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第二十三章 空间势垒与隧穿效应

星途(星云第二部) 秋叶-2021 4417 2024-07-17 12:49
   在银河系中心区域,被假设出来的大质量黑洞(抑或是银河系中心区域大量恒星的高度密集,并由高密集度的恒星形成的巨大重力)所产生的巨大引力场在整个银河系中的分布,并不是均匀一致的,它是随着距离增加而逐渐递减的。除了随距离增加而递减之外,这一种引力场还会在一些大型天体所具有的自身强大的引力场相互作用下,呈现出不均匀分布的特质。如果我们将这种分布不均匀的引力场描绘成不同力值的等高线地形图时,就可以发现整个银河系就是一大片中心高周边低的险峻的山区。一些大质量天体会形成较高的引力场峰值的势垒。一些恒星系间隔稀疏的黑暗区域则会呈现出深深峡谷的地貌。虽然银河系中心区域中的恒星系呈现出一种非常密集的状态,但是却并不会受到银河系中心大质量黑洞强大引力场的吸引而被迅速拖进黑洞之中消亡,而是继续保持着较高的速率围绕着银河系中心运转,这些恒星神奇的在高速运转中却并不会被近在咫尺的银河系中心黑洞的巨大引力场所吸引吞噬,这也是这些恒星在围绕银河系中心黑洞绕行时所产生的离心力(斥力)与中心黑洞巨大的引力场相对抗,而恰好达到了一种微妙的动态平衡所致。虽然这些恒星自身重力所产生的引力场和由于高速自转所产生的离心力(斥力),相对于银河系中心黑洞所产生的巨大引力还比较小,相对来说仅仅只是一种被叠加在银河系中心黑洞巨大的引力场上非常不起眼的小玩意。但正是由于这些恒星自身大大小小各种力场的存在,才维系了整个银河系各大恒星系相互间的稳定存在。    银河系中心区域大质量超级黑洞所产生的巨大的引力场,无时无刻地都在影响着银河系中每一个天体,以及这些天体上的生物种族。地球人类之所以无法检测到银河系强大引力场的具体数值,实际上是无法法找到一个客观存在的公共参考点。就和电压只是一种电位差一样,如果试图利用220V的电压作为基准,去测量其他220V电势差时,所得到的数据却只能为零。同样的原理,处在银河系引力场的环境中,在银河系的引力场的基础上去测量这一种引力场的引力强度值,也是徒劳无益的。    测量不到这个引力场的具体数值,却不等于银河系中心黑洞强大的引力场并不存在。实际上这一种强大的引力场始终都在掌控着银河系内部各种天体的运行。正如太阳再如何奔跑,也始终跑不出银河系的势力范围。这一种银河系的势力,也就是银河系中心区域超大质量的黑洞所产生的强大引力场的巨大引力。银河系中心区域的超级黑洞所产生的强大引力场,与一些大型恒星集群所在的,某一远高于其他区域的高峰值引力场形成了某种对抗,一种与超级黑洞巨大引力场方向相反的斥力,也在相互作用下形成。这一种强大的斥力的形成符合经典力学里,牛顿第三定律的作用力与反作用力定律。强大的反作用力构成了一座座与超级黑洞引力场相反的高阈值斥力区域,这一种高阈值斥力区域正是这些大质量恒星集群的综合引力场与银河系中心黑洞巨大的引力场相对抗而产生的。这样的高阈值斥力场也被称作斥力壁垒。通常这样的斥力壁垒都是沿着这些大型恒星集群周边区域分布,并形成一种闭合空间。这种闭合空间也被称作空间壁垒区域。在通常情况下,一些小功率驱动的太空飞船想要进入这样拥有斥力壁垒的空间壁垒是非常困难的。强大斥力形成的斥力壁垒也是这些大型恒星集群处于易守难攻有利位置的重要保障。    银河系以及银河系所属的,更加庞大的本星系团,乃至整个宇宙中各个大星系本星系团或称室女座星系团。是一个室女座方向的,大约在五千九百万光年距离上的大星系团。