当前位置: 华文世界 > 科学

为什么太阳可以燃烧46亿年而不灭?

2024-10-28科学

太阳,大家都说是「生命的摇篮」。这四十六亿年来,它一直不停地给地球送光送暖,这才让地球变得这么有生气。那你有没有想过,太阳怎么能烧这么久都不灭呢?

人们很久以前就琢磨,太阳到底是靠啥烧得那么亮。有段时间,大家都觉得,太阳的燃料说不定就是煤,它能一直烧个不停,无非是因为太阳上的煤多得没法想象。

但后来大家发现,就算把太阳整个儿当成大煤球,按它的体积来算,煤烧光也就五千来年。可咱们人类的历史都不止五千年了,所以这想法就被推翻了。这样一来,太阳到底是怎么烧的,就成了个让人琢磨不透的事儿。

到了20世纪,随着量子力学的不断进步,科学家们终于搞清楚了太阳的能量是咋来的。简单来说,太阳的能量是靠它内部的核聚变反应产生的,而这种反应用的「燃料」就是宇宙里特别多、结构也最简单的氢。

说起来啊,燃烧这事儿,其实就是东西跟氧气碰一起,猛地氧化,然后哗地一下,火光四溅,热浪滚滚。但说实话,太阳可不是这么烧起来的。不过呢,咱们为了方便,还是管太阳发光发热叫「燃烧」。这里得提醒大家一句,这只是个说法,别太当真,得知道它们实际上不是一回事儿。

科学家们觉得,在太阳的心脏地带,氢的原子核会一直变魔术似的聚变成氦的原子核。这个过程中,它们会丢一点质量,然后放出好多能量。因为氢原子核说白了就是一个质子,所以这个过程就被大家叫做「质子-质子链反应」。

就像图上画的那样,「质子-质子链反应」其实挺简单的,就是三步走。头一步,俩质子凑一块儿,变成了一个氘原子核。接下来,这个氘原子核再拉上一个质子,它们俩一合计,就变成了氦-3原子核。最后一步,俩氦-3原子核也不甘寂寞,它们一结合,就成了氦-4原子核。

可问题是,太阳中心那块反应的地方,差不多占了太阳整个大小的四分之一。按理说,那里面的任何地方都应该能让「质子-质子链反应」发生。要是这样的话,太阳中心里的质子应该很快就全部聚变了,然后释放出超级多的能量。换句话说,太阳应该就像氢弹那样,一下子就爆炸了。

很显然,那样的事压根儿就没出现过,不然的话,太阳咋可能一直烧了46亿年还不灭呢?这到底是咋回事呢?其实这事儿能说清楚。

重点其实在于「质子-质子链反应」的开头那一步,就是俩质子得凑一块儿变成一个氘原子核。可问题是,质子都带正电,它们之间就像磁铁同极相斥那样,有股很大的力量推着。要让这俩质子能凑一块儿,它们就得快得跟飞似的,这样才能冲破那股推力。

温度嘛,说白了就是微小粒子热得乱蹦跶的程度。所以,想让两个质子撞一块儿,那温度可得够高才行。得多高呢?科学家们说了,起码得上亿摄氏度才行。

可你知道吗?太阳中心那块儿的温度,也就1500万摄氏度上下,这点热度压根儿没法让俩质子撞一块儿。那太阳咋还能一直烧着呢?这事儿啊,科学家们之前也是一头雾水,纠结了好久,直到后来他们发现了「量子隧穿效应」。

说白了,「量子隧穿效应」就是讲,即便能量不够,那些小小的粒子还是有一点点机会,能穿过按常理根本过不去的障碍。这就像微观世界里头的「穿墙特技」,挺让人惊奇的。

得说清楚,「量子隧穿效应」这事儿,得靠微观粒子的「既是波又是粒子」的特性,还有量子力学里的「能量和时间不确定」的原理来解释。而且啊,这个效应不光是在理论上说说,实验里也已经证实了它的存在。它还有实际用处呢,比如那个能帮我们看清和定位原子的「扫描隧道显微镜」,就是靠的「量子隧穿效应」。所以说,这现象是真的有。

换个说法,就是当两个质子撞到一起,它们就会变成一个「双质子」。但这个「双质子」特别不稳定。科学家发现,它几乎马上(不到1纳秒)就会变回两个质子,这种情况发生的可能性超过了99.999%。只有在很少很少的情况下,「双质子」里的一个质子会因为β衰变变成中子,这样一来,「双质子」就变成了由一个质子和一个中子组成的氘原子核。

科学家们觉得,「量子隧穿效应」出现的几率本来就超级小。再加上「双质子」衰变这个事儿,要想启动「质子-质子链反应」的第一步,那概率简直就是小得可怜。正因为这样,太阳才能慢悠悠地用掉自己核心里的「核燃料」,一直稳稳当当地烧着。

听了科学家的讲解,想必大家都懂了为啥太阳能烧46亿年还不灭。不过得说一下,太阳的「能量源」迟早会用完。科学家算了算,大概50亿年后,太阳里面的氢就快用完了,那时候的地球,可就不适合咱们人类住了。

行了,今天咱们就先聊到这儿,感谢大家我们,期待下次咱们再见面!

(文中有些图片是从网上找的,要是侵犯了谁的权益,请联系作者进行删除)