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太陽已經燃燒了幾十億年,為什麽「燃料」還沒用完?還能燒多久?

2024-04-23科學

當我們把視線投向太空,能否想到天體也和人類一樣,有著自己的命運呢?

比如人類所處的太陽系,它中心的那顆恒星——太陽,也有油盡燈枯的一天,也有壽命終結的時刻,而當太陽熄滅的那一刻,地球上將是一片死寂,人類也將不復存在。

目前留給人類的時間,還有多少呢?

太陽還能存在多少年?

不少科學家說太陽還能燃燒50億年,那麽,這是否意味著人類還有最多50億年的壽命呢?實則不然,根據估算,人類的壽命還要打個兩折——沒錯,人類在地球上,至多只能再存在10億年了。為什麽會出現這種狀況呢?

這裏就要從太陽的誕生開始說起了。

作為太陽系中唯一的一顆恒星,太陽品質巨大,其內部溫度甚至高達1500萬攝氏度,壓力相當於3000億個大氣壓,

而早就它這樣高溫高壓環境的,根據天文學家演算推測,太陽大約是在46億年前,由一片巨量的分子雲坍塌而形成的。

起初只是寒冷的星雲,但是由於超新星爆發,這片星雲迅速凝結,越聚越多,大量的氫原子經過擠壓變成氦原子,從而產生了劇烈的核融合,形成了太陽。

如今的太陽,每時每刻都在進行著劇烈的核融合反應,每秒鐘約有6噸左右的氫轉變為幾乎同等品質的氦,太陽就是一個龐大的核融合反應堆,而這些核融合產生的能量,也為我們地球帶來的光和熱。

然而太陽上的氫不是無限的。 當太陽的氫完全燒盡了之後,太陽有可能會先體積膨脹,然後發生爆炸,爆炸中噴發的物質會形成新的星雲。

爆炸之後的太陽核心會經過重力塌陷收縮為白矮星。白矮星是由電子構成的星球,體積會隨著指令的增加而逐漸減少,密度也會越來越大,最後塌陷的白矮星再次爆炸,太陽進一步收縮成自轉速度超快、重力超強的中子星。

其表面將越過現在的地球軌域20%,亮度是現在的3000倍。不過科學家們推算,太陽的壽命約為110億年,而目前的太陽正處在生命周期的壯年時代,確實還可以再燃燒50億年。

人類最後的十億年

太陽還能燃燒50億年,那為什麽說人類只有十億年的歷史了呢?

這是因為從太陽膨脹到最後變為中子星也是一個漫長而緩慢的過程,而 當太陽膨脹時,體積會增加到現在的200倍,那時候地球早就直接被吞沒了。

最近科學家又給出了一組驚人的數據,也許不用等到太陽膨脹,人類就將面臨嚴重的生存危機。 太陽的光度哪怕只提高10%, 地球上的海洋湖泊就會蒸發消失,地表則會引發劇烈的森林大火,地面溫度急劇上升,生命也將遭受滅頂之災。

十億年也許對於我們地球上人類的壽命而言很漫長,可對於龐大的宇宙來說,只是短暫的一瞬間而已。

想想地球的年齡都有46億年,宇宙的年齡更是在137億年上下,相比之下,十億年的時光只不過是宇宙漫長歲月中的一個零頭。況且人類未來還有子孫後代,我們的後代要如何面臨這場危機呢?

物理學家史蒂芬·霍金就主張徹底拋開現在的地球,移居到太陽系的另一個行星上。SpaceX公司的伊隆·馬斯克的火星移民計劃正與此方案相同,該公司計劃在未來50至100年,幫助人類在火星上建立永久的居所。

可以肯定地說,我們將無法親眼目睹太陽膨脹至地球的那一天。但我們依然希望今天的人類做出的努力,將在遙遠的未來幫助地球上的人類安然度過危機。

當然,十億年後,沒準我們人類的科技早已突飛猛進,早已離開地球,去別的星球定居了!這畢竟是超出我們人類想象的一個時間跨度,究竟到時候會發生什麽,我們無從知曉。

透過模仿太陽,人類能得到永恒的清潔能源?

