太阳,这个星球系统中的耀眼明星,以其雄浑的能量孕育了地球生命的繁华。您是否曾深思过,太阳那温煦的光芒如何能将我们所居的星球烘暖,而那遥远的太阳系荒漠中,却又为何会弥漫着寒冷至极的空寂?
太阳之心,燃烧着6000度的烈焰,核心温度更是飙升至1500万度的骇人境地。遥遥相望,地球与太阳之间相隔1.5亿公里之遥。这般辽远的星际距离,却依旧无法阻挡太阳的热力渗透,将地球拥入温暖的怀抱。诚然,地球的大气层与磁场如一道护身符,为我们挡去了太阳的不少猛烈攻击,然而真正令地球苏醒的,仍是太阳那不可替代的光芒。
然而,令人困惑的是,既然太阳能够温暖地球,那为什么在两者之间的广袤太空中,却是一片接近绝对零度的死寂寒冷?
我们先来审视太阳是如何散播其力量的,以及它散发的能量究竟有多么庞大。
在太阳系这片宇宙竞技场中,太阳以其99.86%的质量占比占据了统治地位!这重量级的体质意味着巨大的引力场,这引力使得太阳物质无休止地向其核心坍塌,这又使得核心的温度和压力不断攀升。当达到了某个临界点时,核聚变便会点燃。
太阳核心的物质状态并非气、液、固这三种传统形态,而是物质的第四态——等离子体。尽管核心的温度高达1500万度,但要引发核聚变,理论上需要的是亿度以上的高温。
然而,现实中太阳一直在上演核聚变的宇宙大戏,这究竟是如何可能的呢?
这要归功于量子力学中的一个奇特现象:量子隧穿效应——可以理解为,粒子在能量不足的条件下,仍有极小的概率在极短时间内获取巨大的能量,促成核聚变的奇迹。
尽管量子隧穿发生的概率微乎其微,大约十亿年才有一次,但太阳核心那无比巨大的粒子数量足以弥补这一概率。在庞大的数量级面前,小概率事件也变得频繁起来,从而使得大量的粒子能够完成核聚变。
科学估算,太阳每秒钟消耗400万吨的氢物质,转化为巨大的能量——这是爱因斯坦质能方程所揭示的奇迹。
太阳所释放的能量,如洪流般倾泻进广阔无垠的宇宙,但落到地球手中的不过是沧海一粟。形象地说,若太阳在单位时间内释放70万亿焦耳的能量,那么真正抵达地球的仅有3万焦耳,而人类能够利用的更是少之又少,仅有3焦耳。
然而,为何太阳能将1.5亿公里外的地球烘暖,太空却仍旧处于极寒之中?
这就涉及了温度的科学定义。
从日常生活经验来看,温度似乎只是我们对冷暖的感觉。但物理学中的温度,则是指微观粒子运动的激烈程度。任何物质都是由微观粒子构建,而这些粒子永无止境地舞动着,它们的运动激烈程度决定了温度的高低。
这其中还涉及统计学的概念。我们对温度的描述,并非针对单个粒子,因为单个粒子的运动是完全随机的。我们所关注的是大量粒子的平均动能,用以度量温度。
太空,那个近乎真空的环境,微观粒子的数量极其稀少。根据科学测量,每立方米太空中氢原子的数量不足一个。在这样的低密度环境下,微观粒子的运动几乎无法察觉,温度自然也就低得惊人。
太阳辐射在穿越地球与太阳间的虚空时,这些光子几乎不会被稀少的粒子捕获,因此温度也就无法提升。换言之,物质必须吸收太阳能量,才能升温;若无物质存在,温度就失去了意义。我们的地球正因为不断吸收太阳的辐射热量,并且有大气层的庇护,才得以保持温暖和稳定。
有必要一提的是热量传递的三种途径:热传导、热对流和热辐射,这些都是初中物理课上所学的内容。热传导发生在固体间,通过物体内部或接触面传递热量;热对流通过气体或液体的流动传递热量;而热辐射则不通过媒介,直接通过电磁波传递热量,这也是太阳热量抵达地球的方式。
太阳犹如一个巨大的“火球”,我们地球人一直在通过热辐射方式“烤火”,吸收它的热量。这与寒冷天气中我们围火堆取暖是同一原理,区别仅在于热辐射是主要的热量传递方式,而空气流动引起的热对流只占一小部分。
即便没有空气,我们仍会感到温暖——那是因为热辐射。所以,在太空中,你面向太阳的一面会感到温暖,而背对太阳的一面则是严寒。这与在太空中身处地球与太阳之间时的体验相同,你一面可能会被太阳的强烈辐射灼伤,一面则是无尽的寒冷。