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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？ % A/ k# G+ r! D9 h( v$ M' D
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”。
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“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。 7 ^) \; I) E& H# f6 @
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, A. _4 `8 A( c3 I; R9 q {" i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。 , C y, v3 R1 F5 u/ l6 O
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。
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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。 ; c7 a" @2 ?; I7 X) {
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“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？ 8 L8 g/ n, W0 x' N3 u 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。 ; v r1 S" P) @0 x% |) {. }9 ?2 _- G
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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。 # y6 F6 l" E R! z
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？ ; y( p) j g$ z1 h9 m
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”。 9 j) X5 r0 S! m
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。 L6 ]( \1 v, P
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。 % n. Z, o: q* n9 W$ E& g7 J# c
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/ q' |9 k, h7 `3 L% W, }2 Y8 P0 K# P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。 / n) E: ]; H+ z: }) ]/ N2 m
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。 | 
發表于 2022-12-21 10:46:54
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