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电中性指的是正电荷数量和负电荷数量相等,电中性是自然界中最令人惊异的现象之一。无论对于宇宙还是天体,电中性都是精确满足的。我们在这里“精确电中性”指的是总电量 0.999 999 999 999 999 以上比例的正负电荷相互抵消,没有抵消的部分只占小数点后边十五位以上都是零的份额。问题是自然界那么真的有这么神奇吗? 我在本文就解说这一事实,即这个电中性是“必要的”,不然咱们的宇宙早就乱套了。
我们知道,地球在太阳系内实在太小了。地球的质量约为 6 乘以 10 的二十四次方千克,看起来不小,不过比起太阳来说,还差了三十多万倍;而太阳呢?在银河系内又是太小了;那么银河系呢?在宇宙中又太小太小了,可见地球在宇宙中简直就象我们日常生活中的尘埃那么不足道。我们的故事就从在宇宙中这个小小的、不足道的地球开始。
我们假设地球不是电中性的,地球有一个非常非常小的静电量不平衡,我们为了解释方便,就假定地球有10亿分之一的电量不平衡;这就像中国的人口基数上仅仅多了一个人一样毫不起眼。在这样的假设下,如果宇宙内的其它天体暂时没有任何变化,会不会发生什么事情呢? 答曰:会的!假如这样,宇宙其实不仅会摊上事情,而且还会“摊上大事情”!
我们下面做一个简单的计算。地球由原子组成,原子的质量几乎全部集中在原子核上;原子核由质子和中子组成。质子和中子的质量差不多,大约在 1.6 乘以10 的负二十七次方千克。因此,地球上质子和中子的总量大约为
[6 乘以 10 的二十四次方千克]/ [1.6 乘以10 的负二十七次方千克]
= 4 乘以10 的五十一次方个 (质子或中子)。
地球上质子和中子的数量差不多,因此,地球的质子数量在 2 乘以10 的五十一次方个;按照我们上面的假定,地球有10亿分之一的电量不平衡,因此地球上多了10亿分之一的电量没有被平衡,即地球在整体上是一个带电体,总的电量 Q 是:
2 乘以10 的五十一次方 * 10 亿分之一 * 1.6乘以 10 的负十九次方 (库仑)
= 3.2 乘以10 的23 次方 (库仑)。
我们先不用着急,暂时先不说宇宙了;先说说咱们在地球上会看到什么。静电学的基础是库仑定律,就是电场强度与电量成正比、与距离平方成反比。地球的半径大约为 6千公里[即 6 乘以10的六次方米];根据库仑定律,我们在地球表面的电场强度为
k * Q/r^2 = [9 * 10的九次方] * [3.2 乘以10 的23 次方 (库仑)]
/ [6 乘以10的六次方米] / [6 乘以10的六次方米] = 7 乘以10的 十九次方 (伏特/米),
即每升高1米,电压变化居然大约为 七千亿亿 伏特! [上式中的 k 是 物理学常量,约等于9 * 10的九次方]
地球这种微小的静电不平衡对于地球表面的影响这么厉害也就算了,毕竟地球很小嘛。但是呢,这个小小的静电不平衡,仍然会让宇宙“摊上大事”! 整个宇宙就会因为地球这里小小的不平衡而乱了方寸。我们还是看看在这样条件下,宇宙会变得什么模样吧。
我们计算一下地球整个小小的静电不平衡而导致宇宙边缘的静电变化,我们还是用库仑定律。我们知道整个宇宙的尺度在 100 亿光年,我们把它作为宇宙半径 R的数量级。把 R 换算为米,数量为
R = [10 的十次方* 365 天* 86400 秒/天] * [3 * 10 的八次方米/秒]
= (约) 9 * 10 的 二十五次方 米 =(约) 10 的二十六次方米。
那么我们地球这个小小的静电不平衡,导致在宇宙边缘处的静电势为多少呢? 结果如下:
k * Q/R = [9 * 10的九次方] * [3.2 乘以10 的23 次方 (库仑)] / [10 的二十六次方米]
= 3 * 10 的七次方伏特.
即小小地球的小小静电不平衡,导致整个宇宙边缘处的电势变化 3千万伏特。咱们国内日常生活中的电压只有220 伏特;当前特高压输电最高也只有1百万伏特(而且降压允许) ! 而我们地球上10亿分之一的静电不平衡,居然导致宇宙边缘的电压 大约 3千万伏特。如果宇宙其它天体也都这么玩,宇宙焉能不乱套?!!!
当然,真实的宇宙很有秩序,宇宙并没有乱套,这说明宇宙内所有天体都保持了我们前面提到的“精确电中性”,只是大家平时不考虑这个事实、没有意识到宇宙内天体“精确电中性”的重要性;这就像我们平时没有注意到阳光、空气和水对于我们的重要性一样,什么东西都是失去了才知道宝贵。
哈!原来宇宙内所有天体都要保证电中性在宇宙晕星中居然如此重要呀!
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GMT+8, 2024-11-24 03:22
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