本著作除另有註明外，採取創用CC「姓名標示－非商業性－相同方式分享」台灣2.5版授權釋出 第7單元：宇宙3 原子、星星、銀河 202 10460 演化 宇宙 人 物理系 侯維恕 物理系 侯維恕 本著作除另有註明外，採取創用CC「姓名標示－非商業性－相同方式分享」台灣2.5版授權釋出

開場：創世可以有所不同嗎？ 第一段：從大爆炸到生命圈 第二段：起初與末了 第三段：基要與臆測 行星與恆星 生命與自覺意識 原子、星星、銀河 本作品由Princeton University Press 同意課程：演化、宇宙、人使用，本資料庫亦無再授權他人使用之權利，您如需利用本作品，請另行向權利人取得授權。 開場：創世可以有所不同嗎？ 第一段：從大爆炸到生命圈 行星與恆星 生命與自覺意識 原子、星星、銀河 銀河之上 銀河系之前 黑洞與時光機 第二段：起初與末了 減速抑加速？ 很久以後： 事情的起頭 ― 頭一毫秒 第三段：基要與臆測 穹蒼與微觀世界 多重宇宙與人本論證 Our Cosmic Habitat Paperback, 224 pages Princeton University Press (2003) 自己組織起來去買 已獲作者同意爲授課做中文翻譯

I.從大爆炸到生命圈 3. 原子、星星、銀河系 星星原料 星星煉金術 宇宙定律是「親生命」的？ 星星、原子、重力 光譜學；元素豐富度 星星生命週期；星球核子合成；我們都是星塵 宇宙定律是「親生命」的？ 星星、原子、重力 為何星球如此巨大與長命；如果重力強1010？

星星原料 星星是用什麼作的？ 氫與氦在太陽及星星佔壓倒性多數 ― 怎麼知道的？ 星星的基本結構為何？是氫跟氦經過核融合反應形成的，這是研究出來的。 氫與氦在太陽及星星佔壓倒性多數 ― 怎麼知道的？

太陽、星星和地球一樣，都由眾元素組成 光譜學 太陽熾烈表面之上的 “To attain a true idea of the nature and composition of this science, it is indispensable... to mark the boundaries of the positive knowledge that we are able to gain of the stars.... We can never by any means investigate their chemical composition....” Auguste Comte, Cours de philosophie positive (1842) 孔德 實證哲學 (1798-1857) 太陽光譜 (經由光柵) Fanch Joseph von Fraunhofer (1787-1826) 太陽、星星和地球一樣，都由眾元素組成 像條碼的暗線叫 Fraunhofer 譜線 太陽熾烈表面之上的 較冷氣體的吸收譜線 Gustav Kirchhoff & Robert Bunsen (1859) William Huggins (1824–1910) 「業餘」天文學家 孔德說：我們永遠無法有辦法知道星球的化學組成是什麼，就可以看到哲學的有限度。哲學是想像，但是孔德說的是實證哲學，實證哲學的極致就是自然科學，自然科學叫做”natural philosophy”；Von Fraunhofer是天才，他發明了光柵，他在玻璃上畫非常密集的線，可以看到太陽的光譜，太陽的譜線不像牛頓所想的只是連續光譜，上面有很多粗細不同的黑線，叫做Fraunhofer譜線，類似條碼，可以記錄資訊；原理就是光柵在不同的反射角，根據光柵密度、間隔，計算光波波長，之後的運用就是CD或是DVD片。太陽就是藉此傳遞了自己的光譜特性。Fraunhofer是製作玻璃的學徒，變成對基礎科學有決定性的貢獻；但是因為製作玻璃的環境中有很多重金屬，吸多了對身體不好，39歲就死了。   下圖的實驗原理，本生燈作為菱鏡，後面放置化學品燃燒，本生燈除了自己的光譜外， 也可以看到其他材質的光譜，有點像是望遠鏡的物品是投影機；藉由這個裝置，Gustav Kirchhoff & Robert Bunsen發現氣體加熱到高溫，會發射特定的譜線，比如說燃燒鈉是黃光，依照各元素的化學性質發射特定的光譜線；那麼太陽光的暗線是什麼？太陽發出的光線在發射譜線的波長，打到某種氣體原子時就會共振激發，激發時會將能量吸收，出現吸收譜線。 William Huggins為什麼是「業餘」天文學家呢？他不是專業背景出身，不過七八十歲當到英國皇家學會的主席，他用光譜證明天上的星星跟太陽的譜線是類似的；之前提到星系、星雲等等，都是一團東西，當時望遠鏡解析力沒那麼高，無法辨識是星系還是雲氣，Huggins利用冷氣體以及熱氣體的星球它的譜線不同而分出來。他也是把照像技術應用在天文學上的人，隔一段時間照像做比對變化，帶動天文學的另外發展。 先前介紹的紅位移與藍位移反映出星球是接近還是遠離我們，利用吸收譜線，可以推論星球上的元素對於觀察者的我們是偏藍還是偏紅。 本生燈 President of Royal Society (1900–1905) 光譜學 ⋆ 用光譜證明星星與太陽成分類似 ⋆ 星雲為氣體雲氣，與星系不同 ⋆ 首次用「紅位移」測天狼星速度 ⋆ 在天文學運用照相術的先驅 實驗室的高溫氣體發射 的光有類似的「譜線」 ― 特定一組精確顏色