室女座大星系团大约拥有1300至2000个大星系,由这些大星系组成了更加巨大的室女座超星系团的心脏部分,而我们银河系所在的本星系团只是这个室女座超星系团的外围成员。有一种天文学的理论被一些人类天文学家用来解释银河系和各大星系之间的那些空无一物的黑暗空间,他们认为在各个大星系之间的黑暗空间中,存在着一种人类始终无法找到真实存在证据的暗物质,这些暗物质也许是由暗能量组成。这些暗物质(暗能量)就充斥在这些大星系之间的黑暗空间。可以切实证明暗物质存在的证据虽然始终还没有被找到,但是这些人类天文学家却始终坚信这种暗物质的存在。一种与通常带有负电子的微小粒子相反属性的正粒子,也被用来证明暗物质的存在。甚至有些人类的科学家在实验室条件下,短时间内制造出正粒子,这样的新发现,实质性人类天文学家更加坚信暗物质和暗能量的存在。甚至引申出利用正负粒子相互间的湮灭,来产生推动太空飞船前进的更大动力的假想。也许他们说的都对,可是那又能如何?或许他们只是一种猜测,然而这样的猜测很有可能发展出一种新的理论。可以被地球人类用来指导空间科技发展的新的依据。    有一种更容易被人们接受的“场论”,也可以被用来解释这些奇妙的宇宙空间中的各种现象。在物理学中,把某个物理量在空间的一个区域内的分布称为场,如温度场、密度场、引力场、电场、磁场等。如果形成场的物理量只随空间位置变化,不随时间变化,这样的场称为定常。如果不仅随空间位置变化,而且还随时间变化,这样的场称为不定常场。从各种场的取值性质来看可以分成两大类,一类是每个点对应一个数量,这种场统称为数量场,如温度场、密度场。另一类是第一个点对应着一个向量,这种场称为向量场,如引力场、梯度场、电场、磁场。场本身的性质与坐标选择无关,对各种场的分析和计算应该选择适当的坐标系,以简化分析和计算。在实际中,一般的场都是不定常的场,但为了研究方便,可以把在一段时间内物理量变化很小的场近似地看作定常场。根据这一种理论,宇宙空间中各种大型天体所产生的强大引力,并且由于这一种引力所构建形成的场,也被叫做引力场。大型天体甚至包括银河系中心区域的巨大黑洞所形成的引力场无时无刻地在影响着地球人类所在的太阳系和地球,只不过地球人类对于这样一种由各大天体相互作用而引发的复杂结构引力场的研究,还远远落后于地球人类跨入星际时代后的实际所需,还需要付出更多的努力才行。    隧穿势垒层是指在微观世界中,像电子一类微粒子,能够在特定的条件下可以穿入或穿越位势垒的量子行为,尽管势垒层的能量幅值远高于这种微粒子所带有的总能量,在经典力学中这一种隧穿势垒的现象也是不可能发生的。但使用量子力学理论却可以给出合理解释。在量子力学里,这样的隧穿势垒效应也叫量子隧穿效应。量子隧穿效应是一种量子特性,是电子等微观粒子在某种特定的条件下可以穿过它们本来无法通过的“高能级墙壁”的现象。又称隧穿效应,势垒贯穿。隧穿效应无法用经典力学的观点来解释。因电子的能量值小于势垒区域中的势能值,若电子进入势垒区时,必然会出现“负动能”,从而使得低能值粒子贯穿高能势垒现象无法出现。依照量子力学观点,无论粒子能量是否高于势垒,都不能肯定粒子是否能越过势垒,只能说出粒子越过势垒概率的大小。这个概率取决于势垒高度、宽度及粒子本身的能量。能量高于势垒的、运动方向适宜的也未必一定出现反应,只能说反应概率较大。而能量低于势垒的仍有一定概率实现反应,可能有一部分粒子穿越势垒(也称势垒穿透),好像从大山隧道通过一般。这就是隧道效应。例如H+H2低温下反应,其隧道效应就较突出。    