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[建议] 统一场论(太阳物理)

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发表于 2012-10-28 10:12:13 | 显示全部楼层 |阅读模式
对修改标准太阳模型的方案构成更沉重打击的,则是我们在后方中将要介绍的所谓日震学研究,那种研究证实了标准太阳模型的许多细节,从而为修改标准太阳模型的努力设置了相当苛刻的限制。事实上,标准太阳模型看似粗糙,只用寥寥几个方程式来描述整个太阳的基本特征,但它对物理原理的运用却是相当缜密的,甚至达到了“牵一发动全身”的精密程度。比如要想调低太阳的核心温度,就必须同时调节太阳内部重元素比例之类的参数,那么参数有不少是可以用日震学手段进行检验的,而检验的结果几乎无一例外地支持了标准太阳模型。
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 楼主| 发表于 2012-10-28 10:13:32 | 显示全部楼层

谜团锦簇的太阳大气层

我们将探索太阳的最后一个组成部分:大气层。那是一个肉眼通常难以窥视的地方,利用各种仪器的帮助及日全食的机会,天文学家们已经对它进行了颇为细致的观测。观测的结果如何呢?概括地说是四个字:谜团锦簇。事实上,在这个谜团锦簇的太阳大气层中,我们将要面对的谜团可能要比在前面各章中遇到的加起来还多。这是因为太阳大气层比太阳内部更复杂吗?未尽。更有可能的原因是我们对太阳大气层的观测远比太阳内部来得细致。
我们在第12章中已经提到过太阳大气层的某些部分。比如厚度约500公里的温度最低层,厚度约2000公里的色球层等。本章的探索将从色球层开始,因为它将带给我们第一个谜团——色球层反常高温之谜。
色球层这一名称来自希腊文词根“chromos”,含义是颜色(color)。色球层的一个很引人注目的特点,就是一反太阳内部温度自核心向外逐层递减的趋势,出现了外层温度比内层更高的奇怪现象,即所谓的色球层反常高温。这种反常高温的原因是什么呢?或者更具体地说,它所需的能量从何而来呢?科学家们进行了长期研究,并提出了一些可能的机制。目前看来比较靠谱的机制主要有两种:一种是声波加热,另一种是阿尔文波(Alfvén wave)加热。
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 楼主| 发表于 2012-10-28 10:14:42 | 显示全部楼层

反常高温

声波加热顾名思义,就是认为色球层反常高温所需的能量来自于声波。太阳上的声波我们在第12章中曾经介绍过,它们以太阳的肚子为谐振腔,形成很多模式,并且如注释所说,在被对流区顶部反射时会有一部分“漏网”,形成诸如“五分钟振荡”这样的大气层振荡现象。那么,那部分“漏网之鱼”的最终命运会如何呢?一般认为,色球层就是它们的葬身之地,而它们葬身之时留下的唯一“遗产”就是能量——维持色球层反常高温所需的能量。这就是所谓的声波加热机制。不过这种机制有一个显著的缺点,那就是只在能量需求不大的色球层下部才比较有效,在真正急需能量的色球层上部却不够“给力”。计算表明,大部分声波根本没到色球层上部就“出师未捷身先死”了。
那么色球层上部高温所需的能量又来自何方呢?一般认为,也是来自一种波,叫做“Alfvén波”。那是一种沿着下文将要介绍的太阳磁场中的所谓磁通量管传播的波,是瑞典物理学家Hannes Alfvén提出的。研究表明,这种阿尔文波可以远比声波传得更高,从而可以为色球层的上部送去“温暖”,这就是所谓的Alfvén波加热机制。不过,声波加热与阿尔文波加热这两种机制的“高低搭配”是否算是解决了色球反常高温之谜呢?目前还没人能打保票,因为很多细节仍有待完善。
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 楼主| 发表于 2012-10-28 10:16:15 | 显示全部楼层

