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对物理学的思考(九)
2019-08-28
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    ——恒星能量的来源及演化

    关于恒星能量的来源现在的正统理论似乎已公认是核聚变能。其实这点似乎也是正确的,但这并不是完善的。笔者在“太阳中微子亏损与催化核聚变”〖1〗与“太阳中微子问题与反物质催化核聚变”〖2〗中提出了另外的猜想,指出恒星的能源最终是正、反物质的湮灭能,而核聚变反应只是这种反应过程中的一个环节。现在对这一问题进行仔细的思考与讨论。

    据宇宙大对撞的思考,星系与恒星是由宇宙大对撞后逐渐形成的。现在一致认为恒星是由实物质构成的。但现在已知道的实物质有两种,一种是正实物质,这就是我们现在所接触到与看到的实物质;另一种则是由这种实物粒子的反粒子组成的反实物质,但这种物质到现在还没完全找到,因为正、反物质粒子只要相遇就会湮灭,所以现在人们认为这种反实物质是否存在还在探索中。由此认为现在的宇宙是由正实物质构成的。事实果真如此吗?

    我们知道宇宙中存在的物质为两大类,一类是实物质的粒子,另一类是场物质,且这两类物质间会随物质运动量的变化发生质变,进行相应的转换,这就是实物质的正、反粒子对相撞会发生湮灭,变为电磁场物质的电磁波物质运动,而在高能相互作用下电磁场物质的电磁波又会形成正、反实物质的粒子对。这些是被人的实践所认识了的。电磁波是电场与磁场在时空中不停变换的运动,它在时空中是一直运动向前不会停止的,只有在与其它物质发生相互作用后才可能发生变化。即场物质是由相互矛盾对立统一又相互依存的电场与磁场构成。而实物粒子也是成对产生的,在任何条件下的强相互作用产生的粒子都是成对产生的,不可能只生成一个正粒子或只生成一个反粒子,这是由宇宙的对称性也即宇宙的守恒所决定了的。由此在宇宙中必然的存在着与正实物粒子同样多的反实物质粒子,而且这两种物质不会相距很远,因为它们是在同一地点同时产生的。那么现实中反实物质到那里去了呢?

    我们知道,形成星云的宇宙激烈反应都是旋转着的,这也就表明在这个激烈的反应时空中的电、磁场是一个旋转的电磁场,这时激烈反应生成的正、反粒子一个若是向旋转中心外方向运动,则其反粒子必然是向旋转中心方向运动。这样在旋转中心反粒子就会通过一定的相互作用集聚起来,形成大分子的反实物质。而在外面正粒子也会同样的聚集起来,形成大分子的正实物质。这样在星云凝聚成恒星的过程中反物质则被正物质裹在里面,而正物质则包在外面,从而也就发现不了反物质的存在,形成表面看到的似乎恒星只是由正物质构成的。

    这样看恒星实际上是由正、反两种实物质构成的,只是一种实物质在外面,另一种被包裹在里面,很难被发现而已。

    我们知道,在电磁场中产生的正、反粒子由于它们所带电荷相反,其会在电、磁场的作用下发生相反方向的运动,这样在时空中发生大规模的激烈相互作用后产生的大量实物质的正、反粒子,由于旋转星云中旋转电磁场的作用,正、反粒子就会向不同的相反方向集中,而并不能马上相互相遇而湮灭,从而正、反实物粒子就通过各种相互作用(反应)后, 一种粒子在里而另一种粒子在外,各自结合成大分子的正、反实物质,一旦形成了大分子实物质,正、反物质相遇后就不可能立即发生湮灭反应了,而是必须首先将大分子组成的大块的实物质离解成基本粒子,只有正、反基本粒子相遇才可能发生湮灭。但在正、反粒子组成大块实物质时,在相互作用的过程中是放出了能量的,由此才使它们之间能结合在一起,且放出的能量越大,相互间结合的越紧密。而要想使正、反大分子大块实物质相互湮灭,则必须首先要将这些大块的正、反实物质分子分解成正、反粒子才可能实现。我们现在知道,将大块的正实物质分解成粒子是要消耗大量能量的。首先要将大块实物砸碎,并细细的碾成单个的分子,再将分子离解成原子核与电子,更要将原子核分解成质子与中子,这样中子与质子才能与反质子、反中子湮灭。在这分解大块实物质的过程中,其中的每一步都需要吸收程度不同的能量。就如将原子核分解成中子与质子时,由于原子核的核子间的结合能是巨大的,由此将其分开是很困难的。原子核中核子之间的结合能如图一所示。