曾经有两位德国科学家通过实验发现,利用量子隧穿效应,可以找到了让光突破光速限制的方法。两位德国科学家的实验是让微波光子粒子通过两个棱镜并进行观测得出。当两个棱镜分开时,大部分粒子都被第一个棱镜反射然后被探测器发现。但是,有部分粒子却“隧穿”过了两个棱镜之间的间隙并被第二个棱镜反射回到探测器。尽管这部分粒子在这一次的实验中所走过的路径要比大部分粒子走过的距离长,但是,两部分粒子却是同时被探测器发现。这也就是说,产生“隧穿”的光子粒子因其在相同时间内走过的路径超过了大部分光子粒子所走过的路径,但两者却又是同时被探测器发现,因此可以判定产生隧穿的光子粒子的速度超出了大部分光子粒子所保持的光速。    子隧穿效应可以存在于某些化学反应中。此类反应中,反应物分子从反应势垒穿过时,即可使反应发生。而在经典的化学反应中,反应物分子只有获得足够能量,超过活化能的能量势垒时,整个反应才可能发生。在量子力学中,呈现出波状运动的微小粒子在发生隧穿时其微小粒子的质量越小,势垒的宽度越小(势垒越窄),反应受量子隧穿效应影响越大。一般发生隧穿的大都是电子、氢原子或氘原子,很少有较重元素的原子参与隧穿的。    势垒的宽度则由粒子隧穿前后所处位置之间的距离所决定,两个反应位点距离越近,隧穿的程度越大。并且能垒越低,隧穿程度也越大。量子隧穿效应反应的速率受温度的影响很小。相对于普通的化学反应,在温度明显升高或降低时,此类反应的速率通常不会有很明显的变化,仅有很小的差异。在低温条件下,量子隧穿效应反而更加明显,因此此类反应也通常在低温下进行。    量子隧穿效应的重要应用之一就是体现在恒星核聚变反应中。在恒星里发生的核聚变的关键机制就是量子隧穿效应。恒星中心的温度大约为10K,原子核的平均热动能大约为1keV。倘若要实现核聚变,原子核必须具有足够能量来克服库仑位势垒,使得原子核与原子核之间的距离小于10m,这能量大约为1MeV,足足约为原子核平均热动能的1000倍。因此,单独热动能并不能克服库仑位势垒来促成核聚变。尽管原子核的能量超小于库仑位势垒的位势,量子隧穿效应仍旧能够让原子核穿越库仑位势垒,从而促成核聚变。    在星际云里,绝大部分水分子、一氧化碳、甲醛与甲醇的合成,都需要利用量子隧穿机制。这一种量子隧穿效应可以促进星际云中的灰尘颗粒各种表面反应朝向重要的生命分子的合成。在星系之间,星际云的物质大多数是由氢气(H2)与氦气(HE2)组成。氢元素是宇宙中最丰富的元素之一,氦元素也是宇宙中第二丰富的元素,氢在银河系占24%。其它最常见的元素有炭、氮、氧、镁、铁,大约为星际物质的0.1%。暗云与中性弥漫云代表较冷的星际云区域,温度大约在10K至100K之间,由于内含灰尘的密度很高,大约为10原子每立方公分,电磁辐射无法传播进入内部区域,温度甚至可降低至30K。在冷星际云里,氢分子是丰度最高的分子,然而这就给人类科学家带来了一个长期未解的问题:由于气态合成法的效率很低,在宇宙太空中又长期受到紫外线与高能宇宙射线的破坏,通常在冷星际云中,就不应该会被测量到如此高丰度的氢分子。人类科学家认为,氢原子是被吸附在星际尘埃的表面上的,在低温时的移动性应该非常低。非常不容易与其它的氢原子接触,从而形成新的氢分子。然而,在量子隧穿机制的作用下,可以有效地提高氢原子的移动能力。使得这些氢原子可以在低温条件下更具有活跃性。使之能够在星际尘埃的表面扩散,有较高的移动性的氢原子也因此能够比较容易地与另一个氢原子会合,并组合形成新的氢分子。
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