解读恒星内部核聚变的本质，隐藏着两大深刻宇宙奥秘！

宇宙中最基本的物质单元，构成了成员队伍最庞大的一种单个天体——恒星。对于其中的动力机制之奥秘所在，也是让人类疑惑了很久。今天我们就说下，量子隧穿效应和霍伊尔态是如何让恒星内核聚变持续进行下去的？

走进原子核

先看一看我们日常熟悉的各种能源吧！氢气、石油、煤炭，以及碳氢化合物，它们的能量都储藏在它们分子内部、原子之间的化学键里。在氧气和一定温度的辅助下，这些物质内的原子很乐意重新组织它们之间的关系，转变为更加稳定的分子结构。在这个重组过程中，它们会释放出能量。但是，在这种释能方式中，平均每个原子贡献出的能量只有几个电子伏。其实，所有种类的化学反应都是如此，常见燃料的例子只是其中之一。

让我们深入原子的内部，透过在原子外层不断运行着的电子，我们能遇到原子核——除氢核外，它都是质子和中子的联合体。虽然将一个电子绑定于一个原子核的过程只能释放几个电子伏的能量，但将一个质子或一个中子绑定进一个原有的原子核（甚至是绑定进只有一个单独的质子的氢核）的过程可以释放出的能量多达几百万电子伏！这种将质子和中子整合成一个原子核的力量叫作“强核力”，它可以让这些微小粒子之间的结合过程输出巨大的能量。

不难想象，如果恒星以这种方式作为能量来源，那么它的释能效率将比使用常见的基于化学反应的燃料高出几百万倍，所以，太阳的寿命也可以比开尔文基于常用燃料给出的估计值长几百万倍。

量子隧穿效应打破氘瓶颈

稳恒态宇宙学家霍伊尔在1957年会同两位科学家（Geoffrey Burbidge和 Margaret Burbidge）以及福勒(Willie Fowler）（这四人合起来简称B²FH）率先发表了一篇激动人心的论文，详细论述了核聚变反应是如何在恒星的内核里发生的。

在一颗质量足够大（指大于太阳质量的8%）的恒星的内部，如果密度和温度超过一个特定的阈值，氢原子核內的质子就会融合在一起，首先变成氘，然后很快变成氦-3，进而是氦-4。每个氦-4核的诞生，都将带来2800万电子伏的能量，这个数字相当可观。这种出现在恒星核心部分的核聚变释能反应不仅可以解释太阳的发光能力，还可以解释所有主序恒星的能量来源。

在一颗像太阳这样的恒星的核心里，温度高达大约1500万度，而且由于重力的挤压作用极强，星核中的等离子体的密度会高到地球上固体铅的13倍。以太阳的质量来算，它总共含有惊人的10^57颗质子，在任意时刻，其中都有接近 10% 的质子位于太阳的核心部分。在巨大的压强和极高的温度下，位于日核的质子都具有很高的动能，其移动速率已高到适合以光速的百分数来表示。因此，这些质子之间（以及与其他原子核）发生撞击的频率也极高，每颗质子每秒钟要与其他粒子发生相互作用达数十亿次。

通过这些狂暴的碰撞和剧烈的作用，可以尝试计算有多少质子获得了足够的能量以启动核反应链条的第一个环节，即形成氘核。不过，计算的结果是：绝对为零。质子们在太阳核心中猛碰归猛碰，但没有谁能升级为更重的原子核，这意味着那里的温度和密度尚不足以打通整个核聚变。那么核反应到底要怎么才能发生呢？这离不开量子力学现象的辅助。

恒星核心部分的质子携带的能量不足以胜过因其自身电荷而产生的斥力，但由于有“量子隧穿”(quantum tunneling）效应的存在，这些质子仍有一定概率形成更加稳定的结合状态，从而释放出核能。尽管两个质子之间发生量子隧穿现象的概率很小，在这种情况下约为10^28分之1。

但考虑到太阳内部粒子相互作用之频繁和持续，每秒仍有天文数字的4×10^38个质子变成氦核。这个需要用量子力学来解释的核能释放过程，正是宇宙中所有主序星的能量之源。

那些质量非常小的恒星，其允许发生核聚变反应的核心区域的体积也较小，因此核融合的步调也比较慢，导致恒星温度相对较低、颜色偏红、发光能力也比较弱。而如果恒星的质量较大，那么其核心的体积也会比较大，其温度和密度都更高，核聚变事件在其间发生得也就更为频繁。恒星质量越大，被反应掉的氢核也就越多，星体也就越热、越蓝、越亮。所以我们看到的自身发光能力很强的恒星都是蓝色星。

