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同样是核聚变,为何氢弹瞬间就炸了,而太阳可以燃烧100亿年?

2024-03-06科学

曾经,人们以为太阳就是一个巨大的「火球」,但如今我们知道太阳并不是火球,而是巨大的「氢弹」。只不过太阳这颗「氢弹」与普通的氢弹有很大不同。核武器氢弹一下就爆炸了,但太阳并不会瞬间爆炸,而是会持续爆炸长达百亿年之久。

太阳释放出来的能量是巨大的,不过地球能接收到的太阳能就很少了,而最终能被人类利用的太阳能就更少了。假设太阳每秒释放的能量是22万亿,那么地球接收的能量就只有一万,而人类能利用的更是只有1。

太阳之所以能释放出如此巨大的能量,就是因为太阳核心一直在进行核聚变,核聚变的原理当然与氢弹是类似的。既然这样,太阳为何没有像氢弹那样瞬间爆炸呢?

要想弄清楚这个问题,我们需要从源头了解。

首先,什么是核聚变?这里的「核」指的就是原子核,而核反应又可以分为两种,分别是核聚变和核裂变,顾名思义,核聚变就是小的原子核融合成质量更大的原子核,而核裂变正好相反。

在核聚变过程中,会有质量损失,损失的质量会以能量形成呈现出来,质量和能量是等价的。

通过爱因斯坦的质能方程可以看出,由于光速是一个很大的数字,因此一小部分质量就可以释放出巨大能量。

氢弹的原理就是核聚变,一般是利用氢或者氢的同位素聚变成更重的元素氦。要想引发核聚变,需要的条件是极高的,至少需要上亿度的高温。为了达到这么高的温度,核聚变需要利用核裂变反应来获取足够高的能量,然后才能引发核聚变。

而太阳的核心温度达到1500万度,远没有达到上亿度的高温,按理说太阳是不能发生核聚变的,但实际上却发生了,这是为什么呢?

简单来讲,因为太阳质量足够大,物质足够多。

太阳质量到底有多大?对比就知道了,地球质量为60万亿亿吨,太阳质量是地球质量的33万倍,自己算下有多大吧。

太阳在太阳系拥有绝对的统治地位,太阳质量占了整个太阳系质量的99.86%!毫不夸张地讲,太阳打个喷嚏,整个太阳系都得跟着感冒。

太阳的核聚变只发生在核心区域,核心的形态是物质的第四形态:等离子态,而不是我们常见的气态,液态或者固态。说白了就像完全摆脱原子核束缚的「粒子粥」一样,各种粒子到处乱串。

刚才讲了,核聚变其实就是质子之间的融合,但是质子带正电,互相排斥。如果想要质子融合,必须克服强大的静电斥力才行。到底是怎么克服的呢?

首先,自然界存在四种基本作用力,分别是强力,弱力,电磁力和引力。而弱力会改变粒子的种类,主要体现在衰变现象,衰变的本质就是弱力在起作用。在太阳核心,弱力会使质子发生衰变成为中子。

不过,静电斥力属于电磁力,弱力相对比电磁力实在太弱了,所以发生聚变的概率实在太低了。理论上分析,大约每10亿年,一个质子才会与其他质子结合成氘核,最终聚变成氦,同时释放出巨大能量。

但是,正是因为太阳质量巨大,质子等微观粒子的数量当然也是极为庞大的,因此即便是极小的概率事件,在如此庞大的质子总数量面前,也会成为大概率事件。

不过也正是因为单个质子聚变的概率极低,或者说弱力实在太弱了,才会造成太阳一直在缓慢燃烧,而不会像氢弹那样瞬间就爆炸了。

太阳的燃烧到底有多慢呢?

具体数值就不提了,通过类比就知道了。太阳燃烧的功率,基本上就相当于成年人单位消耗功率的 十分 之一!

可以看出,太阳之所以能释放出如此巨大的能量,并不是因为太阳核聚变有多么剧烈,本质原因在于太阳质量实在太大了。所谓「大力出奇迹」,或许就是这样的道理。

也就是说,弱力虽然强度很小,但对于太阳来讲则是「刚刚好」,因为如果弱力变强了,比如说变强了10%,那么太阳的寿命就会缩短大约20%。如果继续变强,太阳的寿命就会缩短得更多,人类甚至生命都没有诞生的机会,太阳就熄灭了。

最后提一点,从更深层的角度来讲,太阳之所以在条件不够的情况下,还会发生核聚变,是因为「量子隧穿效应」。

量子隧穿,很多人都应该听说过,通俗来讲,就是微观粒子在自身能量不够的情况下,也能有一定概率穿越「能量势垒」的束缚,完成远超自身能量极限的事件。

何为「能量势垒」,说白了就是「能力的极限值」。打个比方,不管如何努力,你只能跳跃一堵2米高的墙,那么2米就是你的「能量势垒」,理论上分析,无论如何你都不可能跳跃一堵10米高的墙。

但按照量子隧穿效应的诠释,你有一定概率获取极高能量直接「穿墙而过」,只不过这个概率非常低罢了,即便在微观世界发生的概率也很低,而在宏观世界实际上就不可能发生。

但还是那句话,由于太阳质量巨大,几乎拥有无限多的自由粒子,因此最终通过量子隧穿突破「能量势垒」的限制,进而完成核聚变的粒子绝对数量就很多了。

完!