以前我碰到问题通常第一时间去看书，这样做的结果通常是使我疲惫不已，但经常是不知所云，结果不了了之。上大学的时候有一个同学学半导体物理，基本就是自己在纸上划划，偶看一两眼书，问之，曰："从库仑定律出发。"当时就觉得其故弄玄虚，但是最终此同学半导体物理学得不错。

在屡次碰到问题就查书，然后又很失望之后，最近我发现有些问题还是把书抛开，从头开始思考比较有意思。碰到记不住的公式、定理就查一下。这样比直接看书，满书不知所云的内容更能给人希望。

扯得比较远了。最近我碰到的问题是"分子云是如何形成的？"这个问题是几十年来星际介质研究中的未解决问题之一，我当然不是期望写一篇博客，然后把这个问题板上钉钉。我不过是想整理出一段话来作为未来研究论文的一段引言而已。

分子云是一个距离较远，平常也不怎么见的对象。虽然云和分子云不是一种东西，密度大不相同，但是至少都是弥散装的，从哲学上来说应该有些共性，我们就先考察一下云是怎么形成的。云的形成主要是水在起作用，一团水蒸气凝结成若干微小水滴或若干微小冰晶，云就形成了，至于物质密度则不一定增加。而这一过程主要是由于温度降低造成的。一个典型的过程是绝热膨胀。由于重力的作用，大气中的压强随高度上升而下降，因此，一团云在上升过程中会膨胀（外界压强减小），这是对外做功的过程，因此云的温度降低，水蒸气凝结，于是云就形成了。这个过程中物质密度实际上是在降低的。不过这个云团的图像只是理论的，一个实际的例子就是一些山顶的伞云，还有实验也可以对此进行演示，具体见
http://www.tudou.com/programs/view/TA6O_KBfMaA/
小时候也学过，凝结核也可以帮助云的形成。其实凝结核也是使云的温度降低的，道理很简单，同样的热运动能量，质量大的颗粒热运动速度小。

虽然也是要温度降低才能形成，但是和云有些不同，分子云通常是密度增大形成的，而且在分子云的问题中，分子云的自引力是重要的，而通常在云的问题中是不考虑云的自引力的。那么通过绝热膨胀能否形成分子云呢？这个问题可以这么考虑，首先计算绝热膨胀对外做功，
$$
W=\int^{V_2}_{V_1}PdV=K\int^{V_2}_{V_1}V^{\gamma}dV=\frac{K}{\gamma+1}(V_2^{\gamma+1}-V_1^{\gamma+1})
$$
另外一方面，自引力能和云的尺度成反比，也就是和云的体积的1/3次方成反比。所以云的维里温度和云体积的1/3次方成反比。因此云温度的下降比维里温度的下降快。在膨胀到一定程度后，云在引力的作用下会往回塌缩，但是也只能塌缩到原来的状态（如果塌缩也是绝热的话）。所以单单通过绝热膨胀是不能导致高密度分子云的形成。

形成分子云的一个关键是为分子云的前身——原子云以及原子云到分子云的过渡状态的云降温，而这种降温是通过膨胀所无法达到的。不过在云的形成中获得的一点经验是有用的：往原子云里加凝结核----尘埃，事实上尘埃确实是分子云形成的一个关键角色。按照之前的分析，尘埃可以降低氢原子的热运动速度，有利于氢分子的形成。但是仅仅有氢分子的话，形成了氢分子的过渡状态的云还是无法冷却，因为在通常星际介质的温度下，氢分子没有辐射，对冷却没有贡献。在这种情况下，最重要的就是CO分子的冷却，CO的转动跃迁谱线是分子云中主要的冷却机制。而氢分子的热运动正是激发CO分子转动的能量源，通过氢分子不断和CO分子碰撞，CO分子不断发出转动跃迁谱线，分子云最终得以冷却。

形成分子云的另一个关键是密度的增加。引力塌缩可以使分子云的密度增加，这对于解释从分子云到恒星的演化是另人信服的，但是用这个机制解释高密度分子云的形成是有困难的。高密度分子云的形成有可能是一些压缩过程造成的，例如云-云碰撞、超新星的激波等。不过这些解释也是有困难的，因为激波后气体的密度和激波速度成正比，热运动速度也大约和激波速度成正比（也就是温度和激波速度平方成正比）。大致来说就是，对于一定半径内的气体，其抵抗引力的能力增长的速度比引力增长的速度快。所以在这些压缩过程中应该有别的因素在起作用，磁场就是一个可能的因素。关于磁场以及其他一些内容，下次再谈。



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