想法的由来
“斥力论”是“光斥力论”的简称,指的是光对空间自由带电粒子[3]的斥力。我认为在宇宙空间里存在一个新的力,这种力就是光的斥力,在宇宙这个尺度上它与万有引力相对抗构成对立的统一,推动着很多重大自然现象的发生、变化和发展。
“斥力论”基本想法的诞生,大概要追溯到1953年的春天。当时我在南京大学气象学系读书。有一天,我躺在南京大学东南大楼的草坪上,看着一片片云彩飘过,突然一个疑问跳进我的脑中:“大气的外缘到底是什么样子的呢?”。
从地理学角度来讲,地球可分为四个比较公认的范围:大气层、生物圈、水界和陆地。由水界和陆地组成的地球的外轮廓基本上是圆的。那么大气层呢?大气的外缘应该是什么样子的呢?这个问题教科书上并没有答案。
所以气象学专业的我就对此产生了兴趣。地球大气层应该有个外缘或者有一个过渡带,过渡到星际空间,不可能一直是模模糊糊的,没有分界。当时我就想光线也许是促成这个分界产生的一个原因。
最开始,我希望用“光压”来解决这个问题。所谓“光压”,即是射在物体上的光所产生的压力。其实阳光照在身体上时,我们不仅会感觉发暖,也有压力,只是因为人的感觉器官的限制而感觉不到而已。因此光的压力有可能对地球外缘的大气边缘产生力的作用。但是它的量值实在太微小了,随着岁月的推移,我就把它放弃了。
地球的高层大气一定是电离的,属于带电粒子,就是后来我们称之为等离子体的东西。这时我脑子里就产生了“光和空间带电的粒子有可能存在一些关系”的想法,并为此写出了一篇论文。当然那篇论文是很幼稚的,但其中的思想,光和空间自由带电粒子之间有关系,在我脑子里是扎了根的。
1954年从南京大学毕业后我被分到了当时的中国科学院地球物理研究所[4],从事的工作就是对于大气臭氧层的观测和研究。但是我对那个疑问还是念念不忘,仍然在考虑着。
太阳风起源与加速之谜
到了20世纪50年代末期,随着宇宙火箭的发展,对于地球高空的探测有了不少新的发现,但也遇到了新的难题。其中3个在20世纪五六十年代初期发现的但至今还没有准确科学解释的现象,对我形成“斥力论”的基本思想起了很大作用。
“太阳风”一词是在20世纪50年代由美国天文学家尤金·派克(E.N.Parker)提出的,但直到60年代才证实了它的存在。太阳风是20世纪空间探测的重要发现之一。经过五十多年的探测研究,我们对太阳风的物理性质有了基本了解,但是至今人们仍然无法解释,太阳风是如何起源和怎样加速的?太阳风又是怎样得到能量供应的?这几个问题是空间物理学领域中经长期研究仍悬而未决的基本课题。
为了了解这个谜题,我们先来重新认识一下太阳。“万物生长靠太阳”,如果没有太阳,地球上的一切都将化为乌有,所以阳光、空气和水是一切生物存在的必要条件,当然也包括我们人类。
太阳的结构(示意图)
但太阳不但可以给我们光,太阳每天还不停地从日冕[5]射出超声速等离子体(带电粒子)流,这就是太阳风。
太阳风是一种连续的存在。这种物质虽然与地球上的空气不同,不是由气体的分子组成,而是由更简单的比原子还小一个层次的基本粒子——质子和电子等组成,但它们流动时所产生的效应与空气流动十分相似,所以称它为太阳风。当然,太阳风的密度与地球上风的密度相比,是非常非常稀薄而微不足道的。一般情况下,在地球附近的行星际空间中,每立方厘米只有几个到几十个粒子。而地球上风的密度则为每立方厘米几千亿亿个分子。
太阳风虽然十分稀薄,但它的猛烈劲却远远胜过地球上的风。在地球上,12级台风的风速是每秒32.5米以上,而太阳风的风速,在地球附近却经常保持在每秒350~450千米,是地球风速的上万倍,有时可达每秒800千米以上。
太阳风有两种:一种在太阳宁静时也会持续不断地辐射出来,速度较小、粒子含量也较少,被称为“持续太阳风”,上述的太阳风就属于这种类型;另一种是在太阳活动[6]时辐射出来的,速度较大、粒子含量也较多,这种太阳风被称为“扰动太阳风”。当特大太阳耀斑爆发时,粒子的速度可达每秒20000千米的量级,人们称之为“太阳宇宙线”。当它抵达地球时,会严重干扰电离层[7],这样就会造成通讯的中断,而这种中断是非常可怕的,会使一些靠指南针和无线电导航的飞机、船只一下子变成了“瞎子”和“聋子”。同时还引起很大的磁暴[8]与强烈的极光等,对地球、对人类的生活都会产生很深刻的影响。例如1989年曾因强烈的耀斑现象而造成地球上大面积停电。
这里,我们最关心的问题是:太阳风是如何形成的?这些带电粒子是怎样克服太阳的巨大引力并达到那么高的速度的?它们是如何得到能量供应的?这些问题对于人类仍然是个谜。
但于我而言,对以下三个现象我进行长期的深刻思考:①组成太阳风的物质是带电粒子——等离子体;②粒子运动的方向与太阳引力的方向相反,而且基本沿着光线传播的方向;③强大的太阳光波始终是粒子流的稳定伴侣。据此,我的思想又回到了1953年最初的原点上,即“光线和空间自由带电粒子之间一定有密切关系”。进而我想到了它们中间一定会具有一种力的作用关系,就是光对空间自由带电粒子有一个斥力的作用,而且这个概念随着之后的研究进一步加强了。
高层大气温度突然上升之谜
当时在地球物理学界又发现了另一个谜题。
地球的大气层垂直结构大致可分为对流层(0km~7至11km)、平流层(7至11km~50km)、中间层(50km~80至85km)、暖层(80至85km~800km)及散逸层(800km~2000km至3000km)。
地球大气层结构(示意图)
在20世纪60年代,依靠卫星探测器,人类首次发现地球的高层大气(也就是暖层)的温度会持续升高,而且在白天时最高温度可以达到2500℃。而高层大气是被什么加热的?这个能源是什么?为什么能达到这样的高温?目前还是未解之谜。
大气温度随高度的分布曲线
从上图能清楚地看到随着大气高度的增加,温度有3个拐点,并且在300千米以上会明显地向上递增。
最接近地面的大气层是对流层,它的温度主要靠地球的热辐射,因此随高度的升高而降低,每上升100米,温度下降约0.6℃。
在对流层之上就是平流层。它含有臭氧,具有吸收紫外线功能,保护地球上所有生物的生存和地表免于受阳光中强烈的紫外线致命的侵袭。因为在它内部的臭氧层有吸收太阳辐射的功能,在此层的气温会随高度增加。这是图中的第一个拐点出现的原因。
再往上是中间层。此层主要成分有臭氧、氧、二氧化碳、氮的氧化物。因为臭氧的比例在这一层会迅速减少,温度也会随之降低。所以我们看到图中的曲线出现了第二个拐点。