|
|
在我十几岁的时候，有人向我介绍了雷神托尔37这个角色。在那个时候，我花了很多时间来看漫画书。我不喜欢表现出对事物的喜乐好恶，但我得说，令我最为着迷的还是漫威漫画公司38的作品，我很少翻看DC漫画公司39的作品。在惊奇宇宙40里，雷神并不是我最喜欢的超级英雄，但我承认他真的很酷，也很有型。
哦？你以前从没有听说过雷神这个名字？你甚至没有看过《复仇者联盟》？好吧，让我带着你快速了解一下。在漫威漫画的那个称为“惊奇宇宙”的空间，雷神是一位北欧神，他被暂时地放逐到地球。也许，他是外星人，我不记得电影是否交代过这方面的背景。关键的一点是他有超能力，随身带着一把名叫Mjölnir的超级锤41。这名字里面的字母是北欧语言里的，很特殊，写起来很费劲，因此这个锤的名字我就不在文章里面赘述了。
关于这把锤子的起源，有一个版本是这样的：奥丁神42命令矮人铁匠用恒星核铸造了这把铁锤。请注意，即使在漫威的惊奇宇宙里，还有很多关于MJölnir起源的故事。但如果我采纳这把铁锤是用恒星核打造的这个版本，那我就可以计算出这把锤子的质量，我接下来要完成的事情就更容易被理解了。
如果你从一颗恒星核心提取一些样本，那这个样本会以一个什么样的面貌呈现出来？会不会是高温灼热态的？答案是肯定的，温度会极其高。密度也会很高吗？我想也是的。行文到这里，我想该是时候谈谈恒星了。
简而言之，一颗恒星也就像一颗行星。说它像一颗行星是因为行星和恒星都是由物质积累起来的。假设在太空里有一个由巨大的氢气构成的云，氢又来自哪里？让我们简单假设此刻氢气就在太空的那个地方。由于所有的氢原子具备质量，彼此之间相互产生万有引力，这种引力作用是很小的，但随着时间的推移，它会导致氢云坍缩。
通常，这团坍缩的气体云可以形成一个太阳系（一颗恒星与数颗行星并行）。但我们只观察恒星。如果这个巨大的氢气团行成了一颗恒星大小的球体，伴随这个过程必然会发什么情况？为什么它不继续缩小？难道有什么会阻止了这个坍缩的过程？我想这其中的原因和海洋为什么不坍缩成为海底薄薄的一层水的道理是如出一辙的。
海洋中的水分子通过与其他下层的水分子的碰撞形成一种斥力而获得一种向上的支撑。海洋中水层所处的位置越深，那里的水分子就越需要与它更深处的水分子产生更多碰撞，这样才能有更强大的斥力支撑所有上层水分子。这意味着水层越深，水压越强。如果情况不如我所言，那么整个海洋的水就会坍缩到一个令人乍舌的高密度，最终在海洋底部形成一片薄层。
本质上，恒星上的情形和上述海洋的是一致的。恒星和海洋之间的巨大差别在于恒星体积上要大得多，并且并不是由水构成的。液态水有一个有趣的特性43使其密度在大的水体中基本为一常量。但如果你取组成恒星的氢气并增加压强，密度是会增加的。一片海洋的深度可以是几英里44。与之相比，一颗较小的恒星，如我们的太阳，半径就可以达到约400000英里。这样大的体积意味内部有超高的压力，可以阻止其由于万有引力而造成的崩坍。同时伴随着这个压力，密度也会达到一个异常高的值。
假设打造MJölnir的材料正是从在我们附近的一颗恒星——太阳中找来的。它的密度约为150g/cm3。那是相当高的。记得一立方厘米的水的重量是1g，铅的质量是11.4g。太阳不仅密度高，温度也非常之高，约为15000000K（灯泡丝约等于3000K）。
如此致密又灼热的东西是一种什么样的材料？它主要是自由的质子和离子氦。在这个温度下，氢原子是不会存在。因为氢原子内部的电子能量太多，太活跃，已经无法在呆在某个特定的原子内部。相反，它们可以自由地在周边活动。对于氦而言也是这样一个情况，有2个质子和2个中子结合在一起，但没有电子。
怎样才能做到把这种材料从恒星核中取出？我不知道。但如果你能把它拿出来，它显然是灼热态的。这样倒是正好，因为此时你可以趁热打铁将它锻造成你所希望的任何形状，也许你想把它做成一把锤子。但也有几个问题：首先，这个原锤会很热，任何东西靠近它便会融化，那样事情就很难办到了。但真正的问题是，当你想把材料冷却的时候，带正电荷的质子与其他带正电荷的质子会出现相斥的现象，因为它们都具有相同的正电荷。当它们还处在太阳的核心时，这些质子并没有真正其他的选择，它们只能被束缚在一起，要知道它们是被400000英里厚的物质挤在核心位置。一旦你把这些物质从核心处取出来，质子和氦原子将纷纷从物质块上跳离。简而言之，这些物质会蒸发。
你不能把氦作为固体物质保留下来，氢也是如此。最终，这块核心材料会融化殆尽。