譜線強度與元素的豐富度 (abundance) ▶ 原子物理的細節 ▶ 星球外層的溫度與結構 在地球上極少 ，因極度揮發性 特定元素發射特定的一組譜線(標記) 氫與氦在太陽及星星 ― 佔壓倒性多數 ― 譜線強度與元素的豐富度 (abundance) ▶ 原子物理的細節 ▶ 星球外層的溫度與結構 在地球上極少 ，因極度揮發性 為何氫與氦佔多數？ 其他的元素又怎解釋？ Number of protons and neutrons in nucleus Relative Abundance 主要貢獻者：1925年 哈佛第一位天文博士 譜線上線條有淡而細、有黑而粗的，是譜線的強度。原子激發後輻射出去的強度，不是譜線很粗元素的豐富度高的意思。   太陽跟其他星球的組成是氫跟氦最高，是最豐富的，但是20世紀初，他們認為氫跟氦很輕，已知地球上氫跟氦是很少的，因此也認為太陽氫跟氦應該也很少，做出太陽的氫跟氦豐富度高的學者是Cecilia Payne，她是哈佛大學第一位天文博士，背後有很多辛酸故事，因為當時英國研究院拒絕女性，她來到美國求學，也接軌了當時正發展的量子物理學，在男性權威以及時空文化的限制下，她認為自己的結論，太陽組成是氫跟氦違反常識，被迫在論文中寫道：「這個豐富度看起來難以置信的高，所以大概不是真的，這是我的結論。」 右圖，橫軸是依照原子數排下來的元素，縱軸是相對豐富度。如果太陽裡面氫是一百億顆為基準，氦是二十億，碳相對於氫有一千萬顆，氧多一些些。在鐵的豐富度還提高形成peak。後面的趨勢是逐漸遞減。地球質量很小，氫跟氦揮發掉，但是太陽質量大，氫跟氦無法飄出去，所以太陽氫跟氦的豐富度高。 自英赴美 Cecilia Payne (1900-1979) 太陽系的元素豐富度 ⋆ 當年在 (男性) 威權壓力下，提醒讀者說，推論出的氫與 氦的豐富度「難以置信的高、幾乎可以確定不是真的」。 多半的星星類似

為何氫與氦佔多數？ 其他的元素又怎解釋？ 元素豐富度 Relative Abundance 星星煉金術 為何氫與氦佔多數？ 其他的元素又怎解釋？ Number of protons and neutrons in nucleus Relative Abundance 星星煉金術。煉金術是alchemy是化學的字根cham，alchemy希望把元素轉換，點石成金。 元素是怎麼產生的？ 地球型行星核心是鐵，與地磁有關。圖上有大致的曲線，是否有理論架構，在星體的演化過程可以解釋？ 元素豐富度

