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為什麽太陽可以燃燒46億年而不滅?

2024-10-28科學

太陽,大家都說是「生命的搖籃」。這四十六億年來,它一直不停地給地球送光送暖,這才讓地球變得這麽有生氣。那你有沒有想過,太陽怎麽能燒這麽久都不滅呢?

人們很久以前就琢磨,太陽到底是靠啥燒得那麽亮。有段時間,大家都覺得,太陽的燃料說不定就是煤,它能一直燒個不停,無非是因為太陽上的煤多得沒法想象。

但後來大家發現,就算把太陽整個兒當成大煤球,按它的體積來算,煤燒光也就五千來年。可咱們人類的歷史都不止五千年了,所以這想法就被推翻了。這樣一來,太陽到底是怎麽燒的,就成了個讓人琢磨不透的事兒。

到了20世紀,隨著量子力學的不斷進步,科學家們終於搞清楚了太陽的能量是咋來的。簡單來說,太陽的能量是靠它內部的核聚變反應產生的,而這種反套用的「燃料」就是宇宙裏特別多、結構也最簡單的氫。

說起來啊,燃燒這事兒,其實就是東西跟氧氣碰一起,猛地氧化,然後嘩地一下,火光四濺,熱浪滾滾。但說實話,太陽可不是這麽燒起來的。不過呢,咱們為了方便,還是管太陽發光發熱叫「燃燒」。這裏得提醒大家一句,這只是個說法,別太當真,得知道它們實際上不是一回事兒。

科學家們覺得,在太陽的心臟地帶,氫的原子核會一直變魔術似的聚變成氦的原子核。這個過程中,它們會丟一點質素,然後放出好多能量。因為氫原子核說白了就是一個質子,所以這個過程就被大家叫做「質子-質子鏈反應」。

就像圖上畫的那樣,「質子-質子鏈反應」其實挺簡單的,就是三步走。頭一步,倆質子湊一塊兒,變成了一個氘原子核。接下來,這個氘原子核再拉上一個質子,它們倆一合計,就變成了氦-3原子核。最後一步,倆氦-3原子核也不甘寂寞,它們一結合,就成了氦-4原子核。

可問題是,太陽中心那塊反應的地方,差不多占了太陽整個大小的四分之一。按理說,那裏面的任何地方都應該能讓「質子-質子鏈反應」發生。要是這樣的話,太陽中心裏的質子應該很快就全部聚變了,然後釋放出超級多的能量。換句話說,太陽應該就像氫彈那樣,一下子就爆炸了。

很顯然,那樣的事壓根兒就沒出現過,不然的話,太陽咋可能一直燒了46億年還不滅呢?這到底是咋回事呢?其實這事兒能說清楚。

重點其實在於「質子-質子鏈反應」的開頭那一步,就是倆質子得湊一塊兒變成一個氘原子核。可問題是,質子都帶正電,它們之間就像磁鐵同極相斥那樣,有股很大的力量推著。要讓這倆質子能湊一塊兒,它們就得快得跟飛似的,這樣才能沖破那股推力。

溫度嘛,說白了就是微小粒子熱得亂蹦跶的程度。所以,想讓兩個質子撞一塊兒,那溫度可得夠高才行。得多高呢?科學家們說了,起碼得上億攝氏度才行。

可你知道嗎?太陽中心那塊兒的溫度,也就1500萬攝氏度上下,這點熱度壓根兒沒法讓倆質子撞一塊兒。那太陽咋還能一直燒著呢?這事兒啊,科學家們之前也是一頭霧水,糾結了好久,直到後來他們發現了「量子穿隧效應」。

說白了,「量子穿隧效應」就是講,即便能量不夠,那些小小的粒子還是有一點點機會,能穿過按常理根本過不去的障礙。這就像微觀世界裏頭的「穿墻特技」,挺讓人驚奇的。

得說清楚,「量子穿隧效應」這事兒,得靠微觀粒子的「既是波又是粒子」的特性,還有量子力學裏的「能量和時間不確定」的原理來解釋。而且啊,這個效應不光是在理論上說說,實驗裏也已經證實了它的存在。它還有實際用處呢,比如那個能幫我們看清和定位原子的「掃描隧道顯微鏡」,就是靠的「量子穿隧效應」。所以說,這現象是真的有。

換個說法,就是當兩個質子撞到一起,它們就會變成一個「雙質子」。但這個「雙質子」特別不穩定。科學家發現,它幾乎馬上(不到1納秒)就會變回兩個質子,這種情況發生的可能性超過了99.999%。只有在很少很少的情況下,「雙質子」裏的一個質子會因為β衰變變成中子,這樣一來,「雙質子」就變成了由一個質子和一個中子組成的氘原子核。

科學家們覺得,「量子穿隧效應」出現的機率本來就超級小。再加上「雙質子」衰變這個事兒,要想啟動「質子-質子鏈反應」的第一步,那概率簡直就是小得可憐。正因為這樣,太陽才能慢悠悠地用掉自己核心裏的「核燃料」,一直穩穩當當地燒著。

聽了科學家的講解,想必大家都懂了為啥太陽能燒46億年還不滅。不過得說一下,太陽的「能量源」遲早會用完。科學家算了算,大概50億年後,太陽裏面的氫就快用完了,那時候的地球,可就不適合咱們人類住了。

行了,今天咱們就先聊到這兒,感謝大家我們,期待下次咱們再見面!

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