谜团锦簇的太阳大气层

反常高温并不是色球层带给我们的唯一谜团,色球层中的另一种现象也对天文学家们提出了挑战,那就是所谓的针状物(spicule)。早在1877年,意大利天文学家Angelo Secchi就在色球层的边缘上发现了这种形如尖针的东西。后来的观测证实,那是一些底面积与四川省差不多大,高度相当于几百个珠穆朗玛峰的“小火舌”。这样的“小火舌”在整个色球层中通常有六七万个之多,它们的温度在1万度左右,底部物质以每秒几十公里的速度向上升腾。这些“小火舌”的成因也是一个谜团,一般认为,它们与“五分钟振荡”有着密切关系,但很多细节同样有待完善。
不过,我们对色球层的理解虽然是“缺点错误在所难免”,总体来说还算差强人意。与之相比,色球层以上的麻烦可就大多了。经过一个厚度200公里左右的“薄如蝉翼”的过渡区,太阳大气层的温度剧增到了100万度以上。那里便是日全食照片中的日冕(corona)。日冕这一名称的希腊文词根表示的是王冠。日冕不仅形状复杂,其他方面也很复杂,比如它的密度分布极不均匀,有些地方甚至有巨大的空洞,称为“冕洞”(coronal hole);它的温度分布也同样极不均匀,平均为100万~300万度,局部的低温和高温则比比皆是。
日冕给天文学家们带来的谜团是显而易见的,那就是它为什么会有如此高的温度?这个谜团与色球层的反常高温之谜如出一辙,“难度系数”却高得多。因为声波与Alfvén波这两种为色球层送出“温暖”的加热机制,对于“高高在上”的日冕来说,都显得有些“力不从心”。这其中声波加热机制连色球层上部都难以到达,自然就甭提了。Alfvén波的情况要强一些,它能为日冕提供一部分能量,但数量却不够。
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 楼主| 发表于 2012-10-28 10:17:17 | 显示全部楼层

日冕高温之谜

因此,解决日冕高温之谜还需要其他机制的加盟,这其中比较有希望的一种机制,是美国天体物理学家帕克(Eugene Parker)在1988年提出的所谓“纳耀斑”(nanoflare)加热机制。按照这种机制,日冕中常常会发生微型爆炸,即所谓的“纳耀斑”,这是我们将在下文中介绍的耀斑(flare)的“迷你版”,威力“仅”相当于几百个氢弹,次数却很频繁,足以为日冕送去大量“温暖”,甚至有可能是日冕能量的主要来源。当然,这后一点目前谁也说不准。一般认为,太阳上不同规模耀斑的数量分布与自然界的很多其他随机现象一样,近似地满足所谓的幂律分布(即数量与规模之间满足近似的幂函数关系)。按照这种分布,“纳耀斑”的存在是不成问题的,数量也应该是比较大的,但是否大到能为日冕提供足够能量的程度,则与幂律的幂值有关,人们对之尚有争议。纳耀斑加热机制如此,其他机制的情况也大致相若,各有各的争议之处。那些争议不解决,日冕的高温之谜当然也就无法解决。
日冕不仅温度极高,体积也极为庞大。看过日冕相片的读者想必都对日冕的体积留有深刻印象。从相片上看,日冕有时候能延伸到几个太阳半径处,其体积之大甚至超过了太阳本身。与地球大气层(厚度约100公里)的体积仅为地球体积的百分之几相比,日冕的体积无论绝对值还是相对值都是极为巨大的。但这是否就是太阳大气层的边缘呢?答案是否定的。事实上,早在20世纪50年代中期,英国天文学家Sydney Chapman就曾提出,日冕虽然看上去只延伸到几个太阳半径处,但如此高温的气体是不可能被禁锢在那样“小”的范围之内的。据他估计,日冕应该能一直延伸到地球轨道以外。
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 楼主| 发表于 2012-10-28 10:18:44 | 显示全部楼层

