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同样是核聚变,为何氢弹炸的渣都不剩,太阳却能燃烧100亿年?

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一直以来,太阳为什么可以持续燃烧都是让科学家们头疼的问题。在100年前,学术圈就流传着很多关于太阳燃烧机制的说法。其中,有一个说法很符合那个时代的气质。

当时正在开启第二次工业革命,煤炭和石油成为了人类常用的能量来源。于是,就有人认为太阳是烧煤的



当时还真的有较真的人去算过,结果呢?这个人计算后得到的结果是太阳只能燃烧几千年,还没有人类文明史的时间长。因此,这个说法是错误的。那太阳到底是如何燃烧的呢?又为何可以持续燃烧这么长时间?

今天,我们就来聊一聊这个话题。




核聚变反应

如今,我们都知道太阳的燃烧是利用核聚变反应。但是同样是核聚变,氢弹就会一下子全炸了,而太阳持续稳定地燃烧,这说明太阳和氢弹之间还是有区别的,那这个区别是什么呢?



实际上,无论是氢弹还是太阳燃烧,核聚变反应的条件都是很苛刻的。就拿氢弹来说,氢弹的反应原理是氢原子核的核聚变反应,生成氦原子核,同时损失一部分质量,这部分质量以能量的形式释放出来。



但是要促发氢核聚变并不容易,至少需要一亿度。如果用常规的手段根本达不到这个温度。于是,我们要引爆一颗氢弹之前,都会先引爆一颗原子弹。原子弹的爆炸会提供氢核聚变所需要温度。这样,氢弹才会被引爆。



那太阳是如何被点燃的呢?

我们可以先来下一个结论,太阳核能够被点燃其实和“弱相互作用”有关。那具体是咋回事呢?

上世纪,科学家就发现宇宙中一共存在着四种作用,分别是强相互作用、弱相互作用、引力和电磁力



其中,引力和电磁力是我们非常熟悉的了,在我们的世界里,不是引力就是电磁力。而强相互作用和弱相互作用是原子核层面的作用力,因此,我们也称之为强核力弱核力

强核力其实就是把夸克束缚在质子和中子内的一种作用力,除此之外,它能把质子和中子束缚在原子核内。

而弱核力实际上和原子的衰变有关,也就是说,它可以改变粒子的种类。比如,β衰变。其中有一种叫做负β衰变的,就是将原子核内的一个中子转变成质子,同时还会释放一个电子和一个反电子中微子。



所以,正β衰变其实就是把原子核内的质子转变为中子,同时还会释放一个正电子和一个电子中微子。那这和太阳的核聚变有什么关系呢?

太阳的核聚变反应主要发生在核心区域,由于引力的原因,太阳内核的温度达到了1500万度,压强达到了200多万个大气压。



虽然已经很可怕了,但距离核聚变的反应条件还是要差一些。原本太阳的核聚变反应应该是点不亮的。但问题就出在了太阳内核的物质状态上,它既不是固态、也不是液态,更不是气态。实际上,太阳内核是等离子态。那这是一种什么状态呢?



由于温度极高,电子可以获得足够的能量,因此,电子脱离了原子核的束缚,这时候太阳的内核就好像一锅粒子粥,里面一堆的粒子在乱串,有电子,原子核,光子等等。



那这就加大了原子核之间的碰撞概率。虽然如此,但由于温度不够高,还是不能快速引燃太阳。但在微观世界中存在着一种量子效应,这个效应被我们称为隧穿效应。原本,在宏观世界当中,你要做成一件事是需要输入足够多能量的。但是在微观世界中,即使能量不足以引发反应,也有一定的概率发生。



于是,原子核之间就有一定的概率发生核聚变反应,而与此同时,还需要之前说到的弱力协助,弱力需要把质子转化为中子,这样就可以让四个氢原子核在一系列的反应中生成一个氦原子核,其中氦原子核内是2个质子和2个中子,这说明有2个质子在弱力的作用下转化为了中子。



不过,在一个系列反应过程中,第一步是最难的,引发这步反应的概率大概是一对质子在10亿年才能发生一次这样的反应。由于太阳足够大,占据了太阳系99.86%的质量,因此,粒子数足够多,才使得反应可以进行,但进行的非常缓慢,并不会像氢弹那样一下全炸了



太阳内核的氢核聚变大概可以持续100亿年左右。



因此,太阳没有一下子全炸了其实和弱力有很大关系,如果没有弱力,这个反应是不可能进行下去的

宏观视角

你很容易发现,上述的内容其实都是从微观视角的看待太阳的核聚变反应的。实际上,太阳的燃烧机制也正是一群粒子物理学家们搞清楚的。那是不是可以从宏观世界来看呢?

实际上,也是可以的。在天文学界有句行话叫做:质量为王。一个天体的质量决定了它最后的演化路径。那具体是咋回事呢?

我们以太阳为例,在45亿年前,太阳系附近的位置,有一片长达2光年的分子云,后来发生了引力坍缩,在引力作用下逐渐形成了太阳。



但我们要知道的是,如果只有引力,太阳会最终压成一个点,而太阳之所以可以维持形态,主要的原因就是在发生核聚变反应,这个反应提供了一个向外的压力。

于是,我们可以太阳看成是处于一个引力和核聚变产生向外压力的平衡点。如果引力占据了上风,这时候就会压缩核心,核心的温度就会升高,核聚变反应就会加剧,这样产生的对外压力就会变大,以此来抗衡引力。

同样的如果核聚变反应太过剧烈,这时候向外压力占据了上风,内核就会稍微变大一点,温度就会降低,反应就不会那么剧烈了,那对外的压力就会降低,重新和引力形成动态的平衡。所以,说到底这是引力和对外压力博弈的结果。而天体的引力其实和自身的质量有关,所以,我们才会说,质量决定了恒星演化的命运。



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