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太阳每秒燃烧420万吨物质,烧了46亿年,为什么还没烧完?

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  地球上的主要能量来自于太阳辐射,植物可以通过光合作用把太阳辐射的能量固定下来,然后通过食物链扩散到整个生态系统,被其他的生物所利用。

  

  但是太阳的能量只有极其微小的一部分被地球所用,而人类对于太阳辐射的使用效率也是相当低。太阳在单位时间内向外辐射的能量只有22亿分之一被地球所接收。而被地球接收的这部分能量,也只有万分之一左右最终为人类所用。换言之,人类对于太阳能的使用率只有22万亿分之一。

  

  所以说,太阳所释放的能量是十分巨大的,而这一切都要依靠太阳内核的核聚变反应。这个核聚变反应每秒钟要烧掉420万吨的物质。而太阳已经诞生了46亿年,粗略的估算已经烧掉了6*10^23吨(6千万亿亿吨)的物质。那么问题来了,烧了这么久,为什么太阳还没有消耗殆尽?

太阳的核聚变反应

  要了解这个问题,我们首先要先搞清楚太阳的核聚变反应。

  所谓“核聚变反应”就是原子核的融合,因此也被叫核融合。在融合的过程中,反应前后的质量会有亏损,这部分质量到底去哪了呢?

  

  爱因斯坦曾经在1905年提出了著名的质能等价理论,这个理论告诉我们“质量”和“能量”是一回事,是一个物体的两个面,因此也被说是“一体两面”,质量就是能量,或者说质量里有能量;能量就是质量,能量里有质量。

  

  在核聚变反应后,这些“亏损”的质量实际上并没有消失,而是以能量的形式释放出来,其中它们的对应关系就是E=mc^2,其中E是释放的能量,m是“亏损”的质量,c是光速3*10^9m/s。因此,即便是“亏损”的质量再少,乘以“光速的平方”,结果也是十分巨大的,所以释放的能量会超级大。

  

  而太阳是主要是由氢和氦元素构成的,其中氢原子核的核聚变反应的门槛要比氦元素的低。因此,太阳是依靠的“氢原子核”的核聚变反应。那这个过程是怎么样的呢?

  首先,太阳的质量达到了整个太阳系总质量的99.86%以上,太阳由于自身引力巨大,会挤压自身内核,使得内核的温度升高,最终这个温度会飙到1500多万度。

  

  在这个温度下,物质不再是常见的“气态、固态和液态”,而是等离子态。说白了就是构成物质的原子都被热“碎”,电子获得了足够高的能量,摆脱了原子核的束缚。所以太阳是一个完全由原子核(或者说是离子),电子,光子等粒子构成的。

  

  在这样的状态下,氢原子核按道理说是没办法发生反应的。这是因为要促发氢原子核发生核聚变反应的条件是上亿度的高温。这是因为氢原子核是带正电的,同种电荷会相互排斥,不容易发生融合,概率大概是一对氢原子核十万亿年才能发生一次反应。

  好在构成太阳的粒子数足够多,即便是再低的概率,在太阳巨大的基数面前,也必然会发生,这才使得太阳可以进行氢原子核的核聚变反应。

  

  在这个反应过程中,参与反应的物质在反应前后会“亏损"0.7%的质量,这部分质量会以能量的形式释放出来。这样算下来,太阳每秒就会消耗420万吨的质量,但这仅仅占据了参与反应的物质总质量的0.7%而已。太阳诞生了46亿年,消耗的质量就是6*10^23吨,而地球的质量只有5.965×10^21吨,这意味着已经消耗掉了10个地球的质量。

  

  不过,相对于太阳而言,这个质量还是微乎其微的,太阳的总质量达到1.9891*10^27吨。“亏损”的质量只占据了太阳总质量的0.03%,也就是万分之三。所以,太阳距离消耗完还早得很。

  那问题来了,有朝一日太阳会把自己消耗完吗?

恒星会被烧完吗?

  答案显然是否定的,没有任何的天体都会能够把自身的质量完全转化成能量。核聚变反应的转化效率是有限的,除非能造出一个“反物质构成的恒星”,然后让两者湮灭,这类似于拿正电子和电子湮灭。总而言之,只要是通过核聚变反应,就不可能完全实现从“质量”到“能量”的完全转化。

  

  就拿太阳来说,当内核的氢元素烧完后,会留下大量的氦元素。氦元素会因为太阳内核引力的挤压而发生核聚变反应,然后生成氧和碳。这也就是太阳的终点,它会停在这个阶段,最终形成一颗白矮星,然后慢慢变凉。

  

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