谜团锦簇的太阳大气层

作为谜团锦簇的太阳大气层的成员,色球层和日冕都给天文学家们出了难题,太阳风也不例外。迄今为止,人们尚未找到一个能全面描述太阳风特征的模型。观测表明,太阳风的“风速”约在每秒200~ 800公里之间。其中“风速”在每秒400公里以下的被称为慢太阳风,“风速”在每秒400公里以上的则被称为快太阳风。太阳风模型必须解释,却迄今尚不能给出满意解释的一个老大难问题,就是这两者——尤其是快太阳风——的起源。一般认为,快太阳风粒子的起源需要一个合适的加速机制,这种机制与日冕的加热机制很可能存在密切关系,甚至有可能是同源的(比如阿尔文波有可能对两者都起着重要作用),但具体如何,还有待进一步研究。
以上就是对太阳大气层底部各主要成员的大致罗列。小结一下的话,那么太阳大气层底部有一个很“凉快”薄层叫做温度最低层,自那以上温度不降反升,在温度不算太高的色球层中,有几万个底面积“只有” 四川省那么大,高度“只有”珠穆朗玛峰的几百倍那么高的“小火舌”。在那以上,经过一个“薄如蝉翼”的过渡区,是体积大得惊人的日冕,那里的物质极度稀薄,温度却高得邪乎,还时不时地有几百个氢弹炸来炸去。再往外,则是以比火箭还快几十倍的速度劲吹到几百亿公里外的太阳风。
黑子的“黑”和“小”这两个品性算是被搞清楚了,但它为什么能“出高温而不染”,维持这么“低”的温度呢?这可就不是一个简单问题了。它所牵扯到的是太阳大气层中最重要的幕后推手:太阳磁场。
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 楼主| 发表于 2012-10-28 10:20:11 | 显示全部楼层

黑子稳定之谜

1908年,美国天文学家George Hale通过光谱学手段发现,黑子中存在强度约为0.3特斯拉(0.3T)的磁场。这是很强的磁场,比地球磁场强一万倍左右,也比太阳表面的平均磁场强得多。这一强磁场的存在为揭开黑子的“维稳”之谜提供了线索。这线索就是:“维稳”离不开“警力”,而磁场恰恰可以充当这种“警力”,因为它会产生一种特殊的压强,叫做磁场压。正是在磁场压的帮助下,温度较低(从而内部压强也较低)的黑子才能抗衡外部物质的高压而维持稳定(黑子一般能维持几天至几星期,在太阳大气层中算是比较稳定的结构)。进一步的计算还表明,强磁场对太阳物质的对流会产生抑制作用,使得能量无法经由对流有效地传至黑子内部,这就解释了黑子温度偏低的原因。更令人欣慰的是,在理论上还可以证明,太阳物质的运动会通过一种所谓的“对流坍塌”(convective collapse)现象,而自发地造成某些区域的磁场强度增加。这种磁场强度增加的区域通常呈管状分布,被称为“磁通量管”。磁通量管伸出或插回太阳表面的地方通常就会形成黑子。由此可见,磁场的存在除了能解释黑子的主要特征及“维稳”机制外,还可以解释它的成因。不仅如此,由于磁通量管的伸出与插回总是“成双成对”,且极性相反的,它还可以解释有关黑子整体分布的一个重要特征,那就是黑子常常成对出现,且每对黑子的磁场极性彼此相反。
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 楼主| 发表于 2012-10-28 10:22:49 | 显示全部楼层

谜团锦簇的太阳大气层

但是,磁场的存在虽然解释了黑子的成因、主要特征及“维稳”机制,却不等于说就没有带给我们其他谜团了,那样的谜团其实还不少。细致的观测表明,黑子有着复杂的结构,除了被称为“本影”的黑色中央区域外,半径在5000公里以上的大黑子四周通常还有所谓的“半影”,它们的颜色较浅,包含了很多纤维状结构。更仔细的观测还表明,本影中有时会出现亮点,半影内则有时会出现旋涡状结构,在黑子消亡前,本影内有时还会出现明亮的桥状结构。这些细致结构的成因及演化目前都还是有待探索的谜团。
太阳活动的另一个重要成员叫做耀斑。如果说黑子是一种很低调的太阳活动,那么耀斑就恰好相反,它极为张扬,是“爆炸式”的活动。一个大耀斑通常可以释放出几十亿亿亿焦耳的能量,相当于一百亿个百万吨级氢弹同时爆炸!在大耀斑爆发时,太阳大气层的局部温度可以在短时间内升高到2000万~3000万度,比太阳核心的温度还高。耀斑的威力极为惊人,虽然发生在一亿五千万公里之外的太阳上,却足以对地球产生显著影响。事实上,1859年9月,人类记录下的第一个大耀斑就是以它对地球的显著影响而引起人们的注意的,它所发射的带电粒子流猛烈撞击地球磁场,产生的极光(aurora)一直延伸到赤道附近,使无数没有机会前往极地的人领略了一次天象奇观。随着技术的发展,耀斑对地球的影响得到了越来越多的显现机会。1984年4月,一个普通耀斑中断了美国总结Ronald Reagan的“空军一号”专机与地面的通信,使美国情报部门大为紧张,以为是苏联人在做手脚。
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 楼主| 发表于 2012-10-28 10:23:46 | 显示全部楼层

