同时”的相对性？

答案要点：同时的相对性是相对论的核心观念之一。

相对论认为，在在一个惯性系不同地点同时发生的时

间，在另一个相对于它运动的（v不为0）的惯性系的

观察者看来，并不同时发生。

1.8 谈谈你对动钟变慢、动尺变短的理解。

答案要点：在两个以相对运动速度为v的惯性系中的观察者观察对方的时钟，都觉得对方的时钟比自己的时钟慢；同样的，居于两个惯性系中的观察者，都会看到对方的尺子变短。

2 原子与核能

2.1 天然放射性是如何发现的？

答案要点：1864年，法国的贝克勒尔偶然吧一块铀矿石发在抽屉里，搁在黑纸包裹的感光片上，恰巧在铀矿石与感光片之间放着一把钥匙。当他打算使用这些胶片的时，惊讶地发现胶片已经感光了，上面印有那把钥匙的影像。经过反复思考，他猜测这很可能是由于铀矿石造成的。贝克勒尔把解开这一现象背后之谜交给了年轻的居里夫妇。这是这一偶然事件，使他们发现了天然放射性。

2.2 简述原子模型的发展，从西瓜模型、土星模型到行星模型。

答案要点：1897年汤姆孙发送买哦电子，他又于1904年提出了第一个原子模型—西瓜模型。他认为原子好像一个带正电的西瓜，带负电的电子则像瓜子一样镶嵌在原子中。同年，日本学者长冈太郎提出了土星模型，他也认为原子是一个带正电的实心球，电子像土星的光环一样绕着原子转。西瓜模型可以解释周期律，但不能解释光的谱线。土星模型正好相反，能解释光的谱线，但不能解释周期律。卢瑟福通过实验，发现汤姆孙的原子的西瓜模型有问题。原子并不是一个正电荷均匀分布的实心球，实际上，院子的大部分区域是真空，正电荷集中在原子的中心，形成一个体积极小的核，于是他在1911年提出了一个新的原子结构模型—行星模型。他认为原子就像一个小太阳系，带正电的核好比太阳，电子像行星一样围绕着原

子核旋转。

2.3 玻尔模型如何解释光谱线与周期律？

答案要点：玻尔认为原子中的电子的轨道是量子化的，不会改变。轨道电子不服从经典的电磁理论，而服从量子规律。电子智能在固定的轨道上运动在轨道间跳跃（跃迁）。电子在一条固定的轨道上运动时，不辐射电磁波；在轨道间跃迁时辐射或吸收一定频率的电磁波，频

E 来决定，E是两条轨道之间的能量差。这就很好地解释了光的谱率v由普朗克公式hv

线和周期律。

2.4 什么是裂变与聚变？原子反应堆、原子弹与氢弹依据哪一种核反应？

答案要点：裂变反应是用种子轰击重核（如铀235）使得重核元素分裂原子序数相近的两种新的元素，并释放出中子，这个过程成为裂变。两种原子序数很小的元素的核（如氢）在高温高压下结合成为原子量更大的氦元素，这种过程成为聚变反应。原子反应堆与原子弹属于裂变反应；氢弹属于聚变反应。

2.5 什么是链式反应？什么是临界质量？

答案要点：重核受到高能中子的轰击后分裂成两个原子序数较轻的核后，同时会产生几个新的中子，这新新产生的中子进入别的重核，又产生更多的中子，于是形成了“雪崩”，同时释放出巨大的能量。这就是链式反应。临界质量为维持链式反应所需要的裂变材料的最小质量称为临界质量。

3 量子的世界

3.1 什么是物质波（德布罗意波）？

答案要点：物质波，就是几率波，指空间中某点某时刻可能出现的几率。

3.2 什么是不确定关系？

答案要点：微观粒子运动特征的基本关系。又称测不准关系，1927年W.K海森伯首先提出。它可表述为描述微观粒子的坐标和相应动量不可能同时具有确定值，坐标和相应动量的不确定度的乘积不小于普朗克常量h的一半，即

