等離子體宇宙論—(阿爾文—克萊因模型假說)

2021-02-08 艾誰誰FM

等離子體宇宙論

(阿爾文—克萊因模型假說)

資料收集:行走海洋

 

說起等離子體(電離原子)宇宙論,就不得不提及一位1970年諾貝爾物理學獎獲得者瑞典人Hannes Olof Gösta Alfvén(漢尼斯·奧洛夫·哥斯達·阿爾文1908.5.30-1995.4.2)等離子體物理學家、天文學家,致力於磁流體動力學領域的研究,其成果被廣泛應用於天體物理學、地質學等學科。初時為工程師,後來轉為研究及教授等離子學及電子工程。

漢尼斯·奧洛夫·哥斯達·阿爾文

阿爾文1908年出生於瑞典的北雪平,1926年進入烏普薩拉大學就讀,1934年獲得該校博士學位。而後阿爾文在烏普薩拉大學和斯德哥爾摩的諾貝爾物理學院教授物理學課程,1940年起擔任斯德哥爾摩皇家理工學院教授。1967年,阿爾文移居美國,在加州大學聖地牙哥分校和南加州大學執教。1991年退休,退休時是加利福尼亞大學聖迭哥分校的電機工程教授和皇家工學院的等離子體物理教授。退休後來往於加利福尼亞州和瑞典之間。1995年逝世,終年87歲。


阿爾文最初從事電學儀器的理論和實驗工作,1930年代後期開始研究宇宙尺度上的電場和電流系統,以及宇宙線的起源問題。1940年代末,阿爾文開始將磁流體動力學應用於天體物理學,研究了太陽黑子、天體磁場起源、行星際等離子體的性質,提出了等離子體宇宙論,並且倡導太陽系起源於電磁作用的學說。所以我們這裡講的等離子體(電離原子)宇宙論理論基礎奠基人就是阿爾文。為紀念他,第1778號小行星被命名為「阿爾文」。


阿爾文提出的關於太陽系起源的學說。這種學說認為電磁作用在太陽系起源過程中起到了主導的作用。他認為,太陽形成時具有很強的磁場,太陽周圍的高溫電離氣體雲因冷卻而還原成中性態,在太陽萬有引力的作用下下落。當下落的動能超過電離能時由於分子碰撞而再度電離,在一定距離處停止下落,形成4塊物質雲,並最終凝聚形成了太陽系中的行星和衛星。1976年,阿爾文將主要研究成果在與阿亨尼斯合著的《太陽系的演化》一書中作了總結。其理論基礎是《宇宙電動力學:基本原理》。宇宙電動力學是天體物理學的一個分支。研究宇宙空間星體磁場和星際磁場與帶電粒子之間的相互作用以及各種宇宙電磁現象的一門學科,因而也是理論天體物理學的一個分支。高等教育出版社出版的《宇宙電動力學導論》也是這一理論基礎的專業書籍。有興趣的研究的朋友可以自行去網上搜索相關下載資源,但是我並不認為你會認為這些專業書籍會很有趣,因為「專業」兩個字代表著冷酷,無情,乏味,但是又很嚴謹,可實證。


另一位人物就是奧斯卡·班傑明·克萊因(瑞典語:Oskar Benjamin Klein,1894年9月15日-1977年2月7日),瑞典物理學家。出生於斯德哥爾摩省丹德呂德市,他在年輕的時候成為挪威諾貝爾研究所學生,師從斯凡特·奧古斯特·阿倫尼烏斯,當第一次世界大戰爆發後,他正前往法國,準備師從讓·佩蘭,之後他應徵入伍。從1917年開始,他在哥本哈根大學與尼爾斯·玻爾工作數年,並獲得斯德哥爾摩大學博士學位。1923年,他獲得安娜堡密西根大學教職,並與妻子格爾達科赫離開丹麥。奧斯卡·克萊因於1925年回到哥本哈根,與保羅·埃倫費斯特在萊頓研究,然後在1926年於隆德大學研究。克萊因於1959年被授予馬克斯·普朗克獎章。他於1962年退休。

奧斯卡·克萊因與西奧多·卡魯扎,發明卡魯扎—克萊因理論,提議第四個空間維度捲曲成一個半徑非常小的圓,所以粒子沿著這個軸移動很短的距離,就會回到起始點。粒子在回到起始點前所能行進的距離則稱作是該維度的大小。這個額外維度(extra dimension)是一個緊集,而時空具有緊緻維度的現象則稱作是緊化。1938年,他提出玻色子交換模型來解釋電弱相互作用(放射性衰變),幾年後,湯川秀樹提出類似想法。卡魯扎-克萊因理論也可以被推廣成楊-米爾斯理論。奧斯卡·克萊因紀念講座每年在斯德哥爾摩大學舉行。

