太阳是我们所处恒星系的核心,几十亿年来源源不断地向周围的空间释放巨大的能量,虽然只有极小一部分到达地球,但是这一部分能量对于地球来说却意义重大,它维系着地球的温度逐渐处于宜居水平,使冷却的速度不至于太快,最重要的是在太阳能量的持续输入下,为地球生命的诞生和发展创造了得天独厚的条件。那么,这几十亿年来太阳产生的能量是靠什么来维持的呢?

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在相当长时间内,人们对于物质和能量的认知是割裂开来的,直到爱因斯坦提出狭义相对论,将物质的运动状态与时间和空间有机结合起来,以物质运动为主线统一时间和空间,并在此基础上推导出来著名的质能方程,从而把物质的质量和能量也进行了统一,并提出了它们之间的等效关系:E=m*c^2。这个关系式并不是说物质和能量可以无限制地进行转化,比如多少公斤的物质套用这个公式一定可以转化为多少能量,而多少能量也可以按此原则生成多少物质,它所表达的是物质的质量和能量之间的等效关系,也就是说对应关系,说明的是质量和能量都是物质的基本属性,物质的存在以质量和能量的形式进行体现。在一个封闭系统中,所有物质的质量和能量总和,不因物质的形态、发生变化后的数量、释放或者吸收能量等而发生变化,体现为数值上的总量不变,这就是质能守恒定律。

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说到太阳,其实它的诞生历史,前半段和地球等其他行星是大同小异的,都是靠吸收周围星际物质起家的。只不过,太阳的起步稍早一些、规模更大一些,造成了它后续的影响力更强。太阳在吸收上一任大质量恒星生命晚期以超新星爆发形式释放的大量星际物质的基础上,使得其核心区域的质量越来越大,依靠逐步提升的引力有更多的星际物质加入,形成了“良性循环”。那么,在这么多物质逐渐靠拢达到一定规模后,在核心引力的驱动下,外层星际物质便会在重力作用下发生坍缩,在坍缩过程中,星际物质之间的相互碰撞和摩擦、重力势能的降低带来能量的转化,都会持续提升核心区的温度,同时压力也不断地上升。

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根据科学家们的判断,当这个核心区的温度达到1000万摄氏度时,便可激发氢的核聚变反应,恒星就此登上历史舞台。但是按道理来说,这个温度还不足以突破质子发生核聚变的程度,这里就有一个能够突破原子间库仑力的“快捷通道”,那就是量子隧穿效应,也就是说在时间不确定度很小致使能量不确定度突然增大的情况下,质子就会能够在“较低”的温度下,质子也会有一定几率突破库仑力的阻挡进入其它原子核的内部,从而推动能量的提升达到核聚变的条件。这个量子隧穿效应可以看作是太阳内部核聚变的催化剂,使其在较低的“临界条件”下能够发生原本很难做到的事,同时也使太阳内核的温度不至于过高,从而使核聚变的反应不至于失控。

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简单地描述太阳内部的核聚变过程,其实主要包含两种不同的途径,一个是氢核聚变,另一个是碳氮氧聚变,其中氢核聚变所释放的能量占据了产生总能量的80%以上。以氢核聚变为例,主要过程就是四年氢原子核,通过质子-质子链式反应,最终聚变为一个氦原子核,同时释放出伽马射线、中微子、自由电子,在此过程中,按照质能守恒定律,系统中总质量发生一定程度的亏损,那么对应地也产生了具有非常高性价比的能量。

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在太阳内部核反应时,其在诞生之初所吸聚大量的轻元素,特别是氢原子,为氢氦聚变提供了非常稳固的后盾。根据科学家们的推测,太阳内部质子-质子链反应每秒中产生了9.2*10^37次,需要消耗6.2*10^11千克的氢原子,在转化为氦原子后,每秒的质量亏损大约在420万吨左右,而氢的消耗量在6亿吨左右。

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由于太阳的总质量非常庞大,达到2*10^30千克,而氢的占比约在3/4以上,因此即使50亿年漫长的核聚变历程,其损失的质量也仅是太阳的九牛一毛,但对于氢来说,再过50亿年就可能会被耗尽,届时太阳会发生氦闪,向外的辐射压迅速提升,推动体积逐渐膨胀,形成红巨星,那时太阳就进入了生命的尾声,最后经过红巨星的阶段再坍缩形成白矮星。

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通过以上我们对太阳内部核聚变过程的简单分析,可以看出能够维持核聚变顺利进行的基本保障,就是物质的历史积累,特别是氢原子的持续贡献,这个过程恰恰说明了质量和能量的统一。

依靠太阳内部的核聚变,一开始形成的伽马光子,在内核高密度、高压力的环境下,其自由路程非常短,仅有纳米或者毫米级别,然后就会被其它物质所吸收,为其它物质提高内能,也就是能量的一部分转化为其它链式反应注入了“活力”,然后随着自由电子能级的回落,再释放出光子,光子于是在这种反复振荡的过程中,一方面在漫无边际地游走,可能几万年才能到达太阳表面;

另一方面在反复振荡过程中,所携带的能量逐渐降低,从一开始的伽马射线,到X射线,再到紫外线、可见光和红外线,根据从太阳内核到表面的路程长短,最终释放出来的光子种类也发生不同变化,因此我们在地球上接收到的光线,最终是各种不同光子组成的复合光线,就是这个道理。