谜团锦簇的太阳大气层

耀斑给我们提出的问题是显而易见的:那就是它为什么会发生?它的能量来自何方?科学家们对这些问题进行了长期研究。与黑子一样,一般认为耀斑的发生也跟太阳磁场有着密切关系。一种目前比较流行的观点认为,耀斑的发生很可能是磁通量管的重组造成的。太阳上的磁通量管就像橡皮筋一样,可以通过应力等形式储存能量(上文提到的阿尔文波之所以能沿磁通量管传播,也正是因为这一特性)。随着太阳物质永不停息的运动,磁通量管会被拉伸、扭曲、缠绕,这些过程会大大增加储存在磁通量管中的能量。但这种过程是不可能永远持续下去的,因为能量越高的状态就越不稳定,最终将会有一个时刻,如同橡皮筋突然断裂一样,磁通量管发生重组,由拉伸、扭曲、缠绕后的复杂状态一举重组回相对简单的状态,并将因拉伸、扭曲、缠绕而储存起来的能量在很短的时间内释放出来,由此形成的就是耀斑。
这种机制得到了一定程度的观测支持。人们发现,耀斑通常发生在极性变化较为复杂的黑子区域附近,那里不仅有强磁场,而且磁通量管的分布较为复杂,容易发生上述机制所要求的拉伸、扭曲、缠绕等过程。但这种机制也并非没有问题。比如前面提到的帕克在20世纪60年代曾对磁通量管的重组进行过估算,结果发现那需要几小时甚至几天的时间才能完成,而耀斑的能量释放过程往往持续不到一分钟,两者大相径庭。为了解决这一问题,科学家们提出了许多修正方案,比如有人提出磁通量管的重组只需发生在一小段而不是在整段上,从而能在短得多的时间内完成。也有人提出磁通量管在重组前会破碎成许多小圈,从而大大增加接触面积,使重组得以“提速”,等等。总之,方案人人会提,各有不同巧妙,但越是巧妙的方案所需的观测证实通常也越精密,其中很多都超出了目前的观测能力,因此耀斑的发生机制到目前为止还是一个谜,探索的道路还很漫长。
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 楼主| 发表于 2012-10-28 10:26:09 | 显示全部楼层

谜团锦簇的太阳大气层

除耀斑外,太阳大气层中的另一种爆发现象近来也受到了越来越多的关注,那就是所谓的日冕物质抛射(coronal mass ejection)。一定规模的日冕物质抛射的发生频率从几天一次到一天几次不等,它们与耀斑的主要差别是会抛射出大量的“物质”,主要是带电粒子,数量约有几十亿至上百亿吨,飞行速度约为每秒几百公里,所携带的动能与大耀斑的总能量相近。这些质量相当于几万艘巨轮的带电物质若不幸与地球相遇,将会造成大型的地磁暴,其威力往往要比耀斑造成的地磁暴更厉害——这也正是人们越来越关注日冕物质抛射的主要原因。
1989年3月,一次小规模日冕物质抛射引发的地磁暴,造成了加拿大魁北克省电力系统的崩溃,并使得极光范围一直延伸到美国南部的得克萨斯州,很多人甚至担心美苏双方的军事通信系统会因地磁暴的干扰而触发核大战。小规模日冕物质抛射尚且如此厉害,大规模日冕物质抛射倘若击中地球,结果更是不堪设想。这其中最令人担忧的就是大规模日冕物质抛射击中地球的可能性。有人也许会说:1859年的大耀斑不就是一次天象奇观吗?并没有造成严重后果啊?
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 楼主| 发表于 2012-10-28 10:27:18 | 显示全部楼层

