光竟然有压力?《张朝阳的物理课》探讨太阳光压

本文转自:北青网
光竟然具有压力?气压不够 , 光压来凑!4月1日12时 , 《张朝阳的物理课》第四十一期开播 , 搜狐创始人、董事局主席兼CEO张朝阳坐镇搜狐视频直播间 , 从太阳内部的流体静平衡方程出发 , 估算辐射层的压强 。他首先跟网友们讨论了为什么需要考虑光压 , 然后推导出了黑体辐射的光压公式 , 进而应用到太阳辐射层的光压估算中 。最后以具体的数值结果阐明 , 在辐射层光压可以部分地抵抗引力的收缩 , 维持太阳内部结构的平衡 。
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复习流体静平衡方程估算太阳中心压强
直播开始 , 张朝阳先简短地给网友们复习了太阳的内部结构 , 并强调说 , 虽然这个直播课程以计算为主 , 但是限于所能获得的数据和计算工具 , 这里进行的计算只是估算 , 它可以给出和真实值接近的数量级 , 但在数值上可能会存在偏差 , 不过其偏差范围是可以容忍的 。
随后又复习了上节课推导的流体静平衡方程 。出发点与之前一样 , 考虑流体微元在太阳引力和气压之间的平衡 。流体微元取在与太阳中心距离为r的位置 , 是底面积为dS、厚度为dr的沿径向的薄柱体 。因为均匀球壳对球壳内部的物体不会有引力作用 , 所以这个流体微元所受的引力均来自于半径r以内的物质 , 这部分引力等效于所有这些物质均集中在球心处所产生的引力 。微元受力平衡 , 列出方程为:
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其中Mr是半径r内的所有物质质量 , ρ为太阳内部密度且依赖于半径r 。化简就得到流体静平衡方程:
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张朝阳解释 , 这只是决定太阳内部结构的方程之一 。太阳内部的物质可以看作是理想气体 , 因此有理想气体的物态方程:
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在太阳中心dP/dr=0 。这是因为在太阳中心附近Mr正比于r^3 , 因此dP/dr正比于r , 从而导致r=0处dP/dr=0 。
他再次介绍了太阳内部的密度分布 。其中太阳中心处密度约为150 g/cm^3 , 超过黄金的密度;沿半径向外 , 密度逐渐下降 , 直至辐射区 , 密度降到约0.2 g/cm^3 。随后将核心层的一些数据总结出来:Rc=Rs/4 , Vc=Vs/64 (这两式中 , 下标c表示核心core , s表示太阳sun) , 并且核心平均密度约是辐射层平均密度的100倍 , 这样估算出来的核心层总质量约为太阳总质量的一半 。
张朝阳表示 , 上次直播课使用的是Mc=0.9Ms , 估算出来的中心压强偏大 。按目前的数据 , Mc=0.5Ms , 可以重新得到太阳中心压强Pc为1.7×10^16 Pa , 这个结果和目前公认的数值2.3×10^16 Pa更接近了 。
估算辐射层压强公式论述为何需考虑光压
紧接着 , 张朝阳写出上次课程所推导的估算太阳中心压强的公式,其中平均密度是质量除以体积 , 且基于这次课程对Mc的估算 , 把上次课程中的0.9改为0.5 。:
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代入Rc=Rs/4化简得到:
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