過去的研究表明,太陽誕生于大約46億年前,這就令人感到好奇,太陽究竟用了什么燃料?為什么燒了幾十億年還沒燒完呢? 7 I8 [' p3 K: N
太陽用的燃料其實就是氫元素,這是宇宙中豐度最高,也最簡單的元素,不過太陽對氫元素的“使用方法”并不是將氫元素直接點燃,而是在其高溫高壓的核心,通過一系列的核聚變反應,由于氫原子核其實就是質子,因此這也被稱為“質子-質子鏈反應”。 ( |* P/ @! r7 | B1 u# y
“質子-質子鏈反應”可以簡單地分為三個步驟,第一步:兩個質子結合,然后其中的一個質子發生β衰變轉變成中子,并與另一個質子結合成氘原子核;第二步:氘原子核和質子結合,形成氦-3原子核;第三步:兩個氦-3原子核結合后釋放出兩個質子,形成氦-4原子核。
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這一系列的核聚變反應可以釋放出蘊含在氫原子核中的能量,而太陽的光和熱其實就是來自于此。 ' P$ I# T1 }6 t/ Y0 I
由此可見,盡管太陽看上去很像是一個熊熊燃燒的火球,但太陽其實并沒有燃燒,因為太陽的能量來自核聚變反應,而我們常見的燃燒現象,卻是一種放熱發光的化學反應,這兩者存在著本質上的區別。不過為了方便描述,我們還是可以將太陽形容為“燃燒”,大家知道區別就行了。 : X# s8 U/ \( e, s9 W& f: a
太陽之所以能夠燒了幾十億年還沒燒完,主要有兩個原因,一個是太陽的燃料足夠多,另一個則是太陽的燃料消耗速度極為緩慢。 6 l& P$ X) Q/ Z" P+ `2 u
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/ g4 {7 `" i# g, E“燃料足夠多”這個原因不必過多解釋,畢竟太陽的質量是地球的33萬倍,體積更是高達地球的130萬倍,據此大家也可以想象出太陽有多龐大,那為什么太陽的燃料消耗速度會極為緩慢呢? ! Q T% t5 |- z3 c
這主要是因為“質子-質子鏈反應”的第一步的實現難度相當高,前面我們已經講了,這一步就是兩個質子形成氘原子核,要知道質子都是帶正電的,所以在質子之間會存在著很大的庫倫斥力。
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用專業一點的話來講就是,質子之間存在著一個由庫倫斥力造成的“能量勢壘”,只有突破了它,兩個質子才可以發生碰撞。
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如何突破質子之間的“能量勢壘”呢?答案就是速度,只要質子的速度足夠快,它們就可以撞在一起,而我們都知道,溫度其實就是微觀粒子熱運動的激烈程度,因此可以說,在足夠高的溫度下,質子就可以突破“能量勢壘”,具體要多高的溫度呢?至少需要上億攝氏度。 ) A: i# t+ N: e# {, f$ e
然而太陽核心的溫度卻只有1500萬攝氏度,這明顯就不夠啊,也就是說,以太陽核心的溫度,根本就不可能發生“質子-質子鏈反應”,但我們明明看到了太陽確實在發光發熱,這是為什么呢?
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實際上,這個問題曾經困擾了科學界很久,直到人們發現了“量子隧穿效應”。簡單來講,“量子隧穿效應”可以允許微觀粒子在能量不足的情況下,穿過在經典力學中不可能穿過的“能量勢壘”,這也被人們戲稱為“量子世界中的穿墻術”。 - U7 M6 ^1 K4 ]: g' V/ }2 j
需要注意的是,“量子隧穿效應”的發生是有概率的,能量差距越大,發生的概率就越低,由于太陽核心的溫度遠遠低于理論值,因此在太陽核心,兩個質子通過“量子隧穿效應”撞在一起的概率可以說是低得可憐。
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然而即使兩個質子發生了碰撞,也很難形成氘原子核,因為兩個撞在一起的質子通常都會迅速分開,只有在極少數的情況下,才會出現“一個質子發生β衰變轉變成中子,并與另一個質子結合成氘原子核”這樣的情況。
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本來“量子隧穿效應”發生的概率就非常低了,再加上這一出,就使得“質子-質子鏈反應”的第一步的實現更加困難,以至于在太陽的核心,一個特定的質子通常都需要長達幾十億年的時間,才能與另一個質子撞在一起并形成氘原子核。 : h7 G0 ^) a* {* ?+ v( Z1 G8 \
盡管這個概率是如此之低,但架不住太陽的燃料多啊,正所謂“東邊不亮西邊亮”,在太陽核心巨量的質子中,總會有極少數的質子會“非常幸運”地形成氘原子核,進而發生“質子-質子鏈反應”,也正是因為如此,太陽的燃料消耗速度就變得極為緩慢,燒了幾十億年還沒燒完,而根據科學家的估算,太陽的燃料大概還可以燒50億年的時間。 |