ΔxΔpx≥h／2，ΔyΔpy≥h／2，ΔzΔpz≥h／2不确定关系给出同时确定微观粒子坐标和相应动量准确度的下限。不确定关系表明无论采用什么方法试图精确测定坐标和相应动量中的一个，必然引起另一个较大的不确定性，这样的结果与测量仪器及测量方法是否完备无关，无论怎样改善测量仪器和测量方法，都不可能逾越不确定关系所给出的限度。微观粒子的不确定关系是由其波粒二象性确定的。每个粒子都有一个与之相联系的波而显示其波动性。粒子最可能在波起伏最大或最密集的地方找到，可是波越密集就越难以确定其波长，也就越难以确定其动量；反之，动量一定的粒子对应于具有确定波长的波，在空间却是无限广延的，则可在任意位置找到粒子（见波粒二象性）。不确定关系表明微观粒子的运动不存在坐标和相应动量同时确定的状态，因而微观粒子的运动不存在轨道，经典力学描述粒子运动的方法没有意义。对于宏观物体，不确定关系所加的限制并未在实验测量的精度上超过经典描述的限度，因而实际上仍表现为具有一定的轨道。不确定关系提供一种可以采用经典描述和必须采用量子描述的分界判据。不确定关系并不仅限于坐标和动量，能量和时间的不确定关系为ΔEΔt≥h／2，式中ΔE是粒子处于某一能态的能量不确定度，Δt是粒子处于该能态寿命的不确定度。

3.3 如何理解微观粒子的波粒二象性？什么是概率波？

答案要点：微观粒子的波粒二象性是指某物质同时具备波的特质及粒子的特质。波粒二象性是量子力学中的一个重要概念。在经典力学中，研究对象总是被明确区分为两类：波和粒子。前者的典型例子是光，后者则组成了人们常说的“物质”。1905年，爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释，人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。1924年，德布罗意提出“物质波”假说，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。

概率波，就是物质波，指空间中某点某时刻可能出现的几率。比如一个电子，如果是自由电子，那么它的波函数就是行波，就是说它有可能出现在空间中任何一点，每点几率相等。如果被束缚在氢原子里，并且处于基态，那么它出现在空间任何一点都有可能，但是在波尔半径处几率最大。对于你自己也一样，你也有可能出现在月球上，但是和你坐在电脑前的几率相比，是非常非常小的，以至于不可能看到这种情况。

3.4 什么是势垒贯穿？

答案要点：考虑粒子运动遇到一个高于粒子能量的势垒，按照经典力学，粒子是不可能越过势垒的；按照量子力学可以解出除了在势垒处的反射外，还有透过势垒的波函数，这表明在势垒的另一边，粒子具有一定的概率，粒子贯穿势垒。

4 科学的诞生

4.1 地理大发现、文艺复兴和宗教改革对人类文明的发展起到什么作用？

答案要点：地理大发现促进了科学技术的进步。由于航海需要解决许多实际问题，天文学、数学得到了很大的发展。与地理大发现同时或前后发生的文艺复兴运动和是宗教改革运动，这三者之间是有联系的。地理大发现及宗教改革的发生都受到文艺复兴的影响。文艺复兴所表现出来的人文主义精神是一种为创造现世的幸福而奋斗的进取精神，而地理大发现就是在这种精神的鼓舞下完成的。文艺复兴也推动了宗教的改革：人文主义者之谴责天主教教会的黑暗腐败，为宗教改革派提供了攻击天主教的论据，人文主义者之研究《圣经》的原文及基督教的原始教义，也为新教教义的形成开辟了道路。而文艺复兴、地理大发现及宗教改革，又各从不同的方面为资本主义生产方式鸣锣开道：地理大发现为资产阶级开辟了大显身手的广阔天地；文艺复兴向资产阶级注入了一种积极进取的精神力量；宗教改革为资产阶级在欧洲不少国家推倒了作为封建势力顽固堡垒的天主教教会的统治，并且为资产阶级锻炼了象加尔文教那样的精神武器。综上所述，地理大发现、文艺复兴和宗教改革对人类文明的发展起到了积极的推动作用。