谜团锦簇的太阳大气层

那么,日冕物质抛射是如何发生的呢?很不幸,这也是一个未解之谜。人们提出了很多理论,但各有各的问题。比如很多人曾经认为,日冕物质抛射与耀斑有着直接关联,甚至完全就是由耀斑造成的。但后来的研究发现,很多大耀斑并不导致日冕物质抛射,而某些小规模的日冕物质抛射则似乎没有与之相伴的耀斑。因此日冕物质抛射与耀斑之间看来并不存在可靠的因果关联。但一般认为,两者之间虽没有因果关联,却也绝非毫不相干。佐证这一点的最好证明,就是几乎所有大规模的日冕物质抛射都有与之相伴的耀斑。另外,日冕物质抛射与耀斑一样,都几乎铁定是与太阳磁场存在极密切的关系,而且极有可能都是磁通量管的重组造成的(事实上,日冕物质抛射很可能是整段磁通量管遭到“抛弃”所致)。只不过究竟什么样的磁通量管分布会造成耀斑,什么样的磁通量管分布会造成日冕物质抛射,目前还不得而知。
从黑子到耀斑,再到日冕物质抛射,太阳活动的形式是丰富多彩的。那么,在这些活动中有没有什么共同特征呢?有,那就是太阳周期(solar cycle),那也是我们最后要介绍的话题。
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 楼主| 发表于 2012-10-28 10:28:08 | 显示全部楼层

太阳周期

太阳周期是德国天文学家Heinrich Schwabe通过对太阳黑子数目长达17年的持续观测,并借鉴历史数据所发现的。它最初的含义是黑子数目的变化周期。但后来的研究发现它同时也影响着耀斑、日冕物质抛射等其他太阳活动,甚至对太阳的光度及太阳风的强弱也有一定影响,可以说是所有太阳活动的共同特征。另一方面,在揭示出太阳周期所具有的广泛影响力的同时,它作为周期现象的品质却在下降。现代观测表明,太阳周期并不是严格意义下的周期现象,它的平均值约为11年,但有时可以短至9年,有时又可以长达16年,甚至还出现过长达几十年没有显著活动的所谓“Maunder极小期”。不过,尽管这样的起伏,太阳活动的规律性仍是足够显著的,起码存在着近似意义上的周期性,而绝不是随机现象。在一个太阳周期中,太阳活动最少的年份称为太阳活动极小年,太阳活动最多的年份则称为太阳活动极大年。
尽管太阳周期不是严格意义下的周期,但作为一种显著的近似现象,它的存在依然是需要解释的。为了寻找这种解释,科学家们付出了几十年的艰辛努力,可惜的是——读者们一定猜到我要说什么了——迄今为止这也仍是一个未解之谜。
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 楼主| 发表于 2012-10-28 10:29:00 | 显示全部楼层

