曾经,人们将太阳想象成一个熊熊燃烧的巨大火球,但随着科学的进步,我们得知太阳其实是一个庞大的氢弹。当然,这个氢弹与我们平常所理解的炸弹完全不同。普通氢弹会立即爆炸,而太阳这个氢弹却在缓慢地、连续地“爆炸”,这个过程已经持续了数十亿年。
尽管太阳释放的能量惊人,但地球所接收到的太阳能量只是其中的一小部分,而人类真正能够利用的则更是微乎其微。假如太阳每秒释放的能量为22亿万亿,那抵达地球的能量却只有区区一万,而最终能够被我们所用的能量更是只有微小的1。
为何太阳可以产生这样庞大的能量呢?这是因为在其核心区域,核聚变在持续不断地发生。核聚变与氢弹爆炸的原理是类似的。那么,是什么让太阳没有像氢弹那样在瞬间爆炸,而是能持续数百万年呢?
想要理解这个现象,我们需要从更基本的层面去分析。首先,什么是核聚变?核聚变就是小的原子核结合成更大的原子核,而与之相对的是核裂变,即大的原子核分裂成小的原子核。在核聚变的过程中,会发生质量的损失,这些损失的质量转化为能量释放出来。
根据爱因斯坦的质能方程,我们得知,即使是极小的质量也能释放出巨大的能量。氢弹的工作原理就是核聚变,其过程通常是氢原子核或其同位素结合形成氦。为了激发核聚变,需要极高的温度,至少要达到数亿度。在如此高温下,核聚变通常通过核裂变反应来获得必要的能量。
然而,太阳的核心温度只有1500万度,远低于核聚变所需的温度。
那么,太阳是如何进行核聚变的呢?答案在于太阳的巨大质量。太阳的质量是地球的33万倍,在太阳系中占比高达99.86%。因此,太阳拥有足够的物质来克服在低温下进行核聚变的难题。
在太阳的核心,物质以等离子态存在,这种状态不同于我们熟悉的气态、液态或固态,更像是一种自由粒子的“汤”。核聚变就是这些自由粒子中的质子相互结合的过程,但质子带有正电荷,会互相排斥。那么,如何克服这种排斥力,让质子发生聚变呢?
自然界中存在四种基本作用力:强力、弱力、电磁力和引力。弱力会改变粒子的种类,引起放射性衰变。在太阳的核心,弱力会促使质子衰变,转化为中子。但是,电磁力(即静电斥力)比弱力要强得多,因此质子发生聚变的概率极低。
理论上,大约每10亿年才有一个质子能与另一个质子结合形成氘核,进而聚变为氦,并释放出巨大的能量。
然而,由于太阳巨大的质量和质子的数量,这种小概率事件在太阳尺度上变得极为常见。同时,因为单个质子聚变的概率极低,太阳的“燃烧”非常缓慢,不会像氢弹那样瞬间爆炸。
太阳的缓慢燃烧是怎样的一个概念呢?太阳的功率大约相当于一个成年人消耗功率的十分之一。因此,太阳之所以能够释放如此巨大的能量,并非因为其核聚变有多剧烈,而是因为其巨大的质量。
此外,弱力对于太阳来说是“恰到好处”的。如果弱力增强,比如增强10%,那么太阳的寿命将缩短约20%。如果弱力继续增强,太阳的寿命会进一步缩短,以至于在人类和生命诞生之前,太阳就可能已经熄灭了。
最后,从量子物理的角度看,太阳之所以能够在低温下进行核聚变,是因为量子隧穿效应。这个效应允许粒子在能量不足的情况下,穿越“能量势垒”,实现远超自身能量极限的事件。尽管这个概率在微观世界中也很低,但在太阳巨大的质量和粒子数量面前,通过量子隧穿实现核聚变的粒子数量就变得相当可观了。