    其中横坐标为原子核的质量数即原子核的核子(质子、中子)数,纵坐标为每个核子的平均结合能,即要将其分开必需供给每个核子能量。图一表明对不同的原子核要想将其分解成单个的核子,所需的能量是不同的。如要将氦4(He4)分解成两个质子两个中子,共要付出约28Mev的能量,这相当粒子无规运动的温度约达到K氏3.25×1011度,而要将氧15(O15)原子核分解成单个的质子、中子,则要付出约120Mev的能量,相当粒子无规运动的温度约达到K氏1.39×1012度,这样的环境在恒星上是远远达不到的,故而在恒星上这种正、反物质是尚可能相安无事和平相处的。

    恒星上的物质是发生着激烈的相互作用的,这也正是恒星之所以会向外辐射大量能量的原因。而在恒星生成的过程中,由于一种物质在旋转中心聚集,其越向中心空间越小,是较易于结合成重原子核大块物质团的,随着这种实物质团的不断增大,则会使空间逐渐发生曲变,形成对实物质的引力,这样就将均匀分布在旋转外层的另一种实物质吸引在其表面,形成了一种包裹壳,即恒星外层如为正物质,则其内层被包裹着约有等量的反物质。由于它们都是大分子的重核大块物质,它们之间是不能发生湮灭反应的。倒是外层的正物质仍在发生着不停的核聚变反应,将较轻原子核转化为较重原子核,并放出了大量的能量,提供了恒星向外辐射的能量。

    但随着时间的进程,恒星的温度逐渐降低,这种直接的核聚变反应条件变得越来越不能得到满足,催化核聚变则成为了主要的反应形式。这主要是因为要想实现核聚变反应,原子核间必须首先要克服核位垒的阻碍,才能使原子核聚在一起,核位垒如图二所示。这就必须有较高的温度才行。但在有催化剂的情况下,可以使两个核子间距离变小,这就更易发生核聚变反应了。这种过程如文章〖1〗〖2〗中所述,由于反物质的存在,在恒星表面上进行着持续的核聚变。但这被包裹在内的反物质又如何能蹿到外层来催化核聚变呢?

    由于物质各种反应的位垒存在,大块物质的分解是要首先吸收能量的,没有这种能量的提供是不可能将大块物质分解开的。但对于一种反应过程,却是个例外,这就是中子与物质质的作用。由于中子不带电荷,它不会受电磁位垒的阻碍,是极易穿透物质的,也极易进入原子核内,引起原子核反应。由于恒星上有核聚变反应,中子是这种聚变反应的产物之一,恒星上是有大量中子的。这样一旦有中子,它就会直接进入组成大块物质原子的原子核中,这时就可能引发核反应。这种核反应可能将原子核爆裂,使原子核被炸开分裂成两个或多个新的原子核,同时又会放出新的中子,而继续着相同的过程,就如同现实中的重核裂变的链式反应一样,一直持续下去。

    在恒星上这种过程可能这样:在恒星的形成过程中,正、反物质一个聚集在外表面,而另一个聚集在核心区,但它们必然的有个交界层。现假设外层为正物质,内核为反物质。这时在这个交界层内是正、反物质相互混杂在一起的,但在这一区间内正物质只能是重原子核组成的物质,而轻核正物质是在更外面的表层,这是由于引力作用的结果。而内层反物质则与之相反,在这个交界区内主要是轻反原子核物质。这样在这个混合层中一旦有一个中子打入一个反物质的原子核中,则这个中子就会与反原子核中的反中子发生湮灭,正、反中子的湮灭是要放出大量能量的,约为1878Mev。这足以使任何一个原子核爆裂,这时这个反物质原子核就会分解成更轻的反原子核,并放出若干个反中子,而这放出的反中子又可能打入在这个区间的正物质原子核,这时同样会发生正、反中子在原子核中湮灭,放出大的能量及中子,将重正原子核炸裂,使重正原子核爆裂分成两块或若干块,变为较轻的正原子核,同时又放出若干个中子。这样在这个正、反物质共混区间内,这种正物质的重原子核在反中子作用下将被分解成轻原子核,中子会将反物质轻原子核分解成更轻原子核或将反重原子核分解成反轻原子核的过程就可能持续下去。但在这种过程中是会放出大量能量的,并促使这个混合区物质体积膨胀温度上升。当这种过程积垒到一定程度时,就会冲破外层正物质包壳的薄弱处,如火山爆发一样的喷发出来,这时就有大量的正、反轻核物质原子一起被喷出散布在恒星的外层,从而提供了恒星外层的反物质催化核聚变的反物质催化剂,并也保持了外层正物质轻核数量稳定在一定比例上,给核聚变补充了新的燃料,达到能将核聚变较稳定的维持在一定水平上。