发电机机制

当然,这并不说几十年的努力毫无成果。相反,成果不仅有,而且还不小。在这里我们介绍其中较受青睐的所谓的“发电机机制”(dynamo mechanism)。事实上,对太阳周期的具体解释是极困难的研究课题,切入点的选择却是相当显而易见的。通过本章的介绍,我们已经知道太阳活动有一个共同的幕后推手,那就是太阳磁场。而我们前面刚刚介绍过,太阳周期是所有太阳活动的共同特征。既然一组现象有一个共同的幕后推手,那么它们的共同特征最有可能归因于什么呢?当然就是太阳磁场。因此,解释太阳周期的切入点应该是太阳磁场,这也正是太阳发电机机制的切入点。发电机机制的精髓之处,就是将太阳磁场本身的演化也纳入了解释范围之内,从而在很大程度上具有统领整个领域的潜力。
发电机机制出现于20世纪60年代,此后经历了几次起落。它的早期设想是这样的:在太阳活动的极小年中,太阳内部存在着弱磁场(像太阳这样的巨型等离子气团中存在弱磁场并不是难以想象的事情,不存在反倒是难以想象的)。这种场在太阳内部主要由南极指向北极,被称为极向场(poloidal field)。极向场在太阳内部自转不均匀性的带动下,将会发生扭曲,使磁通量管沿赤道方向遭到拉伸,形成所谓的环形场(toroidal field)。随着扭曲的加剧,环形场的强度会持续增强。计算表明,当环形场的强度增加到一定程度时,磁通量管将会出现上浮的现象。不仅如此,磁通量管在上浮过程中还会产生新的极向场,从而构成极向场与环形场之间的相互支撑。当磁通量管浮出太阳表面时,将如上文说过的那样,在伸出和插回太阳表面的地方形成一对磁场极性相反的黑子。粗略的分析表明,这种机制有一个很漂亮的地方,那就是可以解释有关黑子分布的所谓Spörer定律,即在每个太阳周期中,自极小年到极大年,太阳黑子几乎总是首先出现在高纬度区域,然后向低纬度区域扩张,而且南北半球上的黑子对有着相反的极性。那么太阳周期又是如何出现的呢?是因为磁通量管的相互湮灭。当南北半球那些极性相反的黑子对扩张到赤道附近时,磁场方向相反的磁通量管会相互湮灭,从而使磁场分布逐渐回到最初时的弱磁场状态——这就是一个新周期的开始。
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 楼主| 发表于 2012-10-28 10:30:21 | 显示全部楼层

发电机机制

这些结果初看起来很令人振奋,不仅对太阳周期作出了说明,还附送了对Spörer定律的解释,简直是“买一送一”。可惜好景不长,问题很快就出现了,而且恰恰就出在那附送的部分上。原来,发电机机制的早期研究有一个先天不足,那就是对太阳内部的自转状况一无所知。当然,在那种早期研究中,无知和无知的快乐,那就是便于作假设,因此当时人们对太阳内部的自转状况作了相当任意的假设,目的之一就是解释Spörer定律。但不久之后,我们第12章所介绍的日震学手段就粉墨登场了,它无情地粉碎了那些无知年代的快乐假设,因为它所探测到的太阳内部的实际自转状态与早期所假设的并不一致。那么,利用太阳内部的实际自转状态是不是仍能解释Spörer定律呢?很遗憾,不能。事实上,它很不幸地会导致黑子分布规律的逆转,即变成了从低纬度向高纬度扩张,与Spörer定律恰好相反。这样一来,原先“买一送一”的友情馈赠反倒变成了躲都躲不开的“硬性搭售”。更麻烦的是,早期发电机机制被认为在是对流区中起作用的,新的研究却发现,太阳对流区的环境过于恶劣,到处是强劲的湍流。在那样的环境下,磁通量管很快就会被撕碎,从而根本就不可能有时间来孕育足够强的磁场。这样一来,发电机机制连对流区这一“老巢”都失守了。
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 楼主| 发表于 2012-10-28 10:31:09 | 显示全部楼层

发电机机制

这些问题给发电机机制蒙上了巨大的阴影。但天文学家们没有放弃,而是积极寻找着解决之道。到了20世纪90年代中期,一种新设想为发电机机制注入了新活力。这种新设想就是“迁居”——将发电机机制的作用地点由对流区迁移到差旋层中。差旋层我们在第12章末尾曾经提到过,它是对流区底部以下的一个薄层,是太阳刚性自转与非刚性自转的交界层。这样的交界层自然也会造成极向场的扭曲,从而也可以启动发电机机制。但与对流区不同的是,差旋层由于地处对流区底部以下,因而是一个相对稳定的地方,发电机机制可以在那里从容不迫地积累强磁场。不仅如此,计算表明,这种新设想所导致的黑子分布规律与Spörer定律又重新一致了,从而排除了一个重大便伤,使局势进一步明朗起来。不过硬伤虽已被排除,软伤的有无却是谁也无法打包票。发电机机制作为一个非线性模型,存在着诸如混沌之类的复杂性,而太阳周期本身也是一种复杂现象,这两者的拟合在细节上几乎无可避免地存在很大的不确定性,使得谁也无法保证目前这明朗局势是否是昙花一现,甚至只是回光返照。我们只能说发电机机制是迄今为止有关太阳磁场及太阳周期的比较有希望的机制。
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 楼主| 发表于 2012-10-28 10:34:42 | 显示全部楼层