4.2 为什么郑和下西洋未对世界产生重大影响，而哥伦布、麦哲伦等人的“地理大发现”则对世界产生重大影响？

答案要点：郑和下西洋的动机：史料研究结果显示，郑和下西洋的目的，并非像西方那样是为了拓展土地，掠夺财富，而是由于当时的皇帝好大喜功，想炫耀自己天朝的威力。其次，郑和下西洋的举动并不受重视。中国是一个古老的国家，在漫长的历史上，中国始终是一个大陆国家，发展的重点始终是陆地，“陆权”的思想深入人心，对海上活动并不重视。第三，郑和下西洋的举动并不受重视。中国始终是一个大陆国家，发展的重点始终是陆地，“陆权”的思想深入人心，对海上活动并不重视，当时的中国政府根本没有像西方列强那样把海军当成是开疆拓土的工具,而是仅仅当成炫耀天朝上国的工具,不能重视和利用这支舰队,还是因为"陆权"思想严重,缺乏海洋意识。相比之下，哥伦布、麦哲伦等的地理大发现给地理科学带来了巨大变革，它的意义也超过地理科学，几乎对所有的自然科学和哲学都是巨大的推动力。

它是人类近代飞跃性进步的先声。正是由于地理大发现给人类开拓了广阔的发展空间，发现了在当时看来几乎是无穷无尽的资源，刺激了产业革命的迅速到来，称得上是人类历史上、科学发展史上最伟大的事件之一。

4.3 中国的四大发明对近代自然科学的诞生起到什么作用？

答案要点：中国的四大发明对对近代自然科学的诞生起到了积极的推动作用。英国哲学家弗兰西斯·培根指出，印刷术、火.药、指南针“这三种发明已经在世界范围内把事物的全部面貌和情况都改变了：第一种是在学术方面，第二种是在战事方面，第三种是在航行方面；并由此又引起难以数计的变化来：竟至任何教派、任何帝国、任何星辰对人类事务的影响都无过于这些机械性的发现了。”马克思评论：“火.药、指南针、印刷术——这是预告资产阶级社会到来的三大发明。火.药把骑士阶层炸得粉碎，指南针打开了世界市场并建立了殖民地，而印刷术则变成了新教的工具，总的来说变成了科学复兴的手段，变成对精神发展创造必要前提的最强大的杠杆。”虽然没有提到造纸术，但是正是它为印刷术的产生和推广提供了必要条件。有了四大发明，欧洲的近代自然科学才得以诞生，成为资产阶级发展的必要前提，为资产阶级走上政治舞台提供了物质基础：印刷术的出现改变了只有僧侣才能读书和受高等教育的状况，便利了文化的传播；火.药和火器的采用摧毁了封建城堡，帮助了资产阶级去战胜封建贵族；指南针传到欧洲航海家的手里，使他们有可能发现美洲和实现环球航行，为资产阶级奠定了世界贸易和工场手工业发展的基础。

4.4 从哥白尼的日心说的诞生过程来看，宗教对科学的作用是推动还是阻碍？

答案要点：哥白尼经过对天文学长达数十年的深入研究，发现托勒密的地心说不仅复杂混乱，而且漏洞百出，他逐渐认识到，只要把地球从宇宙的中心移开，把太阳放到宇宙的中心，一切问题都变得简单、清晰而精确了。经过长期反复思考，日心说在哥白尼的头脑中逐渐成熟。但是，哥白尼深知，他的观点与传统的神学相抵触，很可能会触怒教会，所以迟迟不敢发表他的著作。知道他快病逝的时候，他才把《天体运行论》这一伟大的著作交付出版。他为了使自己在政治上尽可能处于有利地位，尽力讨好教会。在书的最前面，哥白尼写道：“把此书献给最神圣的教主—保罗三世教皇陛下。”尽管如此，他的日心说还是没能够逃脱教会的围剿。随着时间的推移，教会下令禁止出版哥白尼的著作，禁止日心说的教授与传播。不仅保守的罗马教廷，甚至标榜革新的新教，都不能容忍日心说。这一切可以看出，宗教对科学起到了阻碍的作用。