 

一,首先我們先來了解什麼是等離子體


等離子體(plasma)又叫做電漿,是由部分電子被剝奪後的原子及原子團被電離後產生的正負離子組成的離子化氣體狀物質,尺度大於德拜長度(德拜長度(Debye length)等離子體中任一電荷的電場所能作用的距離。

這個量是荷蘭物理學家P.德拜在研究電解現象時首先提出的。等離子體中含有大量正負電荷。由於電荷的同性相斥和異性相吸規律,任一個帶電粒子總是被一些異性粒子包圍,所以它的電場只能作用在一定的距離內,超過這個距離,基本上就被周圍異性粒子的電場所屏蔽。這個距離即為德拜長度,又稱德拜屏蔽距離。等離子體中的兩個帶電粒子,只在彼此距離小於德拜長度時,才有相互作用的電力。

德拜左和普朗克右

德拜長度也是描述等離子體中電荷分離的空間尺度,在比德拜長度短的距離內,電荷分離的現象才是明顯的。因此,德拜長度又是衡量一團電離氣體是否為電中性的標準。若一團電離氣體的尺度大於德拜長度,這團電離氣體在宏觀上可看作是電中性的,這時才能稱其為等離子體的宏觀電中性電離氣體,其運動主要受電磁力支配,並表現出顯著的集體行為。它廣泛存在於宇宙中,常被視為是除去固、液、氣外,物質存在的第四態。等離子體是不同於固體、液體和氣體的物質第四態。物質由分子構成,分子由原子構成,原子由帶正電的原子核和圍繞它的、帶負電的電子構成。當被加熱到足夠高的溫度或其他原因,外層電子擺脫原子核的束縛成為自由電子,就像下課後的學生跑到操場上隨意玩耍一樣。電子離開原子核,這個過程就叫做「電離」。這時,物質就變成了由帶正電的原子核和帶負電的電子組成的、一團均勻的「漿糊」,因此人們戲稱它為離子漿,這些離子漿中正負電荷總量相等,因此它是近似電中性的,所以就叫等離子體。


了解完等離子體是什麼,那麼下面開始講阿爾文—克萊因模型(等離子體宇宙論):阿爾文和斯德哥爾摩大學的克萊因在1961年首次提出的等離子體宇宙模型——阿爾文—克萊因模型。


二,等離子體宇宙總體假設是怎樣的?


宇宙總體是一個直徑約為10的12次方光年的巨大球體,稱其為總星系。總星系內含有大體上均勻分布的粒子和反粒子的混合物——一個雙重等離子體,因這些粒子和反粒子大多數是電子、正電子、質子和反質子而得此名——等離子體宇宙。現代宇宙觀測證實,宇宙中99%被雙重等離子體佔據,其他三態物質(固液氣三態)總佔比不到1%。


三,等離子體宇宙是如何解釋宇宙暴漲的?


開始時,總星系的密度很低,每10立方米的容積內約有一個質子或一個反質子,此時,質子與反質子發生碰撞的機率非常之小。在引力起作用後,總星系開始收縮,經過幾十億年,隨著球的半徑的逐步縮小,粒子與反粒子越靠越近,它們碰撞,正、反粒子發生湮滅,釋放出能量,當它們擠得更近時,碰撞越來越頻繁,很快,湮滅現象大量出現,巨大能量被釋放出來。但在總星系迅速坍縮的過程中,湮滅能量卻產生出一個抗拒總星系內縮的外推力,最後,輻射能量不但大到使引力坍縮停止,而且使總星系向外膨脹,很快,宇宙便處於快速膨脹的狀態。

四,等離子體宇宙是如何解釋宇宙坍縮的?


按照能量守恆原理,膨脹等同於坍縮,但方向相反。膨脹開始時是急劇的,但逐漸慢下來。這一現象與宇宙創生熱大爆炸所發生的情景完全一樣。從這一點說,兩種宇宙學說沒有什麼不同之處,但等離子體宇宙模型中的慢下來,主要是由於當宇宙膨脹時,剩下來的粒子與反粒子被分隔開,產 生的輻射(湮滅能量)越來越少的原故。


五,等離子體宇宙論的瑕疵是什麼?