不過眼下人們最急迫的,還是對於能源的需求。有不少科學家就想到了:如果我們能模擬太陽核融合的原理,制作出人工可控的核融合反應,那必將成為未來世界的能量來源,永久解決人類的能源與環境問題。

理論上,核融合只要有幾克氘(重氫)和氚(超重氫)的混合物,這些反應物,就有可能產生一萬億焦耳的能量,足夠是已開發國家的一個人在60年內所需要的能量。

其實這個想法早在二戰末期就已經有科學家開始了相關的實驗研究了。蘇聯、美國、英國都渴望制作出巨型裝置產生可控核融合反應,制造出人工太陽。其中蘇聯科學家在上世紀五十年代,發明了利用磁場來控制核融合反應的環形容器——托卡馬克。

托克馬克采用的是核融合技術,透過設定適當的環境,促使二個輕原子核相互融合產生能量。以目前用來反應的氘氚為例,氘可以從海水中提取,而氚雖然由宇宙射線產生,在自然界中極其細微,但同樣可以從鋰和中子的反應中產生,融合過程產生的放射性產物半衰期頂多只有1200年。

透過重復使用產物,理想中甚至就像醫院的放射性廢棄物一樣處置即可,更別提未來還可能找到更適合的第二代、第三代燃料,廢棄物的放射性還可能更加降低。絕對是一種可再生利用的清潔能源裝置。

托卡馬克的核心是個真空區域,外形有點類似於零食小吃甜甜圈。當要進行融合的時候,科學家們先抽空真空室裏面的空氣和雜質,然後進行充電,裝入可限制、控制電線對的磁體系統,最後匯入氣態燃料。

當這些氣態燃料受到極高溫度和壓力的影響時,內部的粒子就會相互擠壓碰撞,從而產生高溫,如果溫度可以達到攝氏1.5億度到3億度之間,就可以克服自然電磁力所產生的排斥力,從而形成融合反應,釋放出巨大的能量。

中國也於1968年之後,加入到了托卡馬克裝置的研究,並與2003年10月,建立了全世界第一台非圓形截面的全超導托卡馬克,獲得國際業內的一片好評,並稱之為中國的【東方超環】,到了2009年,我們的【東方超環】首次物理放電實驗成功。這標誌著中國的人造太陽正在一步步走向現實。

轉瞬即逝的人造太陽

目前已經有35個國家投入到了可控核融合的研究中來,然而這麽多國家都在研究人造太陽,效果卻始終差強人意。一個大問題就是,我們制造的人造太陽,幾乎都是轉瞬即逝,別說像太陽那樣持續燃燒上億年了,短的甚至連3分鐘都不到,就灰飛煙滅了。

問題到底出在哪呢?這是因為太陽的核融合,會因為在太陽內部產生爆炸後,使得太陽的體積向外膨脹,但由於太陽的品質實在是太大了,強大的品質帶來了巨大的重力,這股重力把太陽的外殼向內拉,結果核反應內部的推力和恒星重力造成的塌陷拉力剛好形成了平衡。

也正是因為這種平衡關系,再加上自身豐富的氫元素,讓太陽雖然內部時刻產生著核融合反應,卻不至於像氫彈那樣一瞬間就爆炸了,反而可以持續不斷地產生光和熱。

而在托卡馬克裝置中,在極大高溫與壓力下,真空區的氣態氫燃料會電分解、游離形成等離子,這些等離子會集中到中央,盡量遠離內部墻壁,且這些超高溫等離子通常在接近內壁前就會迅速消散。

所以很難做到持續性核融合反應。而且托卡馬克的核心裝置中,電漿溫度要升高到約1.6億度,這一溫度遠遠大於了太陽的核心溫度2700萬度,這說明或許在太陽核融合的背後,還有我們人類未知的秘密。

當然在這個領域上,中國科學家經過不斷努力,已經走在了世界的最前列上,就在去年年底,中國科學家在7000萬度的條件下,將人工太陽保持了17分36秒,打破了世界紀錄,也為今後的核融合反應套用打下了堅實的科學和實驗基礎。

雖然目前困難重重,但隨著人類探索腳步的加劇,科技的進步必將使得人造太陽或許不再只是遙不可及的夢想。而中國自古就有後羿射日的傳說,作為炎黃子孫,對於太陽的崇拜和敬仰也是有感而發的。中國人完全有能力,有技術實作我們的人造太陽夢,從而讓我們整個民族傲然屹立在世界的東方!