太阳对流运动

太阳表面的“米粒”是发生在对流区中的对流运动的体现,这一点是毫无疑问的。曾经有一段时间,天体物理学家们普遍认为“米粒”以及太阳表层的对流运动是人们在流体力学中所发现的一种称为贝纳胞(Bénard cell)的结构在太阳上的翻版。贝纳胞是1900年法国物理学家Henri Bénard在自下而上加热一个液体薄层时所发现的对流形式,它与太阳表面的“米粒”不仅具有外观上的相似性,而且在生成条件上也一度被认为是相同的,因为两者都被认为是在重力和浮力的共同作用下由对流运动产生的。
粗看起来,这是一个展示不同尺度物理现象之间相似性的漂亮结果。但这种相似性却在1958年遭到了严重质疑,因为人们发现在贝纳胞的形成过程中,一个曾经被忽略的因素——液体的表面张力——起了不可忽视的作用。为了证实这一点,科学家们甚至在“阿波罗14号”登月飞船的无重力环境下进行了贝纳胞实验,结果发现在重力和浮力都不存在的环境下依然可以出现贝纳胞,它的幕后推手是表面张力。这一结果不仅打破了对贝纳胞的传统理解,而且直接削弱了它与太阳“米粒”之间的可比性,因为在太阳表面极端稀薄的气体环境里并不存在表面张力,因此“米粒”的形成机制与贝纳胞起码是不可能完全相同的。这段插曲是一个很好的例子,说明在太阳物理学的研究中存在很多微妙的地方。
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 楼主| 发表于 2012-10-28 10:35:49 | 显示全部楼层

太阳对流运动

太阳表面的“米粒”除了那无数个线度约为1500公里的“小”米粒外,20世纪50年代,人们在观测太阳表面物质的速度分布时,还发现了一种线度为2万~3万公里的大尺度结构,它的面积比整个地球的表面积还大,它名字叫做“超米粒”。这种“超米粒”的寿命比普通“米粒”长得多,可以有1~2天。在太阳圆面上,几乎每一时刻都分布着两三千个“超米粒”。与“米粒”不同的是,“超米粒”的速度分布基本上是水平的,无法找到像热气团上升、“冷”气团下沉那样简单的物理结构,从而无法把它们与对流运动简单地联系起来。“超米粒”的结构和成因也因此而成为了太阳物理中的一个不解之谜。
更热闹的是,除了“米粒”和“超米粒”外,1981年,人们还发现了一种线度约几千公里,介于“米粒”和“超米粒”之间的新型“米粒”,叫做“中米粒”(mesogranule)。“中米粒”的发现受到了一部分天体物理学家的欢迎,因为早在1961年就有人提出过,太阳对流区中的对流有可能具有不同的层次,“米粒”和“超米粒”分别对应于其中较小和较大的层次,但介于两者之间的层次却一直未能得到观测上的支持。“中米粒”的发现可以说是填补了这一空白。但不幸的是,这一观测与理论之间看上去很美的契合后来也遭到了质疑。有些科学家在仔细研究了观测数据后,认为“中米粒”有可能只是太阳表面物质的速度分布进行分析时采用了不恰当的统计方法所导致的“幽灵结构”,它其实根本就不存在。这方面的争议迄今仍未得到解决。
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 楼主| 发表于 2012-10-28 10:39:23 | 显示全部楼层

