太阳就像一个巨大的火球,每时每刻它都在向外释放出能量,而我们地球接收的太阳辐射仅仅只占太阳总输出的大约22亿分1,由此可见太阳释放出的能量有多么巨大。而正如我们所知,太阳的能量,来自其核心区域的物质在核聚变反应的过程所损失的质量,那太阳每秒会损失多少质量呢? 这是可以计算的。一个简单的计算方法就是:太阳向外释放的能量可以认为是均匀的,所以我们只需要测量出地球轨道上单位面积的太阳平均辐射功率,然后再将其与一个半径为日地距离的球体的表面积相乘,就可以得到太阳每秒释放出的总能量,在此之后,我们就可以根据爱因斯坦提出的质能公式(E=mc^2)计算出太阳每秒会损失多少质量。 在过去的研究中,科学家已经通过这种方法计算出,太阳每秒释放出的能量约为3.8乘以10的26次方焦耳,并据此进一步计算出,太阳每秒会损失大约420万吨质量。另一方面来讲,太阳诞生于大约46亿年前,那么问题就来了,太阳每秒消耗420万吨物质,烧了46亿年,为什么太阳还没烧完呢? 这个问题其实有一个简单的答案,那就是太阳的质量大约有2000亿亿亿吨(1.989 x 10^30千克),以每秒420万吨这样的消耗速度,46亿年的总消耗量也“只有”大约5800万亿亿吨(5.8 x 10^26千克),这就意味着,在过去的46亿年的时间里,太阳消耗的质量大概只相当于太阳当前质量的万分之3,当然烧不完了。 也就是说,相对于太阳庞大的质量来讲,其消耗物质的速度其实是非常缓慢的。要知道人类也是可以通过核聚变反应来释放出大量的能量,比如说氢弹,但氢弹的核聚变却是不可控的,在达到核聚变条件的一瞬间,核聚变原料就会完成全部反应,并以爆炸的方式释放出能量。 所以这就引出了一个更深层次的问题,同样是核聚变,为什么氢弹会一下子就炸了,但太阳却能够以极为缓慢的速度消耗物质,以至于烧了46亿年还没烧完?我们接着看。 太阳的聚变类型属于氢核聚变,我们可以将其简单地理解为,在太阳的核心区域,氢原子核不断地聚变成氦原子核,同时释放出能量。氢原子核其实就是质子,而质子都是带正电的,它们之间会互相排斥,所以要让质子撞在一起,就需要让它们拥有极高的速度。 而我们都知道,从微观层面来看,温度其实就是大量的微观粒子热运动的集体表现,因此只需要温度足够高,质子可以撞在一起,进而发生核聚变。 在过去的很长一段时间里,科学家们都对一个现象感到困惑,那就是氢核聚变所需要的温度至少要上亿摄氏度,而即使是太阳的核心区域,其温度也只有大约1500万摄氏度,也就是说,从理论上来讲,太阳核心区域的温度远低于可以启动氢核聚变的标准,但事实上,太阳核心的的确确是在发生核聚变,这是为什么呢? 对此,科学家们曾经提出过多种推测,但都无法自圆其说,直到“量子隧穿效应”被发现之后,这种现象才得到堪称完美的解释。 简单来讲,质子之间会互相排斥,当它们彼此接近时,就会形成一个“能量势垒”,在经典力学中,只有在质子自身的动能强大到可以克服这个“能量势垒”的情况下,它们才可以撞在一起,但在量子力学中,质子即使是动能不足,也会有一定的概率直接穿过这个“能量势垒”,这就被称为“量子隧穿效应”。 根据量子力学,“量子隧穿效应”发生的概率与能量差异的大小密切相关,能量差异越大,“量子隧穿效应”发生的概率就越低,由于太阳核心区域的温度远低于可以启动氢核聚变的标准,因此这里的质子通过“量子隧穿效应”撞在一起的概率就极低。 另一方面来讲,当两个质子撞在一起时,会形成极为不稳定的“双质子”,在绝大多数情况下,双质子都会在极短的时间内重新衰变成两个质子,只有在极少数的情况下,双质子中的一个质子才会通过“正β衰变”转变成中子,而只有在这种情况下,“双质子”才会转变成拥有一个质子和一个中子的氘原子核,进而使发生核聚变成为可能。 原本“量子隧穿效应”的发生概率就极低了,在此基础上,再加上“双质子”转变成氘原子核的极低概率,就使得质子发生核聚变的概率变得异乎寻常的低,有多低呢?这样说吧,在太阳的核心区域,一个特定质子需要数十亿的时间才有可能发生核聚变反应。 尽管这个概率是如此之低,但由于太阳的质量很大,并且其中大约有71%都是氢,所以太阳拥有的质子数量是非常巨大的,因此在太阳的核心区域,随时都会有极少一部分质子在发生核聚变,如此一来,太阳就能够以“每秒消耗420万吨物质”这样极为缓慢的速度消耗物质,以至于烧了46亿年还没烧完。 作为对比,氢弹原理则可以简单地描述为,其外层有一个以核裂变为能量来源的小型核爆装置,当其启动时,会产生上亿摄氏度的高温,进而使氢弹内层的核聚变原料全部处于核聚变所需要的温度环境,于是它们在极短时间内就会完成反应,所以氢弹一下子就炸了。 |
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