無法引發氦之融合… 紅矮星 ~ 兆年 紅巨星 百億年 超巨星 億年 超新星 超巨星 百萬年 ≲ 0.5 m⊙ ≳ 8 m⊙ SuperNova 超巨星 太陽會走向紅巨星之後外圍爆炸，核心變成白矮星，漸漸變暗下去，生命大概是百億年。如果比太陽質量小一半以上的星球是無法紅巨星化，起出的發展跟太陽類似，隨著氫的燃燒而變大，因為之後溫度不夠氦燒不起來，亦不會膨脹，之後會變成紅矮星、最後變成咖啡矮星，可以維持一兆年。比太陽還要重的星球，原本就很大很亮很高溫，是超星星爆炸星，很快走向超巨星，就是比一般紅巨星還要大，本來偏藍的亮，後來肥大起來，亮度減弱，發展大約是一億年。 百萬年 台大物理系 侯維恕 ≳ 120 m⊙，因為太熱， 會把外層如泡泡般吹掉

我們只有每顆 星的即時攝影 但可以觀察整 群的「星口」 超新星 超巨星 ~ 20 m⊙ ~ 從觀察整群的 SN 1987A ≲ 0.5 m⊙ 獵戶座 Betelgeuse (巨人之肩) ~ 500 lyr HST ~ 20 m⊙ 我們只有每顆 星的即時攝影 但可以觀察整 群的「星口」 ~ 從觀察整群的 「人口」，外星人 可以很快推斷 人的生命週期 NASA/ESA 20000 年前 爆發的環被 SN1987A照亮 NASA/ESA 超新星 SuperNova NASA 到鐵就無法再融合 SN 1987A 超巨星 比如說獵戶座的肩膀betelgeuse(巨人之肩)，距我們520光年，有20個太陽的質量。上圖是哈伯望遠鏡拍到的超巨星，我們自己觀察是一個光點，哈伯望遠鏡可以看出一個盤面，但是它是十分巨大的圓球。氦閃後超巨星會不斷收縮，內部像是右圖元素合成結構，最核心無法再核融合所以是鐵核，鐵核很穩定，單位核子的束縛能很大，無法再增溫，因為沒有能量產生，開始內縮，重力崩塌，發生超星星爆炸，產生super nova。質量再重的星球生命期更短，核心陷縮後，中間形成中子星抵抗陷縮，在外在而言是重力位能的釋放，甚至會不停失去它的質量，走向形成黑洞的超星星爆炸。SN1987就是super nova1987，1987年第一顆超星星。外圍有一個環，是兩萬年前超星星爆炸過，來自爆炸中心的震波往外擴，追上爆炸後兩萬年的周圍的環並且照亮它。再過一千年就會像蟹狀星雲。   低於八倍太陽質量會走向超星星，生命週期一億年；一百被太陽質量的星體，因為太熱，外圍會不停失去質量，很快燒完，一陷縮就形成黑洞。 人類生命相較如此短暫，觀察到的星體生命也只是他們的一瞬，但是因為宇宙間有很多星體，如果我們做星口普查，還是可以窺究星星的產生與死亡。 ≳ 120 m⊙，因為太熱， 會把外層如泡泡般吹掉 Rursus ≲ 0.5 m⊙ NASA NASA

星星煉金術 大爆炸產生 你身上某顆氧原子可能在 釷 (Thorium，Z=90)、鈾 (Z=92) 然後進入形成中的太陽系… 某超新星爆炸後，遊蕩幾億年， 然後進入形成中的太陽系… 釷 (Thorium，Z=90)、鈾 (Z=92) 等在超新星爆炸中「鍛造」 ➜ 地熱與核能 NASA/ESA 星球核子合成 Stellar Nucleosynthesis 星星煉金術 大爆炸產生 為何氫與氦佔多數？ 其他的元素又怎解釋？ Number of protons and neutrons in nucleus Relative Abundance 鐵是束縛最緊的原子核 到鐵就無法再融合 鐵的元素比例如此高，就是來自超星星爆炸，鐵核的產生。因為相對穩定，就累積起來，也對應到鐵核束縛力很大。例如木星土星主要大氣是氫氣，但它們都還是鐵核心；地球也有如木星的大氣組成，然而太陽核融合將地球的氫氣吹走，露出鐵核。 太陽表面6000度，表面都是原子核跟電子(電子無法束縛在原子核中)，氫氣會擴散而出，這個質子的流動就是太陽風(solar wind)。 相同的現象在紅巨星表面，就是星風，此時氫氦濃度少、碳氧氮濃度較高，除了被炸出來，也被吹出來。 超星星爆炸中的非平衡狀態有很多爆裂物，從極高溫度鍛造釷、釉等放射性元素，鍛造才能有地熱、板塊漂移活動，造山運動，以及但是鐵核容不下釷、釉元素，因此它們蘊含在地函中。   紅巨星、 超巨星之 「星風」 Rursus 鋇與鉍 (Bismuth，Z=83) 在紅巨星中藉捕捉中子 太陽風 ~ 質子H