4.5 开普勒的三定律的内容是什么？

答案要点：

开普勒第一定律（轨道定律）：所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆,太阳处在椭圆的一个焦点上。

开普勒第二定律（面积定律）：对于任何一个行星来说,它与太阳的连线在相等的时间扫过相等的面积。

开普勒第三定律（周期定律）：所有的行星的轨道的半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等。

用公式表示为： K T

R 23

其中，R 是行星公转轨道半长轴，T 是行星公转周期， 常数==2

4GM πK

5 物理的初创

5.1 简述伽利略对力学的几个重要贡献：惯性定律、自由落体定律和相对性原理。

答案要点：伽利略对力学的第一大贡献是发现了自由落体定律，即重力加速度与下落物体的质量大小无关。

第二大贡献：惯性定律：不受外力作用的物体将保持惯性运动的状态不变。

第三大贡献：相对性原理：所有的惯性系都是平等的。不能用任何实验来区分一个系统是静止还是在做匀速直线运动。

5.2 牛顿对时间、空间有什么看法？

答案要点：牛顿认为 “绝对的空间，就其本性而言，于任何外部事物无关，它总是相同的和不可动的。相对空间是绝对空间的某个可动的部分或量度……”“绝对的，真实的和数学的时间自身在流逝着，而且因其本性均匀地、与任何外部事物并不相关地流逝着，它又可以叫做延续性。相对的、表观的和普通的时间是延续性的一种可感知的、外部的（无论是准确的还是不均匀的）借助运动来进行的量度，我们通常就用它来代替真实时间：例如一小时，一个月、一年。”总之，牛顿认为绝对空间和绝对时间是客观存在的、与运动和物质无关的东西。物体就在这空虚的绝对空间之内，就在这均匀流逝的绝对时间之中，永恒地运动着。

5.3 开普勒三定律与牛顿万有引力定律有什么关系？

答案要点：从开普勒的第三定律K T

R =23

可以推导出，行星受到太阳引力应该与距离的平方成反比。当时不清楚的是，这种与距离的平方成反比的力，能否使行星按椭圆运动。而牛顿用这种与平方成反比的里，可以推导出开普勒三定律。在牛顿的《论物体的运动》中，提出中心引力不仅与距离的平方成反比，还应与物体的质量成正比。这样，万有引力定律的数学形式（2

r Mm G F =）就大体确定了。

5.4 有哪些实验证实了万有引力定律？

答案要点：1682年，一刻明亮的彗星出现在天空。哈雷应用牛顿的万有引力定律和力学三定律，算出了这颗彗星的轨道和周期，周期约为75年；1832年，英国的亚当斯和法国的勒维叶各自独立地用万有引力定律，通过复杂的计算，指出了天王星的准确位置，经过观测，果然在他们预测的位置上找到了天王星。

5.5 经典力学最基本的内容有哪些？

答案要点：经典力学的最基本要内容是：

牛顿第一定律：一切物体没有受外力作用时，总保持匀速直线状态或静止状态,直到有外力迫使它改变这种状态为止。

牛顿第二定律：物体的加速度与所受外力成正比，与物体的质量成反比，加速度的方向与外力的方向相同。公式：F （合）=ma

牛顿第三定律：两个物体之间的作用力与反作用力大小相等，方向相反，并且在同一条直线上。

万有引力定律：自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的大小与物体（质点）的质量乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比。

6 弯曲的时空

6.1 什么是非欧几何？它与欧氏几何有什么不同？

答案要点：非欧几里得几何是一门大的数学分支，一般来讲，它有广义、狭义、通常意义这三个方面的不同含义。所谓广义式泛指一切和欧几里得几何不同的几何学，狭义的非欧几何只是指罗氏几何来说的，至于通常意义的非欧几何，就是指罗氏几何和黎曼几何这两种几何。欧氏几何是建立在平面上的几何，而非欧几何则是建立在非平面上的几何。欧氏几何与非欧几何各自所有的命题都构成了一个严密的公理体系，各公理之间满足和谐性、完备性和独立性。因此都是正确的。在我们这个不大不小、不远不近的空间里，也就是在我们的日常生活中，欧式几何是适用的；在宇宙空间中或原子核世界，罗氏几何更符合客观实际；在地球表面研究航海、航空等实际问题中，黎曼几何更准确一些。

