【天文科普】為什麼太陽可以燃燒46億年而不滅?其核心每時每刻都在發生核聚變

太陽被我們稱為「萬物之源」,在過去的46億年里,太陽從未停止過給地球送來光和熱,正因為如此,地球才會成為一顆生機勃勃的星球。那麼為什麼太陽可以燃燒46億年而不滅呢?

人類很早就開始思考太陽到底使用了什麼當燃料,曾經有一種觀點認為,太陽的燃料應該就是煤,它之所以能夠長久地燃燒,只不過是因為太陽上的煤實在是太多了。

然而后來人們卻發現,以太陽的體積來計算,就算它全部都是由煤構成,也只夠燒大約5000年,要知道人類自己的歷史都遠不止5000年,因此這種觀點就被否定了,于是太陽的燃燒機制就成為了一個謎團。

在進入了20世紀之后,隨著量子力學的發展和完善,科學家才對太陽的能量來源作出了合理的解釋,即:太陽的能量來自其核心的核聚變反應,而它使用的「核燃料」就是宇宙中豐度最高、結構最簡單的氫元素。

需要注意的是,常見的燃燒現象是指可燃物與氧氣發生劇烈的氧化反應,并以火焰的形式釋放出光和熱,所以嚴格意義上來講,太陽并沒有燃燒,不過為了方便描述,我們還是將太陽發光發熱的現象描述為「燃燒」,請大家注意區分。

科學家認為,在太陽的核心反應區,氫原子核會通過一系列的反應不斷地聚變成氦原子核,并因為質量出現虧損而釋放出能量,由于氫原子核其實就是一個質子,所以這一系列的反應就被稱為「質子-質子鏈反應」。

如上圖所示,「質子-質子鏈反應」可以簡單地分為三步,第一步是兩個質子聚合成一個氘原子核,第二步是一個氘原子核和一個質子聚合成一個氦-3原子核,第三步是兩個氦-3原子核聚合成一個氦-4原子核。

但問題是,太陽核心反應區的半徑占據了太陽半徑的大約4分之1,從理論上來講,這片區域中的任一位置應該都具備了發生「質子-質子鏈反應」的條件,在這種情況下,太陽核心反應區中的質子就應該在極短時間內就全部發生核聚變,并釋放出巨大的能量,換句話來講就是,太陽應該像氫彈一樣瞬間就炸了。

很明顯,這樣的事情并沒有發生,否則的話,太陽也就不可能燃燒46億年而不滅了,這是為什麼呢?其實這是可以解釋的。

關鍵就在于「質子-質子鏈反應」的第一步,也就是兩個質子聚合成一個氘原子核,因為質子都是帶正電的,所以在質子和質子之間存在著強大的斥力,想要克服這種斥力,質子就必須具備足夠快的速度。

由于溫度就是指微觀粒子熱運動的激烈程度,因此我們可以認為,必須在足夠高的溫度下,兩個質子才可能會發生碰撞,需要多高的溫度呢?科學家給出的答案是:至少是上億攝氏度。

然而太陽核心區域的溫度卻只有1500萬攝氏度左右,這樣的溫度根本就無法讓兩個質子發生碰撞,既然如此,為什麼太陽還會燃燒呢?實際上,這個問題曾經困擾了科學家很長一段時間,直到「量子隧穿效應」的發現。

簡而言之,「量子隧穿效應」就是指在能量不足的情況下,微觀粒子仍然有極低的機率穿過在經典力學中不可能穿過的屏障,所以這也被人們戲稱為「微觀世界中的穿墻術」。

需要指出的是,「量子隧穿效應」可以通過微觀粒子的「波粒二象性」和量子力學中的「能量-時間不確定性原理」來進行解釋,除此之外,「量子隧穿效應」也早已在實驗中得到證實,并且還得到了一定的應用,比如說用于觀察和定位原子的「掃描隧道顯微鏡」其實就是利用了「量子隧穿效應」,因此可以說,這種現象是真實存在的。

另一方面來講,當兩個質子碰撞在一起的時候,它們就形成了一個「雙質子」,而「雙質子」又非常不穩定,科學家發現,在極短的時間內(小于1納秒),「雙質子」就有99.999%以上的機率會重新衰變成兩個質子,只有在極小的機率下,「雙質子」中的一個質子才會因為發生β衰變而成為中子,進而使「雙質子」轉變成包含一個質子和一個中子的氘原子核。

科學家認為,「量子隧穿效應」發生的機率原本就已經極低了,在此基礎上,再加上「雙質子」的衰變問題,「質子-質子鏈反應」的第一步發生的機率簡直就是微乎其微了,正是因為如此,太陽才能夠以極為緩慢的速度消耗自己核心反應區的「核燃料」,進而持續穩定地燃燒。

看完科學家的解釋,相信大家也明白了「太陽可以燃燒46億年而不滅」的原因。值得一提的是,太陽的「核燃料」終究是會用完的,根據科學家的估算,在大約50億年后,太陽核心的氫元素就會消耗殆盡,而屆時的地球也將因此而變得不再適合人類生存。

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