那我可以拿其他类型的恒星作为星锤的材料吗？在更大质量恒星体中，氢气和氦气可以通过核聚变形成质量更大的元素，甚至可以形成铁原子。铁这个材料就很理想了，它可以在室温的条件下以固体的形式存在。所以这个选择很好。但也有几件事情需要考虑。首先，如果恒星具有较大的质量的话，其内核心也将有较高的密度。密度究竟有多大则取决于恒星的大小。当一颗恒星处在形成铁原子的过程中时，它的核心密度可以高达1×108g/cm3。这是无法想象的。此外，温度将约为20亿开尔文。
当然，当该材料冷却下来（这将需要相当长的时间），它将膨胀。一旦它返回到室温，它应该有铁的密度，地球上的铁每立方厘米大约7.8克。最终，这也只是一把普普通通的铁榔头。
若以正常思维来想，就太无聊了。如果你有一个由恒星核制作完成了的密度高达每立方厘米1亿克的锤子，会发生什么情况？这是一个相当高的质量。假设锤是一个长方形的立方体，具有约15cm×15cm×8cm的尺寸（不包括手柄）。它的体积会达到1800cm3。因为密度是质量与体积之比，质量是密度乘以体积。这样这把锤子的质量为1.8×1011g（在地球的表面上）。如果要把这把锤子捡起来，你可以想象一下，我只好祝你好运了。
如果在地球表面，雷神用力将这把锤子举到离你头顶50cm的位置会怎么样？在这种情况下，将有两个万有引力作用在你身上。地球对你有一个向下的引力（对我来说，这将是约160磅力），同时锤也会对你施加向上的引力，因为它也有一个大质量。而通常情况下，我们会忽略这个引力。
利用万有引力公式，我们可以计算出锤子对你拉了0.33磅的力。并没有让我们觉得高到难以置信。但你仍然可能会对此有所察觉。当然，越接近这把锤子，引力越大。如果在距这把锤子中心3.5cm处的位置放置一块物体，锤子对这块物体引力与地球对这块物体的引力相同。而实际上，锤子的厚度超过3.5cm，你很难做到这一点。
我想这巨大的质量可以解释为什么没有人能抬起它，除了认为真值得那样去做的人以外。
好了，有关锤子的构成问题已经谈论得够多了。还有另外一件有趣的事情，雷神是如何飞行的？在某个地方，我误认为雷神甚至能飞。显然，这是错误的，他并不会飞。相反，雷神抛出他的锤，拉住手柄任由锤拉住他飞行。这是怎么发生的？
让我们从一个简单的模型开始。假设MJölnir和托尔具有相同的尺寸和质量。如果两者彼此靠得很近，那么质心将是在两者的中心位置。现在，如果抛出雷神锤又会如何？要做到这一点，他会在一段时间内对锤子施加力，随之锤子的动量将增加。然而，力总是两个物体之间的相互作用。这就意味着，无论托尔施加在锤上多少力，锤都会在相反的方向施给托尔一个大小一样的力，且作用的时间和托尔施力的时间长短一致。因此，当托尔投掷铁锤，锤的动量增加，托尔的动量则在相反方向增加。
但如果雷神抛出铁锤之后又把它抓住，情况又会如何？本质上会发生和上述情况完全一样的事情。通过抓住锤子，托尔将施加力，锤子也将施加一个力在他身上。所以，通过抛掷这把锤子，他可以让自己的身体移动起来，但当他抓住锤子之后，他又会马上回到原来的位置上，实在称不上是“飞行”。哦，在这种状况下，即便是锤子的质量再大一些也一样无济于事。
一般情况下，我们称这种现象为“动量守恒”。如果一个系统里有两个对象，没有外力，质心的动量是不会改变的。如果一个物体在一个方向上具有动量，另外一个物体则将在相反的方向具有同样大小的动量，这样就会使总动量不变。
然而，还是有办法可以改变的。只有一种方式来可以使总动量改变。答案就是依靠外力。如果雷神垂直向上抛出铁锤，将有一个外力作用在雷神-铁锤组成的系统上：地面。在地面的作用下托尔和铁锤被抛起来了。同样，也可以在水平方向由摩擦力来完成这项动作。所以，铁锤可以在某种意义上帮助托尔在空气中移动，却不能帮助他飞行。但要想在空气中移动，也很困难，需要你用能够让你跳起来一样的强度和大小的力才能做到，而且用的是你的手臂，不是你的腿。
还有一个问题有待解决。在空中如何转向？假设托尔扔出铁锤之后能升到空中，要想改变方向就一定需要某个外力的作用。他可以完成在空中转的唯一方法是扔出这把铁锤，但身体却脱离它。如果他把铁锤往左边丢掷，那么他就会被推向右边，这样动量守恒，他却不得不丢掉铁锤。
你们不同意的声音我已经听到了：“MJölnir也有回到他主人手里的能力”。如此说来，必须有一定的外力作用。我弄不明白这把铁锤是如何做到这点的。我所能做的，就是把已知的物理模型比如力和动量运用到那些虚构的，诸如雷神之锤类的东西。我能做的很有限，但我觉得仍不失为一件妙趣横生的事情。
|
|
发表于 2019-1-21 14:03:16