6.2 狭义相对论有什么基本困难？

6.3 万有引力与电磁力有什么本质的不同？

无论是物质带电，还是物质不带电，我们都认为物质是由于基本粒子构成的，物质的质量是由于物质构成的光子信息，不断与环境光子信息相互作用的结果，物质不带电，是由于物质在单位时间内，发出的光子信息总量与吸收的光子信息总量相等，事实上没有绝对的相等；带正电是物质发出光子信息总量比吸收到的光子信息总量多的结果；带负电是物质发出光子信息总量比吸收到的光子信息总量少的结果；它们并不没有其它差别。

6.4 简述你对广义相对论的理解。

水星近日点进动、光线在引力场中弯曲（引力透镜）、星系谱线红移

6.5 广义相对论有哪些实验验证？

光线弯曲不是广义相对论独有的预言。早在1801年索德纳（Johann von Soldner，1766－1833）就根据牛顿力学，把光微粒当做有质量的粒子，预言了光线经过太阳边缘时会发生0.87角秒的偏折。1911年在布拉格大学当教授的爱因斯坦根据相对论算出曰食时太阳边缘的星光将会偏折0.87角秒。1912年回到苏黎士的爱因斯坦发现空间是弯曲的，到1915年已在柏林普鲁士科学院任职的爱因斯坦把太阳边缘星光的偏折度修正为1.74角秒。

7．恒星的演化

7.1 万有引力定律能够预言黑洞吗？

能。近代以来，爱因斯坦发表了广义相对论，越来越多的自然科学家从牛顿力学和广义相对论出发，得出了类似结论，纷纷预言“黑洞”的存在。依据牛顿的万有引力理论，科学家得出，一个球形的天体，一旦它的质量超过太阳质量的2倍，就可能引发“引力崩溃”。也就是说，它可能会向自己的中心引力坍缩，成为一个体积无限小、质量无限大的质点。依据爱因斯坦的广义相对论，德国科学家史瓦西计算出了一个可能具备无穷大引力的天体半径。他进一步阐述说，一个天体一旦半径达到了这个大小，就很可能有无限大的引力，任何物质都不能从它那儿逃脱出来，只能被它吸引进去。即便光线速度极快，也“难逃噩运”。这个有能力把一切吸引住的地方，人们无法看到它，因而称之为“黑洞”

7.2 简述恒星时如何形成，如何演化。

恒星的演化开始于巨分子云。一个星系中大多数虚空的密度是每立方厘米大约0.1到1个原子，但是巨分子云的密度是每立方厘米数百万个原子。一个巨分子云包含数十万到数千万个太阳质量，直径为50到300光年。在巨分子云环绕星系旋转时，一些事件可能造成它的引力坍缩。巨分子云可能互相冲撞，或者穿越旋臂的稠密部分。邻近的超新星爆发抛出的高速物质也可能是触发因素之一。最后，星系碰撞造成的星云压缩和扰动也可能形成大量恒星。坍缩过程中的角动量守恒会造成巨分子云碎片不断分解为更小的片断。质量少于约50太阳质量的碎片会形成恒星。在这个过程中，气体被释放的势能所加热，而角动量守恒也会造成星云开始产生自转之后形成原始星。恒星形成的初始阶段几乎完全被密集的星云气体和灰尘所掩盖。通常，正在产生恒星的星源会通过在四周光亮的气体云上造成阴影而被观测到，这被称为博克球状体。质量非常小（小于一个太阳质量）的原始星的温度不会到达足够开始核聚变的程度,它们会成为棕矮星，在数亿年的时光中慢慢变凉。大部分的质量更高的原始星的中心温度会达到一千万开氏度，这时氢会开始聚变成氦，恒星开始自行发光。核心的核聚变会产生足够的能量停止引力坍缩，达到一个静态平衡。恒星从此进入一个相对稳定的阶段。如果恒星附近仍有残留巨分子云碎片，那么这些碎片可能会在一个更小的尺度上继续坍缩，成为行星、小行星和彗星等行星际天体。如果巨分子云碎片形成的恒星足够接近，那么可能形成双星和多星系统。

