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同樣是核聚變,為何氫彈瞬間就炸了,而太陽可以燃燒100億年?

2024-03-06科學

曾經,人們以為太陽就是一個巨大的「火球」,但如今我們知道太陽並不是火球,而是巨大的「氫彈」。只不過太陽這顆「氫彈」與普通的氫彈有很大不同。核武器氫彈一下就爆炸了,但太陽並不會瞬間爆炸,而是會持續爆炸長達百億年之久。

太陽釋放出來的能量是巨大的,不過地球能接收到的太陽能就很少了,而最終能被人類利用的太陽能就更少了。假設太陽每秒釋放的能量是22萬億,那麽地球接收的能量就只有一萬,而人類能利用的更是只有1。

太陽之所以能釋放出如此巨大的能量,就是因為太陽核心一直在進行核聚變,核聚變的原理當然與氫彈是類似的。既然這樣,太陽為何沒有像氫彈那樣瞬間爆炸呢?

要想弄清楚這個問題,我們需要從源頭了解。

首先,什麽是核聚變?這裏的「核」指的就是原子核,而核反應又可以分為兩種,分別是核聚變和核分裂,顧名思義,核聚變就是小的原子核融合成質素更大的原子核,而核分裂正好相反。

在核聚變過程中,會有質素損失,損失的質素會以能量形成呈現出來,質素和能量是等價的。

透過愛因斯坦的質能方程式可以看出,由於光速是一個很大的數碼,因此一小部份質素就可以釋放出巨大能量。

氫彈的原理就是核聚變,一般是利用氫或者氫的同位素聚變成更重的元素氦。要想引發核聚變,需要的條件是極高的,至少需要上億度的高溫。為了達到這麽高的溫度,核聚變需要利用核分裂反應來獲取足夠高的能量,然後才能引發核聚變。

而太陽的核心溫度達到1500萬度,遠沒有達到上億度的高溫,按理說太陽是不能發生核聚變的,但實際上卻發生了,這是為什麽呢?

簡單來講,因為太陽質素足夠大,物質足夠多。

太陽質素到底有多大?對比就知道了,地球質素為60萬億億噸,太陽質素是地球質素的33萬倍,自己算下有多大吧。

太陽在太陽系擁有絕對的統治地位,太陽質素占了整個太陽系質素的99.86%!毫不誇張地講,太陽打個噴嚏,整個太陽系都得跟著感冒。

太陽的核聚變只發生在核心區域,核心的形態是物質的第四形態:等離子態,而不是我們常見的氣態,液態或者固態。說白了就像完全擺脫原子核束縛的「粒子粥」一樣,各種粒子到處亂串。

剛才講了,核聚變其實就是質子之間的融合,但是質子帶正電,互相排斥。如果想要質子融合,必須克服強大的靜電斥力才行。到底是怎麽克服的呢?

首先,自然界存在四種基本作用力,分別是強力,弱力,電磁力和重力。而弱力會改變粒子的種類,主要體現在衰變現象,衰變的本質就是弱力在起作用。在太陽核心,弱力會使質子發生衰變成為中子。

不過,靜電斥力屬於電磁力,弱力相對比電磁力實在太弱了,所以發生聚變的概率實在太低了。理論上分析,大約每10億年,一個質子才會與其他質子結合成氘核,最終聚變成氦,同時釋放出巨大能量。

但是,正是因為太陽質素巨大,質子等微觀粒子的數量當然也是極為龐大的,因此即便是極小的概率事件,在如此龐大的質子總數量面前,也會成為大概率事件。

不過也正是因為單個質子聚變的概率極低,或者說弱力實在太弱了,才會造成太陽一直在緩慢燃燒,而不會像氫彈那樣瞬間就爆炸了。

太陽的燃燒到底有多慢呢?

具體數值就不提了,透過類比就知道了。太陽燃燒的功率,基本上就相當於成年人單位消耗功率的 十分 之一!

可以看出,太陽之所以能釋放出如此巨大的能量,並不是因為太陽核聚變有多麽劇烈,本質原因在於太陽質素實在太大了。所謂「大力出奇跡」,或許就是這樣的道理。

也就是說,弱力雖然強度很小,但對於太陽來講則是「剛剛好」,因為如果弱力變強了,比如說變強了10%,那麽太陽的壽命就會縮短大約20%。如果繼續變強,太陽的壽命就會縮短得更多,人類甚至生命都沒有誕生的機會,太陽就熄滅了。

最後提一點,從更深層的角度來講,太陽之所以在條件不夠的情況下,還會發生核聚變,是因為「量子穿隧效應」。

量子穿隧,很多人都應該聽說過,通俗來講,就是微觀粒子在自身能量不夠的情況下,也能有一定概率穿越「能量勢壘」的束縛,完成遠超自身能量極限的事件。

何為「能量勢壘」,說白了就是「能力的極限值」。打個比方,不管如何努力,你只能跳躍一堵2米高的墻,那麽2米就是你的「能量勢壘」,理論上分析,無論如何你都不可能跳躍一堵10米高的墻。

但按照量子穿隧效應的詮釋,你有一定概率獲取極高能量直接「穿墻而過」,只不過這個概率非常低罷了,即便在微觀世界發生的概率也很低,而在宏觀世界實際上就不可能發生。

但還是那句話,由於太陽質素巨大,幾乎擁有無限多的自由粒子,因此最終透過量子穿隧突破「能量勢壘」的限制,進而完成核聚變的粒子絕對數量就很多了。

完!