太阳只是单纯的核聚变吗

对于一个生活在18世纪的科学家来说，最有可能将太阳的工作原理与壁炉里的木头进行对比。当像木头之类的东西燃烧时，它会与空气中的氧气发生反应，从而以热和光的形式产生能量。当一根木头燃烧时，每个原子会释放出大约10^-19焦的能量。但是，这种燃烧可能是太阳光的机制吗？

我们已经很好地理解了太阳地质量，因为它可以使用地球和其他行星的轨道以及牛顿的万有引力定律来计算。基于此，我们可以计算出太阳的质量约为2x10^30kg，这相当于大约10^57个原子。太阳释放出大量能量，如果地球上每个人都打开100万个100的灯泡，它仍然比太阳的光度小100 亿倍。太阳实际上每秒产生大约3.84x10^26焦的能量，于是我们利用太阳上原子的数量来计算它会继续产生这种能量多久，最终算出它可以持续燃烧20000年。

因此，这种燃烧不可能是太阳亮度的机制，因为按照这个速度，它早就烧完了。陨石是太阳最初形成的残余物，我们从陨石的放射性测年得知，太阳的年龄至少有45亿年。那么是什么让太阳在如此高的能量下发光这么长时间呢？这种能量从哪里来？

能量来源

它来自你可能熟悉的一个小方程：E=mc^2。这个来自爱因斯坦狭义相对论的方程，告诉我们能量和质量是等价的，一点点质量就等于大量的能量。那么，根据太阳的质量，它可以释放多少能量呢？在这些计算中要小心，因为太阳并没有将它所有的质量转化为能量。在称为聚变的过程中，它只转换了大约 0.7%质量。使用这个过程，我们可以计算得知太阳将持续大约100 亿年。

请记住，聚变不像原子结合在一起形成分子的化学过程，而是通过改变质子数将一个元素转化为另一个元素。一般来说，这不是我们在地球上可以观察到的过程，因为它需要极端的压力和温度。由于构成四个氢原子核的质子带正电，它们会互相排斥，这可以防止原子自发聚变。为了聚变质子必须克服能垒，一旦它们越过这个障碍，强力就会接管并将它们粘合在一起。强力比电磁力强约100倍，但它的作用距离很短，大约是一个质子的宽度。

量子隧穿

那么质子如何接近到足以发生这种情况呢？在像太阳这样的恒星中，有几个因素可以让这种合并发生。首先，大约1500万摄氏度的极端高温将原子分解成它们的组成部分；其次，巨大的压力迫使这些组件彼此靠近。但要让聚变发生下去，太阳还有另外一个重要的技巧，这个技巧被称为量子隧穿。

根据科学家的力量计算，如果单靠它的温度和压力，那么太阳核聚变的效率是非常低的，只有少数的质子才有足够的能量越过势垒。但是，有了量子隧穿效应，它可以直接穿过库仑势垒，就好像它不存在一样。量子隧穿显着提高了太阳聚变的可持续性。

聚变过程

在氢氦聚变的过程中，首先是两个质子聚变。通常，它会立即再次分裂，但有时其中一个质子会转变成中子，这是由称为β衰变的过程中的弱核力引起的。质子通过发射一个正电子和一个中微子变成一个中子，由此产生的质子-中子对是氘，它是氢的同位素。

当β衰变发射的正电子遇到它的反粒子（电子）时，这对电子湮灭形成伽马射线，这是光子中能量最高的形式。伽马射线最终从太阳核心以阳光的形式进入太空。但这只是阳光的一小部分，氘核还可以聚变形成氦核(He-4) ，或者它可以与其他质子反应形成另一种氦同位素（He-3）。两个 He-3原子核可以融合形成不稳定的铍 (Be-6) 原子核，然后分解产生He-4和两个质子。这里的每一个步骤都释放能量。

质量来源

此时，您可能会问，能量从何而来？这就是爱因斯坦质能方程出现的地方，质量变成能量。如果我们看一下4个氢原子的原子量，我们会注意到它等于 4.032，而氦原子的原子量为 4.0026。也就是说，四个氢原子的质量比一个氦原子略大：差异约为0.0294或约0.7%。而这个微小的差异几乎是你看到的来自太阳的所有能量的原因，这是我们在大多数教程中听到的解释范围。

事实上，我们对此还能解释得更深入一点。我们知道能量来自于质量的减少，但是这种质量减少是从哪里来的呢？一个质子的质量为938.3MeV，一个中子的质量是 939.6MeV。由于氦-4由两个质子和两个中子组成，如果将它们加在一起，总质量为3755.8MeV。但实际上，氦-4的测量质量实际上是3728.41 MeV，存在27.48MeV的差异。

首先了解质量的来源，大多数质量不是来自希格斯场，只有大约1%的质量是由希格斯场引起的。质子和中子由3个夸克组成，例如质子有两个上夸克和一个下夸克。希格斯场赋予这些夸克质量，但如果把这些夸克的质量相加，得到总的质量也才9.1MeV，是质子实际质量的1%左右。

还使多个核子之间紧密相连。当你想把氦-4中的核子分离开来，你需要投入能量来克服强力。与之相反，核子聚在一起则释放能量。