    也就是说中子在恒星的演化过程中,起到了举足轻重的作用,如在重核裂变的链式反应中一样,成为使演化过程得以持续的联接者,是打开正、反物质得以演化的拓路者。

    这样恒星的可能构造大至为图三所示意。其中内核为重反物质

    核,接着包在外面的是重核正物质与较轻核反物质原子的混合层,再外则是正物质重核的包裹层,再外则是正物质较轻原子的核聚变反应层,最外则是正物质的大气层。在外层的正物质的核聚变过程中,是要消耗大量轻核物质的,使它们变成较重正原子核,这就会逐渐改变外层正原子核的组成成份,从而使核聚的原料正轻原子核的数量发生变化,影响了正原子核聚变的反应速率,从而减轻了这层对内层的压力,而在正、反物质混合层中由于中子的作用,使这一层中的反应过程积垒到一定程度,正、反轻原子核的数量与压力达到相当程度,此时就会冲破正物质层的包壳裂隙处如火山爆发一样喷出大量的正、反物质轻原子,从而补充了催化核聚变的反物质催化剂原子,也调和了外层正物质轻原子的比例,补充了正轻原子核的数量,得以使恒星上的核聚变反应能继续正常的进行下去,这就会呈现出恒星反应的周期性。

    现以太阳为例来进一步说明。因为太阳是一颗普通的恒星,极具代表性,又是距我们最近的恒星,也是我们观测最详细的恒星,有些事实是可能被我们测量到的。

    太阳的质量为1.9891×1030 千克,密度为1411 千克/米3 ,相对于地球密度的0.26 倍,相对于水密度的1.409 倍。太阳年龄大约50亿年。太阳释放的能量为3.861×1033尔格/秒(即38600亿亿兆瓦),每秒大约有7×108吨的氢原子核聚变为氦原子核,并放出约相当5×106吨物质质量的能量。

    用望远镜看到的太阳为图四所示。可以看到光球表面有许多密密麻麻的斑点状结构,很象一颗颗米粒,称之为米粒组织。它们极不稳定,一般持续时间仅为5-10分钟,其温度要比光球的平均温度高出300-400℃,这是太阳激烈反应造成的现象。用望远镜看到的

    太阳光球表面的另一种著名的活动现象便是太阳黑子,如图五所示。黑子是一种激烈的喷发现象,大多呈现近椭圆形,在明亮的光球背景反衬下显得比较暗黑,但实际上它们的温度高达4000℃左右,日面上黑子出现的情况不断变化,这种变化反映了太阳辐射能量的变化。太阳黑子的变化存在复杂的周期现象,平均活动周期为11.2年。太阳黑子是太阳活动的活跃区。它之所以黑并不是因为其产生或辐射的能量小,而是由于其辐射能量的组成波的主要波长并不在可见光的波长范围,由此人眼看起来似乎是黑的,但其辐射的能量却要远远大于太阳其它表面辐射的能量值。

