物理学和天文学的那点事，说说充满诗意的物理学

　　从我进入自媒体行业以来，也写了好多的科普文章了，其中物理学是我写得最多的内容。当然了为了科学性，使得我的很多内容可读性都不高，所以流量一直都不怎么好看。这充分证明了霍金那句话说得对，＂多了 一个公式，就少了一半的读者 ＂。今天我们还是来聊一下物理学和天文学，不过这次各位小伙伴们不要担心，本文非但一个公式都没有，反而是充满了诗情画意。
　　图1 我们的太阳系
　　让我们先把思路转移到天文学上来，这不是因为曾经有很多的诗人为日月星辰谱写了很多美丽的诗篇，而是因为，天文学本身对于恒星和行星运动规律的归纳和总结，才使得物理学得以真正的发端。对于这些恒星和行星运行规律的理解，正是物理学真正的开始。那段历史我们这里就不重复了，写这个的很多，我自己也写过，而且这些都不是我想说的重点。我这里想强调的是，物理学对于天文学最大的贡献是，发现了所有的星星都是由跟地球上一样的原子组成的。
　　图2 天文学家开普勒
　　好吧，我想看到这里最失望的还应该是那些诗人吧，因为物理学家们剥夺了他们讴歌星星美丽的权力，那些星星变成了一团团由原子组成的球。但真相如此吗？非也。我不知道有多少人跟我一样，半夜睡不着的时候会爬到楼顶上去看星星。无垠的夜空拓展了我的想象，盯着这个四季轮回的夜空，我可以看到几百万年前发出的星光。
　　这是一幅浩瀚的星海，我就是这幅波澜壮阔的图画的一部分，我身体的组成材料就是由某颗已经被遗忘的星星喷发出来的，就像在宇宙的某个角落里那颗正在喷发的一样 。如果我们身边恰好还有一架天文望远镜，哪怕是70毫米口径的折射镜，我们也能看到夜空里那些正在发生的更多的细节。
　　图3 牛顿
　　月球表面那些凹凸不平的撞击坑、木星的彩色条带，还有土星环。如果我们用更大口径的望远镜，好吧，跟大家透露一下，我这几天正在犹豫这要不要买一架150口径的牛反镜，我们就能看到更深远的星空。可以看到那些星系和星云，它们从某个起点往四面八方散开的画面，它们在以前某个时候可能就是挤在一起的某个起点处。
　　这是多么美妙的画面啊，它的意义是什么呢？为什么它们要这样？对于这些问题的了解并不会削弱我们对宇宙的神秘。因为真理比过去任何艺术家所想象得都更为奇妙。为什么现在的诗人不去讴歌它们呢？如果朱比特（木星）是一个人，就能够赞颂它，而现在我们发现了他是一个由甲烷和氨气组成的、巨大的气团，我们就必须三缄其口，这还算是什么诗人呢？
　　图4 哈勃太空望远镜那么是怎么知道所有的星星都是由地球上一样的原子组成的呢？
　　这是由于原子发出特定频率的光，就像不同的乐器都有其自身特定的音色是一样的，乐器可以发出自己的音高和声音频率，当我们听到乐器的演奏时，我们就能区分出不同的乐器。由于眼睛的分辨能力不及耳朵，所以当多种光在混合时，我们是无法指出其中所含有的光的频率的。但是物理学家们可以用光谱仪来分析光的频率。
　　用这样的方法，物理学家们就能看到不同星球上的原子发出的真正的＂音调＂。在所有的元素中，有两种是在其它星球上线发现而后才在地球上发现的。其一是氦元素，是在观察太阳光谱的是会后发现的，它的名字也由此得来。而锝元素是在一些冷星上发现的。
　　图5 我们的太阳
　　通过发现其它星球的组成跟我们地球上的元素一样，使得人类对星星的理解前进了一大步。今天，科学家们已经知道了更多关于原子的知识，特别是原子在高温而且密度不太大的状态下的行为，科学家们就可以利用统计力学的方法来分析星体物质的性能。虽然科学家们现在仍然不能在地球上复制一个星球的状态，但是利用基本的物理定律还是常常能够精确地或者非常近似地说出会发生什么事情。写到这里，我想大家已经可以看出，物理学已经开始在帮助天文学了。
　　图6 量子力学带来的微观世界
　　事实上，我们今天对于恒星，比如太阳内部物质分布情况的了解要远胜于我们对地球内部的了解。可能很多小伙伴们都会去想，对于那些遥远的恒星，我们唯一的办法是通过望远镜看到一个小光点，要了解它们内部的情况应该是非常困难的，但事实上是，科学家们对一颗恒星内部发生的情况的了解要比你猜想的强，因为科学家们可以计算原子在大多数情况下的行为。
　　给人印象最深刻的发现之一是使星星不断发光发热的能量来源问题。它的发现者之一，豪特曼斯曾对人说过：＂当我们的文章完成以后，我曾在一个黄昏与一位漂亮的姑娘散步。天空暗下来，星星一个接一个地出现，非常壮观。我的女伴叫起来，＂星星一闪一闪地多美呀！＂我自鸣得意地说：＂从昨天开始，我就知道它们为什么会发光。＂她似乎没有任何反应。是真的相信我吗？我猜想这对她当时是无关紧要的事情。＂
　　图7 氢核聚变
　　正是由于氢核的＂燃烧＂给太阳提供了能量；在这个过程中氢核聚变为氦核。而在星体中心，从氢最终制造出各种化学元素。构成我们的身体材料，是在某个星球上一次＂烹制＂（超新星爆发）好后喷射出来的。这些我们是怎么知道的呢？
　　因为这里面是可以有线索来追溯的。不同的同位素的比例——碳12占多少，碳13又占多少，等等，这是化学反应改变不了的，因为化学反应对两种同位素是相同的，化学反应不会改变原子的种类。它们的比例完全是核反应的结果。
　　科学家们通过考察这些熄灭了、冷却后的星星的灰烬，好吧，其实我们就是这些＂灰＂的产物，通过考察这些产物中各种同位素的比例，我们就能够发现制造组成我们身体材料的炉子是个什么样子的。
　　图8 超新星爆发
　　这个炉子很像恒星，因此很可能我们的元素就是在恒星中制造并且在爆炸中喷射出来的，我们管这种爆炸叫做新星和超新星。看看，天文学和物理学的关系是如此的紧密，随着科学的发展，当然了 主要是指物理学的发展，我们必然能够发现更多的宇宙奥秘。
　　不知道各位小伙伴们，看完本文后是不是对物理学很好奇呢？如果您对物理学产生了强烈的好奇心，想找一本入门的资料看看，头条付费专栏《零基础物理学入门——力学篇》就很适合您哟。原价29.9，9月12日之前可以享受早鸟价9.9，您还等什么呢？先到先得。