【A-Level物理干貨】物理是什么之宇宙學

首先，要想弄明白物理是什么，我們需要知道物質的起源是什么?有些同學或許知道，現在比較流行的關于物質起源的說法是宇宙大爆炸學說，即the?Big?Band 。這個可不是某韓國著名偶像組合，也不是某美國泡沫喜劇。

宇宙大爆炸是自從13?billion?years開始，經過不斷的向外擴張，逐步形成了我們現在的數不清楚的星系以及成千上萬的恒星。恒星（stars）比如我們的太陽（the?Sun），同樣也是物質的‘制造廠’。今天老師想分享的是Edexcel和OCR考試局Unit?5的一道題目。同樣在AQA考試局Optional內容中有所涉及。提前預告一下，本節還講解了謎一樣的黑洞(Black?hole)是怎么形成的。有興趣的同學可以留意。

請先看題目：

離我們最近的一顆恒星就是太陽。然而在宇宙中有著成千上萬，數也數不清楚的恒星。夜里，當你仰望星空，90%的星星都是類似于太陽，或者比太陽大的恒星，叫做main?sequence star。對于這個熾熱的太陽，你有沒想象一下，太陽的過去與未來？

我們先說太陽的過去。太陽是怎么形成的呢？在5000?million?years?ago，太陽形成的初始階段幾乎完全被密集的星云氣體和灰塵所掩蓋。由于重力的原因，星云團的質量向內坍塌，隨著它的溫度和壓力的增加，這些片段會凝結成一個被稱為原恒星（Protostar）的超熱旋轉氣體。

繼續的坍塌會導致核聚變(Fusion)反映的開始。一顆恒星就誕生了。

我們的太陽經過了4.5?billion?years的核聚變反應，已經進入了‘中壯年’。形成了一顆穩定的恒星。那么恒星的未來又在哪里？我們知道恒星的主要物質是氫氣與氦氣。隨著核聚變的反映，最終，恒星會耗盡核心供應的氫燃料，合成高質量的元素，比如鐵，并且離開主序（main?sequence）帶進行下一階段的演化。

紅巨星（red?giant）階段是緊接在離開主序帶之后的階段。因為鐵等其他很高質量的物質，核心會繼續塌縮，剩余的氫燃料會膨脹。恒星膨脹的外層是對流的，湍流讓接近燃燒區域的物質上升至恒星的表面，并和表面的物質混和。這顆紅色的耀眼恒星就變為了原來體積的若干多倍。

當一顆恒星耗盡了供應的燃料之后，依據它在生命期的質量，它的殘骸可以是下面三種型態之一。

如果和太陽的質量差不多，恒星的最終宿命演化成白矮星（white dwarf）。1個太陽質量的恒星，演化成白矮星之后的質量大約是0.6個太陽質量，被壓縮的體積則近似地球的大小。白矮星是非常穩定的天體，白矮星在剛形成時有著非常高的溫度。

如果恒星的質量大于太陽的三倍，當恒星的核心崩潰時，就會形成爆炸，即時我們所說的超行星爆發（supernova）。壓力造成電子捕獲，因而使得大多數質子都轉變成為中子。原本使原子核保持分離的力都消失了（按比例，如果原子核的大小像極小的灰塵，原子將有如一個足球的學術活動場那么大），恒星的核心就成為只有中子的致密球體 (就像是個巨大的原子核)。這種恒星被稱為中子星（neutron?star），有著極高的密度，所以它們非常的小，大小不會超過一個大城市，直徑只有十幾公里的數量級。

如果恒星的殘骸有足夠大的質量，中子簡并壓力將不足以阻擋恒星繼續向物質內部塌縮，當坍塌為一個點，我們稱之為奇點（和電視劇歡樂頌無關，哈哈）。這個恒星的殘骸就會成為黑洞（Black?hole）。因為無限大的質量，集聚為很小一個點。質量就是無窮大。這個質量大的物體，重力也無限大，大到連光也無法逃逸，所以我們稱之為黑洞。

總結來說：

本題答案是：