    太阳辐射出的能量巨大,相当每秒大约有7×108吨的氢原子核聚变为氦原子核,这样算来太阳一年相当要有2.2×1016吨氢原子聚变成氦,尽管太阳的质量是巨大的,但可估算太阳的这个发生聚变的反应层中,所具有正物质氢原子核也仅仅是这个数量级,即在这层中聚变反应的氢燃料几乎耗掉很大部分,这样在太阳上的核聚变的速率是逐年下降的。即这一层对下面的压力也是逐年下降的,这就给正、反物质混合层中已积垒了的正、反轻核物质的喷发提供了条件,使之喷发出来,补充了正物质核聚变的核材料,也补充了催化核聚变催化剂的反物质原子核。这种过程也就表现出了一个周期性的循环过程。也就是说太阳的米粒组织是反物质催化核聚变的反应区,太阳上在没有反物质催化剂的区域是不能发生核聚变的。而太阳的黑子实际上是太阳反正物质混合层向外喷发的显示,从黑子的形象上看多么像火山口,而与黑子同时可能出现的太阳光斑和耀斑之所以显现出比核聚变还更激烈的反应,也只有正、反物质的湮灭反应了。也即在黑子的爆发时从太阳的正、反物质的混合层中同时带出了些反物质的粒子,一遇到外层的正物质粒子就立即发生了湮灭,从而显示出了这种激烈的反应现象。而随着太阳正、反物质混合层压力的释放这种喷发也就会逐渐结束,太阳黑子也就消失了,但这种过程只是一个周期的结束,随着太阳催化核聚变的进行,又会进入下一个这种循环。那么太阳黑子为什么只出现在太阳的特定纬度区呢?

    我们已观测到太阳黑子通常出现在高纬度(40~50度)区间,随着数量的增加,黑子出现处的纬度逐渐向太阳赤道接近。这是由于现已观测到太阳自转在不同纬度区是存在不同的,太阳的自转周期赤道处为27天6小时36分钟,纬度 30°为28天4小时48分钟,纬度60°为30天19小时12分钟,纬度75°为31天19小时12分钟,这种旋转差异在纬度40~50度间是最大的,由于这种差异的存在,使得壳层必然发生扭曲,从而会出现断裂,这就给黑子的喷发提供了条件,当然这是在旋转速度差异越大的地方越易出现这种情况,同时旋转越快对下方的压力也就越小,由此在近太阳赤道处也会给出现黑子提供机会。

    这些论点只是一些设想、假说,能否得到验证呢?

    太阳距我们最近,通过对太阳的一些观测是可能验证的。

    认为太阳黑子是正、反物质混合层似火山爆发一样,喷出了正、反轻核物质,而太阳的这种喷发时会有大量的物质被喷发到太空中,其中这些物质也可能到达地球,这就引起了地球大气层的激烈反应,这时如用粒子探测器测量一下这些喷发中的粒子构成,如果能测量到反物质原子核的存在,也就得到了证明。现在已测量到了这种喷发中有大量的质子,但要想测量到反物质原子核粒子则要进行粒子分辨测量,还必须进行新探测器的设计与建立。也就是直接对太阳黑子爆发的喷发物进行测量,如果能测量到反物质原子核的存在,则就直接得到了这种设想的证明。

    另外对太阳上反应的产物测量,也可能得到证明。现在所谓太阳上核聚变反应有质子质子循环、碳氮氧循环等等多种反应道,但这些反应道中放出最大能量的反应道也低于18Mev,也即在太阳上核聚变反应时放出最大的γ射线能量也不会超过18Mev,这与现在观测到的太阳γ射线谱是相符的。但如有正、反物质的湮灭,则为:

    π0→γ+γ  这时放出的γ射线能量则要高达67.5Mev,这是一种极高能的γ射线,是核聚变反应不可能有的反应产物,这时如果对太阳黑子或耀斑发出的极高能γ射线谱进行测量,如能测量到高于 18Mev的γ射线,尤其测量到有60Mev以上的γ射线谱峰值,则就证明了这种湮灭反应的存在。以前是没有进行过这么高能量γ射线谱测量的,这就要进行新探测器的研制,并进行专项测量才有可能得到结果。

    总之通过对太阳的仔细观测,尤其是开阔思路,拓展测量范围  是会有新的发现,获得新的证明的。

    参考文献

    〖1〗殳节 “太阳中微子亏损与催化核聚变”,大自然探索

    〖2〗殳节 太阳中微子问题与反物质崔化核聚变

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草根简介


1938年7月15日生。北京大学毕业,分配到中国工程物理研究院核物理与化学研究所工作,直到退休。研究员。现居住北京海淀区。
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