物理学中有两个很重要的概念:平衡与稳定。在日常生活中,这两个概念差不多;但在物理学中,两者是完全不同的。比如下图中的两个系统(存在摩擦力和重力),两者都是平衡的;然而,只有左边的系统是稳定的。检验的方法是:用足够小的(“足够小”在下文有精确描述)尺度给两个小球施加一个扰动,那么左边的球会逐渐回到原来的位置,而右边的球会落下来。这个简单的例子却反映了物理学中关于稳定性分析的一个重要方法:写下系统的平衡方程;引入一个足够小的扰动项,这里“足够小”指的是与系统尺度相比足够小。比如在上文的例子中,对小球的扰动幅度较之于当地的曲率半径要足够小;线性化包含扰动项的平衡方程,并分析该扰动项随时间的演化情况。如果扰动项随时间衰减,则系统对于该扰动稳定,反之则不稳定。以上可能过于抽象,那么举个例子:比如一个男生追一个妹子。妹子不会那么轻易让男生得手,她们往往要考验该男生是否可靠;用物理的语言来说,就是检验男生的稳定性。检验的手段多种多样:赴约迟到,打电话发短信不回…… 这样一段时间后,如果这些扰动在男生身上能逐渐衰减——男生也许当时很生气、但之后能够一如既往地对妹子好,那么男生就通过了稳定性检验,妹子也就追到手了。友情提示:也许你看到这个稳定性分析的方法,也想对妹子尝试一下——千万不要,因为你在第一步就失败了:你永远不能写下妹子的平衡方程。下面我们就可以分析太阳(乃至主序星)的稳定性了:太阳是平衡的,在这个平衡中对抗的双方分别是向内的重力和向外的气体热压,其中气体热压由太阳中心的核聚变提供。重力和热压在同一个量级上,Virial theorem可以描述这个平衡。 那么为了分析系统的稳定性,我们给系统施加一个扰动,比如让重力稍稍把太阳压缩一些,导致中心的密度升高一些。那么接下来的过程是:中心密度升高 -> 中心核反应加剧(核反应速率是密度和温度的函数)-> 核反应产能增加 -> 中心温度增加 -> 气体的热压强增加(热压强是温度和密度的函数)-> 压强稀释物质导致密度降低所以,我们从一个密度升高的状态,达到了一个密度降低的状态;这个过程是一个负反馈。负反馈保证了系统的稳定性。白矮星主要由碳和氧构成,由于其非常致密,中心起主导作用的压强不是气体热压,而是电子简并压。在下面的分析中,我们不需要具体了解什么是简并压,只要记住:气体热压同时是温度和密度的函数,但电子简并压仅仅是密度的函数,与温度无关。