但还有一个规律或许与我们的直觉不符：越是大质量的明亮蓝星，其寿命也就越短。其道理在于，如果一颗恒星的质量是另一颗的2倍，那么它拥有的氢就也是后者的2倍，但它的内核中消耗氢的速度大约是后者的8倍。也就是说，如果某恒星的质量10倍于参考星，那么它耗尽自己的氢元素所需的时间就是后者的1000分之1。在很大的时间尺度（数百亿年）上说，反应生成的氦会通过对流逐渐移向恒星表面，而那些还未参与反应的氢也会在对流中逐渐靠近恒星核心，所以足够长寿的恒星是可以完全耗尽自己的氢的。

但如果恒星的质量不是很小（包括太阳这样的恒星），那么只要它核心区域的氢被用完，它就会结束自己的主序星生涯。而这一思想灵感，也让霍伊尔一方做出了一个宏大的预言。

霍伊尔态——三α过程，为创造重元素提供可能

正在消耗着氢的恒星之所以不会在自身重力的作用下坍缩，其原因仅在于恒星核心区域的核聚变反应会产生巨大的、向外的压力。然而这个过程只能创造出氦，若以“创造出地球上天然存在的所有元素种类”为标准来看，理论还不完整。霍伊尔认为，恒星内部还有着创造更重的诸种元素的过程。

以消耗氢的恒星核心所表现的温度和密度来看，没有理由认为它能创造出比氦-4更重的原子核：氦-4之所以不能再接纳一个质子，是因为含有5个重子的原子核并不稳定，而两个氦-4 核之间也不能结合，因为含8个重子的原子核同样不稳定，所有这种质量相对数为8的原子核，纵然能形成，也都会瞬间衰变回两个氦-4 核。而当星核内的氢消耗殆尽之后，向外的辐射压会立刻降低，星核就会在重力之下突然开始向其中心坍缩。

在像恒星核心这样的以高密度聚集着海量粒子的地方，单是粒子之间的引力场中就储存着许多能量。在恒星坍缩过程中，除非坍缩速度极慢，而且同时又有释放能量的有效通道，不然粒子内部的温度和能量都只能不断升高，最后到达一个惊人的水平——这与柴油机的工作原理有些相似：当柴油被快速压缩时，猛增的温度将使其燃烧。氦-4的承压到达特定阀值之后，也会突然产生反应，但不是起火，而是聚合为铍-8！当然铍-8这种同位素也不稳定，它会在仅约10”秒之后衰变回两个氦-4。可是，霍伊尔非常看重铍-8 的出现揭示出的意义，他认为铍-8的维持时间很短仅仅属于次要问题。

我们已知，核聚变能够通过量子隧穿效应，高效地释放出巨大的能量，这离不开一点：其反应生成物的总质量小于反应参与物的总质量，而且这个差值是可以测出来的。氢可以聚变为氦-4，氦-4的质量（通过著名的E=mc^2）可以等效为2800万电子伏的能量，而四个氢核的总等效能量必然大于这个数。反观铍-8，它的质量几乎与两个氦-4核的总质量相等，总等效能量差还不足10万电子伏，所以新生成的铍-8核并不具有很旺盛的生命力，从而会几乎立刻变回两个氨-4。

不过霍伊尔仍然不愿放弃这一点，因为如果能让三个氦-4核足够快速地结合在一起，我们在理论上得到就不是铍-8，而是碳-12了，这可是一种相当稳定的原子核。为了跨越这个理论障碍，霍伊尔赌上了他的全部学术声誉，做出了他最具震撼力的科学预言。

就像原子有其激发态和基态那样，原子核也有自己的激发态和基态。原子的激发态是不稳定的，其电子暂时处于较高的能级，最后会落回到较低的能量状态上，并放出一个光子；原子核处于激发态时的能量谱也是较高和不稳定的，而基态的能量谱是最低的且稳定的。而“激发态的原子”与“激发态的原子核”之间的最大不同，在于后者在能量上与前者有明显的差异，通过质能方程将这个能量差异转换为质量差异之后，它是可以被测量出来的。

将三个氦-4 核结合起来，并不会得到一个碳-12核，因为二者之间的质量差异实在太明显了，后者显著偏小。不过，霍伊尔提出，如果碳-12核有一种激发态，其能量跟三个氦-4 核的总能量接近的话，那么恒星即便是在耗尽其核心的氢元素之后，也可以继续其核聚变反应。他推断道，鉴于碳-12原子是构建地球上和恒星世界里许多更重的元素的基石，它的这种激发态一定是存在的，而且其质量一定等同于氦-4的三倍！

这一假定存在的状态被称作“霍伊尔态”，它在理论上的形成过程则被称作“三阿尔法过程”（triple-alpha

process），因为氦-4 核也叫“阿尔法粒子”，是某些放射性衰变的产物之一。1952年，霍伊尔将这一猜测告诉了合作者福勒，后者听了认为这一状态确实应该存在，只是一直被核物理学家们忽略了。经过五年的研究，霍伊尔态的碳-12于1957年被发现，其能量水平也被证实完全可能在大质量恒星的核心里通过消耗氢而产生！这一突破性进展，为人们照亮了宇宙中各种重元素的生成之路。