科学百科第18期丨所有恒星所发出的全部能量都到哪里去了？

本期为大家带来：

《你知道吗——现代科学中的100个问题》

本书是阿西莫夫的优秀作品之一。
作者以通俗的语言，深入浅出地解释了现代科学中的一百个尖端课题。
其中，有些是了解现代科学技术所必须具备的基础知识，如科学的研究方法、二进制数、相对论、亚原子粒子、核聚变、熵、晶体、病毒等。有些则是当代科学技术的前沿阵地，如黑洞、统一场论、夸克、快子、金属氢等。
作者对这些问题的来龙去脉，它们目前处在什么样的状态、有没有希望得到解决等问题均作了回答。

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第十八个问题：所有恒星所发出的全部能量都到哪里去了？

恒星可以通过以下几种不同的方式发射出能量。第一，恒星会发射出无质量的电磁辐射——光子，这种电磁辐射包括从能量最大的γ射线到能量最小的射电波（甚至一个冷的物体也会发射出光子，物质的温度越低，光子也越弱）。可见光就是这类辐射的一部分。第二，恒星还会发射出中微子和引力子等无质量的粒子。第三，恒星还会发射出各种具有质量的带电高能粒子，主要是质子，但同时也包括数量较少的各种原子核及其它各种粒子。它们就是宇宙射线。恒星发射的所有这些粒子（光子、中微子、引力子、质子等等），只要当它们是单独出现在宇宙空间的时候，它们将是稳定的。

就我们所知，它们可以在数十亿年的时间内不发生任何变化地通过数十亿光年的真空。由此可见，恒星所发射的一切粒子只要没有遇到任何会把它们吸收掉的物体，就会一直存在下去。拿光子来说，几乎任何东西都能把它们吸收掉。能量很大的质子就较难被别的东西阻挡和吸收，至于中微子，那就更难被别的什么东西阻挡和吸收了。关于引力子的情况，直到目前为止，人们尚未弄清。假如我们的宇宙中，除了以固定不变的位形分布的恒星以外，什么东西也没有的话，那么，由某一颗恒星所发射出的每一颗粒子，除非它遇到了另一颗恒星并被吸收掉，否则，都一定会在宇宙空间“旅行”。在这种情况下，所有的粒子将只会从一颗恒星“旅行”到另一颗恒星，这样，总的说来，每一颗恒星都应当能够收回它所发射出去的全部能量。

从这种假定出发，宇宙似乎应当会永远不变地继续下去。但是以下三个事实的存在使实际情况不会像上面所说的那样。第一，宇宙并不是单由恒星所组成，而是包含有大量的冷物质，从巨大的行星直到星际尘，当这些粒子遇到冷物质时，粒子就被吸收，冷物质则发射出能量较小的粒子以作为交换。这就意味着，总的来说，冷物质的温度会逐渐上升，而恒星所含的能量会逐渐减少。第二，恒星以及其他天体发射出来的某些粒子（如中微子和引力子）被物质吸收的几率是如此之小，以致在宇宙的整个生存期间，业已被吸收的只占其中很小的一部分。

这就意味着，在恒星发射出来的全部能量中，有很大一部分仍在宇宙空间中“旅行”，而这同样也等于说，恒星所含有的能量正在逐渐减少。第三，宇宙正在膨胀。这就意味着星系与星系之间的空间正在逐年扩大，因此甚至象质子和光子等一类能被其他物体吸收的粒子，平均说来，也要旅行更长的路程才遇到其他物体而被吸收掉。正因为如此，恒星所吸收的能量抵偿不了它所发射的能量的倾向正在逐年加大。同时，为了填补因宇宙膨胀而增大的这部分宇宙空间，就一定会有额外的能量（亦即快速的高能的、但尚未被吸收的粒子）进入到这部分宇宙空间。事实上，这个道理是很明显的，只要宇宙还在继续膨胀，总的来说，它将会继续变得越来越冷。当然，如果宇宙有朝一日开始再一次从膨胀转为收缩的话，情况就会倒转过来，到那时，宇宙将会开始再一次逐渐变热起来。

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