我 們 是 星 塵 … 緻密殘餘 超鐵元素 星風 或，星星發光的核廢料 「死的」 1000年 → 10 光年大小 1千萬年 → 銀河大小 我 們 是 星 塵 … 緻密殘餘 NASA/ESA 「死的」 1000年 → 10 光年大小 超鐵元素 1千萬年 → 銀河大小 星風 或，星星發光的核廢料 台大物理系 侯維恕

Woodstock Joni Mitchell 是黃金旺族 我們是星塵 http://www.artsandmusicpa.com/music_pages/woodstock69.htm Woodstock We are stardust, we are golden, We are billion year old carbon, And we got to get ourselves back to the garden. 我們是星塵 是黃金旺族 Joni Mitchell 請至youtube網站輸入James Taylor – Woodstock 觀賞聆聽

p-p, p-n 間的核吸力與p-p間的電斥力，兩者的平衡，決定了週期表有穩定元素 宇宙定律是「親生命」的？ p-p, p-n 間的核吸力與p-p間的電斥力，兩者的平衡，決定了週期表有穩定元素 … 但有好些奇妙的「巧合」!? q, g 次核子粒子 間作用力的表象

生命 ▶ 霍伊爾巧合 ▶ 中子只比質子重0.14% (why?) ▶ 電子是質子質量的1/1836 (why?) 4He + 4He 幾乎 與 8Be共振！ 生命 ▶ 霍伊爾巧合 「三重 a 」核反應 從C的豐富度，Fred Hoyle 預測與 8Be + 4He 接近共振 的 12C 激發態 Borb 4He 核 實驗證實 (Fowler) 3 4He  12C 應當極慢！ 質子、中子間核作用力強度只要改變 超過 1–2%，霍伊爾的巧合就沒了。 林勇智 ▶ 中子只比質子重0.14% (why?) mn – mp ≅ 2.53 me 如果電子重 3 倍以上，電子將與質子 反應形成中子，氫就沒了。 ▶ 電子是質子質量的1/1836 (why?) 電子質量 << 原子核質量 Webaware 碳的豐富度不只有核融合提供、 霍伊爾巧合就是兩原子的共振，兩原子靠近的能量跟共振態，偏離1-2%就不會有共振，因此碳可能會變得很稀有。   中子發現之後，發現中子比質子的質量重千分之1.4，質子跟中子的質量差是電子的2.53倍；如果電子比現有的世界重三倍，質子加電子的質量大過中子的質量，質子跟電子合在一起形成中子，能量更低，氫就不存在；中子比質子重一點的話，氫元素就可以維持，也是一種巧合的狀況。 電子質量是質子質量是1836分之一，將近兩千倍，也就是電子質量遠小於質子質量。真正原子模型比較像是中間的圖，fm(fento)是千兆分之一(10-15公尺)中間有一點是原子核，是固定不動，應用海森堡測不準原理，電子像是瀰漫在周圍，不是特定的軌道旋轉。 原子核得確定位置對照到生命，DNA有穩定精確的特殊結構做為紀錄者，若電子是原子核1/10重，原子核就會動來動去，結構會不穩定；因此生命的組成似乎也是巧合，宇宙的定律是親生命，有很多巧合。 電子位置因海森堡 測不準原理而朦朧。 而原子核因質量大， 位置確定得多，決 定了原子與原子間 相對位置相當精確。 電子質量遠小於原子核質量， 允許了複雜分子，如 DNA， 能維持精確的特殊結構。 管轄我們的宇宙的定律是 「親生命」的 (biophilic)？