太阳对流运动

因此,不仅“超米粒”是一个谜,“中米粒”也是一个谜,只不过前者之谜在于结构和成因,而后者干脆连存在性本身都是一个谜。那么普通“米粒”又如何呢?它是唯一一种与对流运动存在明显对应的“米粒”,从这个意义上讲,它是三种“米粒”当中被理解得最充分的一种。但即便对于它,也仍有很多微妙的地方有待理解,否则人们也就不会轻易犯下将它视为贝纳胞那样的错误了。事实上,如果把太阳上各种主要的复杂因素——比如太阳的自转或磁场等——的影响全都考虑在内的话,即便对于普通“米粒”的结构和成因,也还有很多需要探索的地方。

现在让我们把迄今介绍过的太阳内部结构列成一个简单的表格:

区域名称

范围

主要现象

检验方法

核心区

0~17万公里

核聚变反应

探测各个能区的太阳中微子

辐射区

17~49万公里

以辐射为主的能量传输

?

对流区

49~69.5万公里

以对流为主的能量传输

观测太阳表面的各种“米粒”
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 楼主| 发表于 2012-10-28 12:44:07 | 显示全部楼层

量子引力在太阳物理中的作用

虽然太阳的引力场很强大,但在目前太阳物理的标准模型中,引力场起的是次要角色,甚至经常被忽略不计。这是由于在广义相对论中,引力场和其他三种极矢量场并非统一的整体,所以引力场经常扮演的是旁观者的角色。在量子引力中,引力场和其他三种极矢量场是统一的整体,引力经常会参与到太阳乃至宇宙各种各样的活动中。

从宏观的角度说,引力场是自顶向下设计的,或者说是整体论的,反映在太阳物理中,相当于自内而外的设计;而极矢量场是自底向上设计的,或者说是还原论的,反映在太阳物理中,相当于自外而内的设计。虽然很多科学家喜欢还原论,但还原论并不是总能奏效,假设有一位“美女”,是由30千克水……1千克铁等物质组成,我们购买30千克水……1千克铁等物质,能够还原出这位“美女”吗?答案显然是否定的。部分的总和不等于整体!

就算还原论能奏效,太阳由很多的粒子组成,其非线性相互作用也会使还原论行不通。例如,太阳活动周期明显是一种太阳整体的行为,目前的发电机理论试图用还原论来理解。实际上,在还原论和整体论之间有一座桥梁,我们说过,统一场论的基本群是SU(2)×SU(2),这相当于电磁场到轴磁场的变换,电荷无法直接变换成轴矢量的荷,但间接的变换是可以的。
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 楼主| 发表于 2012-10-28 13:18:37 | 显示全部楼层

量子引力在太阳物理中的作用

有了引力的主动参与,太阳物理中的很多谜题就很容易理解。首先,我们发现,“米粒”与Bénard胞有共同的作用机理,换句话说,天文学家最初的那个直观想法其实是对的。经过两次变换后极矢量场可以变换成轴矢量场,在等离子体物理中,电荷之间要么排斥,要么相互抵消,可是轴单极子不同,它们服从牛顿-庞加莱统计,交换作用使得它们之间有吸引力。

这就意味着轴单极子可以凝聚,但凝聚成什么样却是由具体的物理环境决定的,有可能凝聚成弦、圈或者其它形状,总的来说,凝聚了的场会选择一种场位形、处于能量最低的状态。在太阳上恰好有一种场位形是能量最低的,那就是凝聚了的弦与太阳的径向引力场重合的位形。这就意味着Bénard胞中有一根直立的弦(即垂直于太阳的表面)。根据弦理论的“肥皂泡定律”,我们知道,Bénard胞必需保持表面积最小,这就相当于有一个表面张力。

实际上,轴矢量的弦与太阳磁场的磁通量管模型是对偶的。我们可以将磁流管模型比喻为“外骨骼系统”,那么弦模型就相当于“脊椎系统”。我们知道,“脊椎系统”是高等动物的标志,通常“脊椎动物”比“外骨骼动物”要高大、强健的多;太阳上的各种活动尺度和规模都很大,这就意味着用“脊椎系统”比用“外骨骼系统”更适用于描述太阳模型。
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