7.3 什么是主序星？什么是红巨星？

主序在天文学上是指恒星的青壮年时期。恒星在这一阶段停留的时间占整个寿命的90%以上。这是一个相对稳定的阶段，向外膨胀和向内收缩的两种力大致平衡，恒星基本上不收缩也不膨胀。处于主序阶段的恒星成为主序星，目前太阳就是一颗主序星。太阳现在的年龄为46亿多年，它的主序阶段已经过去了一半的时间，还要50亿年才会转到另一个演化阶段。恒星演变到主序星阶段(青壮年期)末期时，除了外壳部分，它内部的氢基本上已经转化成氦而使热核反应停止。这时，恒星的中心部分就会在引力的作用下发生收缩，并且释放出巨大的能量，从而使外壳急剧膨胀，整个恒星便像气球一样被吹大了。外壳的膨胀使恒星的表面积增大，表面温度降低，而总发光量增加。这样，它就变成了一颗亮度大温度低的红色星--红巨星。在红巨星的内部，虽然氢已经基本耗尽，但由于内部收缩使温度升得更高了，于是又开始了氦聚合反应，它内部便又开始燃烧起来，并且能维持很长的时间。

7.4 白矮星、中子星由什么力量支撑？

根据天体物理学的恒星演化理论，白矮星由“电子简并压”支撑，中子星由“中子简并压”支撑，与引力达到平衡状态形成星体。

7.5 什么是钱德拉塞卡极限？什么是奥本海默极限？

什么是钱德拉塞卡极限？指白矮星的最高质量，约为（3×10的30次方）公斤，是太阳质量的1.44倍。这个极限是由钱德拉塞卡计出的。星体产生的热会令其大气层向外移。当星体的能量用尽，其大气层便会受星体的引力影响而塌回星体表面。如果星体的质量少于钱德拉塞卡极限，这个塌回便受电子简并压力限制，因而得出一个稳定的白矮星。若它的质量高于钱德拉塞卡极限，它就会收缩，而变成中子星、黑洞或理论上的夸克星。

7.6 简述白矮星与中子星的发现过程。

1892年，Alvan Graham Clark发现了天狼星的伴星。根据对恒星数据的分析，这个伴星的质

量约一个太阳质量，表面温度大约25000K，但是其光度大约是天狼星的万分之一，所以根据光度和表面积的关系，推断出其大小与地球相当。这样的密度是地球上的物质达不到的。1917年，Adriaan Van Maanen发现了目前已知离太阳最近的白矮星Van Maanen星。在二十世纪初由Max Planck等人发展出量子理论之后，Ralph H. Fowler于1926年建立了一个基于费米-狄拉克统计的解释白矮星的密度的理论。1930年，苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡(印度)发现了白矮星的质量上限（钱德拉塞卡极限），并因此获得1983年的诺贝尔物理学奖。

7.7 什么是超新星？超新星爆发有哪些可能的结局？

根据现在的认识，超新星爆发事件就是一颗大质量恒星的“暴死”。对于大质量的恒星，如质量相当于太阳质量的8~20倍的恒星，由于质量的巨大，在它们演化的后期，星核和星壳彻底分离的时候，往往要伴随着一次超级规模的大爆炸。这种爆炸就是超新星爆发。现已证明，1572年和1604年的新星都属于超新星。在银河系和许多河外星系中都已经观测到了超新星，总数达到数百颗。可是在历史上，人们用肉眼直接观测到并记录下来的超新星，却只有6颗。超新星爆发后有三种可能的结局：爆发时抛射的恒星外层物质变成了星云遗迹，而遗留下的星核质量若在3个太阳质量以上，便可能坍缩超新星爆发有哪些可能的结局？