阿爾文—克萊因模型有許多不足之處,特別是70年代的觀測事實表明宇宙中物質的成群、成團,所謂叢生情形比原先預料的要多得多,是該模型無法解釋的。為了說明新的觀測事實,阿爾文做了如下考慮:首先,視總星係為可觀測的宇宙,而且是無限宇宙的一部分;其次,物質的叢生性意味著在總星系內縮時物質與反物質發生了大尺度的隔離。為此,求助於他的「細束」(細節的細,約束的束;等離子體能夠攜帶電流,等離子體中攜帶的許多電流彼此相互吸引,且產生磁場,因此,等離子體中的電流會將越來越多的等離子體拉近,電流也會隨之增大,最後使得等離子體、電流、磁場相互纏繞在一起,這種現象被阿爾文稱之為「細束」。這種現象在1908年極光和磁暴現象地球模型試驗中被驗證過。)這個概念來改進1961年提出的宇宙模型;他假設在雙重等離子體內縮的過程中,細束在其中形成、長大,最終將生長到幾百萬甚至幾十億光年長。當細束長到超星系團的大小時,在引力作用下,斷裂成為星系團大小的等離子體雲,這些雲團中的細束繼續起作用使雲團碎裂,較小的雲塊最終凝聚為星系,但諸星系仍保留著細束中等離子體的高速運動,從而說明了觀測到的許多星系具有的高速本動。


六,等離子體宇宙推論:

這個宇宙模型得到大多數宇宙學家認可的重要原因是因為這個模型科學的解釋了宇宙膨脹現象,宇宙背景輻射,幾種輕元素,特別是氦元素的成因。


整個宇宙中巨大的細束內的等離子體產生的宇宙微波背景輻射溫度2.73開爾文,與勒納—彼得斯黑體譜輻射試驗中等離子體發生器產生的輻射密度5×10-14焦耳,這個能量密度相當於一個溫度為2.87開爾文黑體所發出的輻射相同。數值基本統一。


輕元素不是宇宙創生大爆炸中誕生的,而是年輕星系中佔主導地位的巨星內部核聚變的產物,巨星的超新星爆發被拋灑到星際和星系空間,等離子體之間相互碰撞的結果產生了氘元素和鋰元素。


宇宙中形成星系的主宰力量不是引力,而是等離子體的電磁力。這也就很好的說明了現在觀測到的星係為什麼沒有散開或者聚合成為一體。這種說法排除掉了因為「暗物質」存在導致的星系不散不聚的成因。


2013年,科學家觀測到了仙武—北冕座長城。宇宙暴漲理論無法解釋仙武—北冕座長城這麼大尺度的物質結構成因,因為它誕生於宇宙誕生後37-38億年之間(因為它距離地球有100億光年遠,推算其形成時間就不難),暴漲理論體系下,這個時間點不可能產生這麼大尺度的物質存在,因為它的跨度有100億光年。但是用等離子體宇宙模型就能很好的解釋其成因。


2019年,旅行者號飛出太陽系發現星系外部各種輻射的惡劣程度遠大於太陽系內,太陽系運行軌跡也與等離子體宇宙模型中講的細束類似,內部電磁環境與外部輻射環境相互關係也能合理解釋。

等離子體宇宙論認為,整個宇宙就像一個導電物質,宇宙空間中流動著伯克蘭電流。伯克蘭電流的特點他在宇宙空間中非常微弱,但是當它遇到星體,例如太陽、地球時,就會突然增強,產生很強的電壓。電流遇到太陽時,在太陽大氣裡會產生強烈的電弧,所以人們看到的太陽發光發亮的部分,很有可能就是電弧,那麼既然是電弧,就不需要太陽有很高的溫度。太陽表面存在大量的不穩定磁場。如果是核聚變,則不會產生這些磁場;但如果是電弧,每個電弧都會產生磁場,所以太陽的磁場很有可能是電弧造成的。

而太陽風本身就是一種電流,通過伯克蘭電流的引導,才會越往外速度越快。由於伯克蘭電流在宇宙中分布不均勻,當太陽到電流較弱的地方,太陽亮度就減少,產生的輻射不足以加熱地球,從而也解釋了地球曾有過的冰河時期。通過太陽自身的陽震對太陽內部進行分析,發現太陽無論經緯度多少,轉速都一樣,說明太陽內部有個固體核心,從而推翻了太陽是氣態的猜想。所以之前假設的太陽核心有1500萬度也是不存在的,否則該核心會迅速氣化。而且太陽的不穩定磁極也會造成氣態的太陽不斷發生形狀變化。所以太陽內一定有個固體核心。我們可以大膽假設,太陽在光芒四射的大氣下面,或許有一個類似地球一樣的環境。2019年NASA最新透露出來的觀測數據是太陽實際的地表溫度僅僅只有27攝氏度。


資料收集:行走海洋

校對:伊萬

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