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天文学教程上册:微观、宏观和宇观

时间:2023-08-19 理论教育 版权反馈
【摘要】:宇观世界丰富多彩的现象大多与万有引力密切相关,万有引力起支配作用是区分宇观与宏观、微观的关键。宇观客体的质量下限大致为1025g。图1-13各类物质客体的层次宇观客体是巨系统,其组成部分是其子系统。实际上,很多天文学理论就是在一些物理学理论基础上发展起来的,但宇观世界毕竟比微观和宏观世界广袤和复杂,因而需要人们不断地探索很多宇观现象和过程的新特性和规律。

天文学教程上册:微观、宏观和宇观

自然科学的大量研究表明,物质客体都是具有一定结构的物质系统,并且可以按质量、尺度等特征划分为层次。我们日常所见的各种物体都是宏观物质客体,宏观客体的特性及其运动规律是经典物理学(牛顿力学热力学)的研究对象。微观客体有分子、原子原子核、核子(中子、质子)、轻子(电子中微子)、光子、夸克等粒子层次。宏观客体由微观客体组成,但宏观客体与微观客体不仅有量的差别(见表1-1),而且有质的差别。微观客体运动中的作用量是普朗克常数h(h=6.6260755×10-34J·s)数量级的,而宏观客体运动中的作用量比h大得多。微观粒子表现为明显的粒子和波二象性,遵循量子规律性,用量子物理学研究。

表1-1 各类客体在量方面的差异

1962年,戴文赛教授提出宇观概念。宇观客体就是天体。宇观世界丰富多彩的现象大多与万有引力密切相关,万有引力起支配作用是区分宇观与宏观、微观的关键。宇观客体的质量下限大致为1025g。除了小天体可归入宏观客体外,天体的质量和大小(尺度)都比宏观客体大得多。宇观客体可分为三个主要层次:行星、恒星、星系(见图1-13)。行星周围的卫星系统,恒星周围的行星系统,恒星集团(聚星、星团),星系集团(多重星系、星系团),以及与天体形成和演化有联系的星云和星际物质,它们都是由引力束缚的宇观物质系统。

宇观物质形态和运动变化现象多种多样,有从极低到极高的物质密度、从极低到极高的温度和压力,从极弱到极强的电磁场等各种环境条件;有多样快速的猛烈爆发现象,也有规则的和不规则的缓慢变化现象和漫长演化,涉及很大质量和尺度、引力的重要作用、流体与电磁场的耦合作用、高能过程,很多是人们日常生活和实验室见不到的,现有理论和规律难以解释。(www.xing528.com)

图1-13 各类物质客体的层次

宇观客体是巨系统,其组成部分(宏观和微观客体)是其子系统。宇观过程包含多种微观和宏观的过程,但不是这些过程的简单组合,而是显示一些新的整体特性和规律。物质世界遵循一些普遍规律,因此宏观和微观的一些具有普遍性的规律可以结合宇观条件而推广到宇观过程的研究中。实际上,很多天文学理论就是在一些物理学理论基础上发展起来的,但宇观世界毕竟比微观和宏观世界广袤和复杂,因而需要人们不断地探索很多宇观现象和过程的新特性和规律。

自然界的基本矛盾是吸引与排斥的矛盾,宇观过程归根结底是在吸引与排斥的矛盾中进行的,经历着不同物质运动形式的转化,因此,转化是宇观的基本过程。天体总是在不断地演化着,有时表现为短时期处于准动态平衡,有时呈现快速的激烈爆发,但总在不同程度上转化。例如,太阳和恒星内部的热核反应使轻元素转化为较重元素,核反应能量转化为辐射能量;在某些星际云收缩中,引力势能转化为动能和热能;在太阳耀斑爆发中,磁能转化为辐射能和抛出粒子的动能。因此,能量守恒和转化规律是宇观过程的基本规律,只是在不同的过程中呈现不同的表现形式,甚至宇宙极早期可能突破现有形式的能量守恒和转化定律。

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