形成黑洞；若星核质量小于1.4个太阳质量，便坍缩形成白矮星或者完全被炸毁；若星核质量在这两者之间，便坍缩形成中子星。它们都是很强的射电、X射线和宇宙射线源。

7.8 太阳半径和和密度是多少？形成白矮星后的半径和密度是多少？

半径: 696295 千米。平均密度约为每立方厘米1.4克，

7.9 太阳能够形成中子星或者黑洞吗？

黑洞就是一颗恒星在‘爆发’后的残骸至少比太阳大2倍时，黑洞就形成了。

在恒星生命剩下的10%里，它会逐渐变的更热（就会释放出更多的能量来）。由于自身的质量过大，就会产生很大的引力来；因此恒星只有靠自身的核聚变来产生能量用来平衡它自身的引力。但是在自身的能量用完后，自身的引力就成主导的力量，又没有什么力与它相抗衡就导致了这类恒星本身的崩溃，产生更为彻底的坍缩（当恒星质量比较小时，坍缩就没有那么彻底。像太阳那样大小的恒星只会成为一颗白矮星，而当残骸的质量有太阳的1.44倍以上的就会变成中子星），从而变成一个重力和引力无限大的点。任何物质都将被吸进去。

8 黑洞的启示

8.1 什么是黑洞？

黑洞是一种引力极强的天体，就连光也不能逃脱。当恒星的史瓦西半径小到一定程度时，就连垂直表面发射的光都无法逃逸了。这时恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。由于黑洞中的光无法逃逸，所以我们无法直接观测到黑洞。然而，可以通过测量它对周围天体的作用和影响来间接观测或推测到它的存在。黑洞引申义为无法摆脱的境遇。

8.2 当一艘宇宙飞船飞近黑洞时，洞外的人将会看到什么现象？

不可能进入，因为所谓黑洞是指由于星体坍塌，形成一个密度超级大，质量较高的实体，根据万有引力定理，这样的实体将具有超大的引力，以至于光也会被其吸引，这样由于没有光从其表面反射回来，我们就看不到这个实体，即它是黑色的，从而得名黑洞。

当飞船进入黑洞的视界时，距离奇点最近和最远的两个点受到的引力差会特别大，这样飞船

受力不均，就会被纵向拉长，直至被撕裂。另外进入黑洞的物质会以螺旋状的路线向黑洞中心陷落，所以飞船在被拉长的同时也被拧成螺丝转，整个过程飞船就变成了意大利面条。飞船被撕裂之后变成了微观粒子，接着这些粒子接着被撕裂，原子中的质子和电子结合成中子，再往后中子也被撕裂，夸克出来，最后被奇点吞噬，只剩下质量、电荷、角动量

8.3 飞船能进入黑洞吗？进入时和进入后飞船上的人有何感受？进入后能否逃出？

不可能进入，因为所谓黑洞是指由于星体坍塌，形成一个密度超级大，质量较高的实体，根据万有引力定理，这样的实体将具有超大的引力，以至于光也会被其吸引，这样由于没有光从其表面反射回来，我们就看不到这个实体，即它是黑色的，从而得名黑洞。

当飞船进入黑洞的视界时，距离奇点最近和最远的两个点受到的引力差会特别大，这样飞船受力不均，就会被纵向拉长，直至被撕裂。另外进入黑洞的物质会以螺旋状的路线向黑洞中心陷落，所以飞船在被拉长的同时也被拧成螺丝转，整个过程飞船就变成了意大利面条。飞船被撕裂之后变成了微观粒子，接着这些粒子接着被撕裂，原子中的质子和电子结合成中子，再往后中子也被撕裂，夸克出来，最后被奇点吞噬，只剩下质量、电荷、角动量

8.4 黑洞有温度吗？

对于黑洞温度科学家还很少探讨，但一般认为应该不是0 开尔文，因为黑洞是大质量恒星超新星爆发后塌缩形成的，即使塌缩前的恒星残骸是0 开尔文，塌缩后的引力势能会有一部分变成热能。所以，黑洞的温度应该高于0 开尔文。大爆炸理论的宇宙起始奇点的温度达1000 亿开尔文以上，科学家说黑洞内也存在奇点，那么奇点的温度应该不低。