过去的研究表明,太阳诞生于大约46亿年前,这就令人感到好奇,太阳究竟用了什么燃料?为什么烧了几十亿年还没烧完呢?
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太阳用的燃料其实就是氢元素,这是宇宙中丰度最高,也最简单的元素,不过太阳对氢元素的“使用方法”并不是将氢元素直接点燃,而是在其高温高压的核心,通过一系列的核聚变反应,由于氢原子核其实就是质子,因此这也被称为“质子-质子链反应”。
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“质子-质子链反应”可以简单地分为三个步骤,第一步:两个质子结合,然后其中的一个质子发生β衰变转变成中子,并与另一个质子结合成氘原子核;第二步:氘原子核和质子结合,形成氦-3原子核;第三步:两个氦-3原子核结合后释放出两个质子,形成氦-4原子核。
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这一系列的核聚变反应可以释放出蕴含在氢原子核中的能量,而太阳的光和热其实就是来自于此。
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由此可见,尽管太阳看上去很像是一个熊熊燃烧的火球,但太阳其实并没有燃烧,因为太阳的能量来自核聚变反应,而我们常见的燃烧现象,却是一种放热发光的化学反应,这两者存在着本质上的区别。不过为了方便描述,我们还是可以将太阳形容为“燃烧”,大家知道区别就行了。
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太阳之所以能够烧了几十亿年还没烧完,主要有两个原因,一个是太阳的燃料足够多,另一个则是太阳的燃料消耗速度极为缓慢。
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“燃料足够多”这个原因不必过多解释,毕竟太阳的质量是地球的33万倍,体积更是高达地球的130万倍,据此大家也可以想象出太阳有多庞大,那为什么太阳的燃料消耗速度会极为缓慢呢?
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这主要是因为“质子-质子链反应”的第一步的实现难度相当高,前面我们已经讲了,这一步就是两个质子形成氘原子核,要知道质子都是带正电的,所以在质子之间会存在着很大的库伦斥力。
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用专业一点的话来讲就是,质子之间存在着一个由库伦斥力造成的“能量势垒”,只有突破了它,两个质子才可以发生碰撞。
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如何突破质子之间的“能量势垒”呢?答案就是速度,只要质子的速度足够快,它们就可以撞在一起,而我们都知道,温度其实就是微观粒子热运动的激烈程度,因此可以说,在足够高的温度下,质子就可以突破“能量势垒”,具体要多高的温度呢?至少需要上亿摄氏度。
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然而太阳核心的温度却只有1500万摄氏度,这明显就不够啊,也就是说,以太阳核心的温度,根本就不可能发生“质子-质子链反应”,但我们明明看到了太阳确实在发光发热,这是为什么呢?
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实际上,这个问题曾经困扰了科学界很久,直到人们发现了“量子隧穿效应”。简单来讲,“量子隧穿效应”可以允许微观粒子在能量不足的情况下,穿过在经典力学中不可能穿过的“能量势垒”,这也被人们戏称为“量子世界中的穿墙术”。
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需要注意的是,“量子隧穿效应”的发生是有概率的,能量差距越大,发生的概率就越低,由于太阳核心的温度远远低于理论值,因此在太阳核心,两个质子通过“量子隧穿效应”撞在一起的概率可以说是低得可怜。
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然而即使两个质子发生了碰撞,也很难形成氘原子核,因为两个撞在一起的质子通常都会迅速分开,只有在极少数的情况下,才会出现“一个质子发生β衰变转变成中子,并与另一个质子结合成氘原子核”这样的情况。
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本来“量子隧穿效应”发生的概率就非常低了,再加上这一出,就使得“质子-质子链反应”的第一步的实现更加困难,以至于在太阳的核心,一个特定的质子通常都需要长达几十亿年的时间,才能与另一个质子撞在一起并形成氘原子核。
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尽管这个概率是如此之低,但架不住太阳的燃料多啊,正所谓“东边不亮西边亮”,在太阳核心巨量的质子中,总会有极少数的质子会“非常幸运”地形成氘原子核,进而发生“质子-质子链反应”,也正是因为如此,太阳的燃料消耗速度就变得极为缓慢,烧了几十亿年还没烧完,而根据科学家的估算,太阳的燃料大概还可以烧50亿年的时间。
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