【A-Level物理干货】物理是什么之宇宙学

首先，要想弄明白物理是什么，我们需要知道物质的起源是什么?有些同学或许知道，现在比较流行的关于物质起源的说法是宇宙大爆炸学说，即the Big Band 。这个可不是某韩国著名偶像组合，也不是某美国泡沫喜剧。

宇宙大爆炸是自从13 billion years开始，经过不断的向外扩张，逐步形成了我们现在的数不清楚的星系以及成千上万的恒星。恒星（stars）比如我们的太阳（the Sun），同样也是物质的‘制造厂’。今天老师想分享的是Edexcel和OCR考试局Unit 5的一道题目。同样在AQA考试局Optional内容中有所涉及。提前预告一下，本节还讲解了谜一样的黑洞(Black hole)是怎么形成的。有兴趣的同学可以留意。

请先看题目：

离我们最近的一颗恒星就是太阳。然而在宇宙中有着成千上万，数也数不清楚的恒星。夜里，当你仰望星空，90%的星星都是类似于太阳，或者比太阳大的恒星，叫做main sequence star。对于这个炽热的太阳，你有没想象一下，太阳的过去与未来？

我们先说太阳的过去。太阳是怎么形成的呢？在5000 million years ago，太阳形成的初始阶段几乎完全被密集的星云气体和灰尘所掩盖。由于重力的原因，星云团的质量向内坍塌，随著它的温度和压力的增加，这些片段会凝结成一个被称为原恒星（Protostar）的超热旋转气体。

继续的坍塌会导致核聚变(Fusion)反映的开始。一颗恒星就诞生了。

我们的太阳经过了4.5 billion years的核聚变反应，已经进入了‘中壮年’。形成了一颗稳定的恒星。那么恒星的未来又在哪里？我们知道恒星的主要物质是氢气与氦气。随着核聚变的反映，最终，恒星会耗尽核心供应的氢燃料，合成高质量的元素，比如铁，并且离开主序（main sequence）带进行下一阶段的演化。

红巨星（red giant）阶段是紧接在离开主序带之后的阶段。因为铁等其他很高质量的物质，核心会继续塌缩，剩余的氢燃料会膨胀。恒星膨胀的外层是对流的，湍流让接近燃烧区域的物质上升至恒星的表面，并和表面的物质混和。这颗红色的耀眼恒星就变为了原来体积的若干多倍。

当一颗恒星耗尽了供应的燃料之后，依据它在生命期的质量，它的残骸可以是下面三种型态之一。

如果和太阳的质量差不多，恒星的最终宿命演化成白矮星（white dwarf）。1个太阳质量的恒星，演化成白矮星之后的质量大约是0.6个太阳质量，被压缩的体积则近似地球的大小。白矮星是非常稳定的天体，白矮星在刚形成时有着非常高的温度。

如果恒星的质量大于太阳的三倍，当恒星的核心崩溃时，就会形成爆炸，即时我们所说的超行星爆发（supernova）。压力造成电子捕获，因而使得大多数质子都转变成为中子。原本使原子核保持分离的力都消失了（按比例，如果原子核的大小像极小的灰尘，原子将有如一个足球的学术活动场那么大），恒星的核心就成为只有中子的致密球体 (就像是个巨大的原子核)。这种恒星被称为中子星（neutron star），有著极高的密度，所以它们非常的小，大小不会超过一个大城市，直径只有十几公里的数量级。

如果恒星的残骸有足够大的质量，中子简并压力将不足以阻挡恒星继续向物质内部塌缩，当坍塌为一个点，我们称之为奇点（和电视剧欢乐颂无关，哈哈）。这个恒星的残骸就会成为黑洞（Black hole）。因为无限大的质量，集聚为很小一个点。质量就是无穷大。这个质量大的物体，重力也无限大，大到连光也无法逃逸，所以我们称之为黑洞。

总结来说：

本题答案是：