星星、原子、重力 為何星球如此巨大與長命？ 如果重力強1010？ 太陽本身可以運行百億年，為什麼星球會運作那麼久？背後就是重力影響。

▶ 兩顆質子間的 重力吸引 比 同電荷相斥 弱了1036 倍 (why?) 但在大型物體，正反電荷幾乎彼此抵消 「萬有」引力永遠相吸 (why?)  可在極大的物體勝過電力 電子的數目與質子的數目幾乎完全相等，電荷相反但大小一樣 (why?) ▶ 想像堆原子成「方糖」 : 1 2 3 ... 24 10 100 1000 1024 已到方糖大小 質量每增加1000倍，重力的重要性增加100倍 (因為平均距離也增加了10倍)  要勝過 1036 倍強的電力，需要 1054 顆原子 (~ 木星)！  要容許引發核反應時，仍能藉重力維持聚集在一起， 需要 > 1056 顆原子！ 54 = 36 x 3/2 人體不帶電是因為組成我們的原子數，質子數跟電子數幾乎相等，為什麼電荷一樣但是質子跟電子電荷要相反？   雖然電荷總體中性，因此彼此之間不會觸電。但是我們受到地球引力的吸引明顯大於人與人之間的吸引(太弱)，而吸引力都是平方反比，兩顆質子之間重力吸引力比電磁力小1036。只要物體夠大，就可以勝過電力(電荷要平衡)；舉例，1024原子堆出一般一顆方糖(碳水化合物)的大小，質量每增加1000倍，重力影響力就增加100倍，堆1054顆原子(木星大小)電力將撐不住重力(吸引力)，此時抵抗其收縮就會產生核反應。 到很大的尺度，重力扮演決定性；重力越弱，星體就越大。太陽如此巨大的理由就是重力比電磁力弱很多是相關聯的。 重力增強五倍，人不可能用雙腿撐起來，演化論可能要修正。 重力在穹蒼尺度是決定性的。只要不是零， 它越弱就越能有更偉大、更複雜的體現。 如果重力強1010？ 參考課本

I.從大爆炸到生命圈 3. 原子、星星、銀河系 星星原料 星星煉金術 宇宙定律是「親生命」的？ 星星、原子、重力 ！ 光譜學；元素豐富度 星星生命週期；星球核子合成；我們都是星塵 宇宙定律是「親生命」的？ 星星、原子、重力 為何星球如此巨大與長命；如果重力強1010？ 宇宙背後定律是親生命的？似乎有特定的規律讓人類探索。 ！ 參 Cosm2

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作品 授權條件 作者/來源 本作品由Princeton University Press 同意課程：演化、宇宙、人使用，本資料庫亦無再授權他人使用之權利，您如需利用本作品，請另行向權利人取得授權。 Princeton University Press網址：http://press.princeton.edu/ To attain a true idea of the nature and composition of this science Auguste Comte, “Cours de philosophie positive” (1842) Fanch http://commons.wikimedia.org/wiki/File:CD_arc.jpg 20101112 visited Saperaud http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fraunhofer_lines.jpg ArtMechanic http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fraunhofer_2.jpg Courtesy Edgar Fahs Smith Memorial Collection, Department of Special Collections, University of Pennsylvania Library http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bunsen-Kirchhoff.jpg Cosmos 3

作品 授權條件 作者/來源 Rubinbot http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kirchhoff-Bunsen.Spectroscope.jpg 20101112 visited Astrochemist http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Huggins_William_1910.jpg http://www.carleton.edu/departments/PHAS/astro/pages/marga_michele/Cecilia_Payne.html Mpfiz http://commons.wikimedia.org/wiki/File:ElementsAbundance.svg 台大物理系 侯維恕 2010 Nov. NASA http://commons.wikimedia.org/wiki/File:SN_1987A_Jan_5_2003.jpg Cosmos 3

作品 授權條件 作者/來源 NASA http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Supernova-1987a.jpg 20101112 visited NASA/ESA http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Crab_Nebula.jpg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Betelgeuse_star_(Hubble).jpg Rursus http://en.wikipedia.org/wiki/File:Evolved_star_fusion_shells.svg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Supernova.jpg 台大物理系 侯維恕 2010 Nov. Cosmos 3

作品 授權條件 作者/來源 http://www.historyoftheuniverse.com/starold.html 20101112 visited Whoknoze http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Joni_mitchell_1974.jpg http://www.artsandmusicpa.com/music_pages/woodstock69.htm We are stardust, we are golden, We are billion year old carbon… Woodstock, Written by Joni Mitchell (1969) Borb http://en.wikipedia.org/wiki/File:Triple-Alpha_Process.png 林勇智 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Periodic-table.png Cosmos 3