關(guān)于天體脈沖的量子解釋

脈沖是一種有周期性變化的電流，在我們的認(rèn)知中，交變電流就是一種脈沖，這種以脈沖的形式放出的信號(hào)叫作脈沖信號(hào)。宇宙中有兩種天體能夠發(fā)射出脈沖信號(hào)，一類叫造父變星，還有一類叫中子星。雖然它們都能夠放出脈沖，但作用機(jī)理卻不同，相對于造父變星而言，中子星釋放的能量更強(qiáng)大。本文主要從量子力學(xué)的角度探討造父變星和中子星的作用機(jī)理，以便更準(zhǔn)確地解釋這兩種天體輻射出脈沖信號(hào)的原因。

脈沖，指的是在電學(xué)中，一種像脈搏一樣呈周期性變化的電波，它們會(huì)以電磁輻射的形式表現(xiàn)出來。脈沖的本質(zhì)是某個(gè)電路中的電流的電動(dòng)勢呈周期性的增大或減小，從而使電流或電壓呈周期性變化。我們在中學(xué)時(shí)期接觸的正弦式交變電流，就是脈沖的一種，這也是最基本的一種脈沖電波。

對造父變星的光變周期的理解

從造父變星的周光關(guān)系的圖像來看它的亮度變化在一個(gè)光變周期內(nèi)會(huì)有一個(gè)極大值和極小值。根據(jù)光電效應(yīng)，光子內(nèi)部蘊(yùn)含著大量的電子，稱為光電子，若干光電子定向移動(dòng)，就形成了光電流。這種光電流的大小由光子的頻率來決定，并且也會(huì)有電動(dòng)勢，稱為“光生電動(dòng)勢”。光生電動(dòng)勢主要決定造父變星的發(fā)光強(qiáng)度，根據(jù)造父變星的光變周期的計(jì)算公式以及發(fā)光強(qiáng)度與電流的關(guān)系，我們能夠計(jì)算得到光生電動(dòng)勢的大小。由造父變星的光變圖像可以看出，在造父變星半個(gè)光變周期內(nèi)，光生電動(dòng)勢也經(jīng)歷了一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，如果我們知道造父變星的光變規(guī)律，并用數(shù)學(xué)形式表達(dá)出來，我們能夠通過求導(dǎo)的方式計(jì)算得到光生電動(dòng)勢的最大值和最小值。我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，造父變星的光變周期的導(dǎo)函數(shù)也是一個(gè)周期函數(shù)，用數(shù)學(xué)形式表達(dá)為）（）（xfTxf=+。由公式可知，在相等的時(shí)間間隔內(nèi)，造父變星的發(fā)光強(qiáng)度相等。

光的本質(zhì)是高速運(yùn)動(dòng)的電磁場。在父變星上，這種電磁場會(huì)隨著光度的變化而變化，通過公式

在量子力學(xué)中，有一種現(xiàn)象叫作“量子自旋”，這種現(xiàn)象是由粒子的內(nèi)稟角動(dòng)量引起的。在造父變星上，也會(huì)存在這種現(xiàn)象，并且產(chǎn)生電動(dòng)勢，稱為“自旋電動(dòng)勢”，上述的Em就是光生電動(dòng)勢與自旋電動(dòng)勢的總和。并且也會(huì)產(chǎn)生光子，所以造父變星上的光變也會(huì)由這兩個(gè)因素決定。

對中子星能夠產(chǎn)生脈沖信號(hào)的理解

與造父變星不同，不能將中子星看作一個(gè)容器，因?yàn)槠浔砻娲髿夥肿訒?huì)被中子星放出的x射線照射發(fā)生電離，并隨著x射線一起輻射到宇宙空間中，因此我們不能利用阿伏加德羅定律來研究中子星。但只要知道中子星的半徑，我們可以用上述的公式vnQB=ω來研究，由于x射線會(huì)以光速傳播，所以，在這里公式變?yōu)閏nQB=ω，此處n表示x射線所帶的電子數(shù)，Q為x射線的總電量。

如果我們要衡量中子星的自轉(zhuǎn)，就要用到很小的時(shí)間單位：毫秒，根據(jù)公式可知，n只能夠取正數(shù)，這樣一來，ω就會(huì)很大，即它的自轉(zhuǎn)頻率很高。并以這種頻率精確的放出電磁輻射，成為宇宙中最精確的時(shí)鐘。中子星分為三層，內(nèi)層由超子組成，中間層是自由中子，最外層是質(zhì)子、電子和中微子。質(zhì)子和電子會(huì)在靜電力及表面壓力作用下結(jié)合，形成新的中子，中子會(huì)發(fā)生一系列的能量變化并且會(huì)十分穩(wěn)定，并驅(qū)動(dòng)中子星自轉(zhuǎn)，并且隨著中子星旋轉(zhuǎn)會(huì)間歇地放出輻射，所以在宇宙空間中接收到的能量也十分穩(wěn)定。中間層是自由中子，在那樣強(qiáng)的壓力下，自由中子移動(dòng)的空間就很受限制，從而有很大的幾率會(huì)相互撞擊。中子內(nèi)部蘊(yùn)含著巨大的能量，當(dāng)中子相撞時(shí)，一部分能量會(huì)以光能的形式表現(xiàn)出來，與電子自旋一起使得中子星能夠發(fā)光。另一部分能量則控制著中子星的自轉(zhuǎn)，使中子星以穩(wěn)定的速率自轉(zhuǎn)。最內(nèi)層則是由超子組成，也是中子星的核心。超子是一類比質(zhì)子和中子都要重的粒子，所以中子星的內(nèi)部會(huì)比外面兩層重得多。關(guān)于中子星的內(nèi)核是什么，至今尚無定論。有人認(rèn)為是固態(tài)核，也有人認(rèn)為是液態(tài)核。

雖然造父變星與中子星都能夠產(chǎn)生脈沖信號(hào)，但因?yàn)樾再|(zhì)的不同，導(dǎo)致其作用機(jī)理有了很大的差別。

參考文獻(xiàn)

[1]宇宙八大最強(qiáng)磁體：中子星磁場強(qiáng)度是地球100萬億倍[J].黑龍江科技信息，2013（13）：I0003-I0003.

（作者簡介：何泊杉，重慶市松樹橋中學(xué)，研究方向?yàn)榭臻g物理學(xué)。）endprint