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太陽用了什麼燃料?為什麼燒了幾十億年還沒燒完?

過去的研究表明,太陽誕生于大約46億年前,這就令人感到好奇,太陽究竟用了什麼燃料?為什麼燒了幾十億年還沒燒完呢?

太陽用的燃料其實就是氫元素,這是宇宙中豐度最高,也最簡單的元素,不過太陽對氫元素的「使用方法」并不是將氫元素直接點燃,而是在其高溫高壓的核心,通過一系列的核聚變反應,由于氫原子核其實就是質子,因此這也被稱為「質子-質子鏈反應」。

「質子-質子鏈反應」可以簡單地分為三個步驟,第一步:兩個質子結合,然后其中的一個質子發生β衰變轉變成中子,并與另一個質子結合成氘原子核;第二步:氘原子核和質子結合,形成氦-3原子核;第三步:兩個氦-3原子核結合后釋放出兩個質子,形成氦-4原子核。

這一系列的核聚變反應可以釋放出蘊含在氫原子核中的能量,而太陽的光和熱其實就是來自于此。

由此可見,盡管太陽看上去很像是一個熊熊燃燒的火球,但太陽其實并沒有燃燒,因為太陽的能量來自核聚變反應,而我們常見的燃燒現象,卻是一種放熱發光的化學反應,這兩者存在著本質上的區別。不過為了方便描述,我們還是可以將太陽形容為「燃燒」,大家知道區別就行了。

太陽之所以能夠燒了幾十億年還沒燒完,主要有兩個原因,一個是太陽的燃料足夠多,另一個則是太陽的燃料消耗速度極為緩慢。

「燃料足夠多」這個原因不必過多解釋,畢竟太陽的質量是地球的33萬倍,體積更是高達地球的130萬倍,據此大家也可以想象出太陽有多龐大,那為什麼太陽的燃料消耗速度會極為緩慢呢?

這主要是因為「質子-質子鏈反應」的第一步的實現難度相當高,前面我們已經講了,這一步就是兩個質子形成氘原子核,要知道質子都是帶正電的,所以在質子之間會存在著很大的庫倫斥力。

用專業一點的話來講就是,質子之間存在著一個由庫倫斥力造成的「能量勢壘」,只有突破了它,兩個質子才可以發生碰撞。

如何突破質子之間的「能量勢壘」呢?答案就是速度,只要質子的速度足夠快,它們就可以撞在一起,而我們都知道,溫度其實就是微觀粒子熱運動的激烈程度,因此可以說,在足夠高的溫度下,質子就可以突破「能量勢壘」,具體要多高的溫度呢?至少需要上億攝氏度。

然而太陽核心的溫度卻只有1500萬攝氏度,這明顯就不夠啊,也就是說,以太陽核心的溫度,根本就不可能發生「質子-質子鏈反應」,但我們明明看到了太陽確實在發光發熱,這是為什麼呢?

實際上,這個問題曾經困擾了科學界很久,直到人們發現了「量子隧穿效應」。簡單來講,「量子隧穿效應」可以允許微觀粒子在能量不足的情況下,穿過在經典力學中不可能穿過的「能量勢壘」,這也被人們戲稱為「量子世界中的穿墻術」。

需要注意的是,「量子隧穿效應」的發生是有機率的,能量差距越大,發生的機率就越低,由于太陽核心的溫度遠遠低于理論值,因此在太陽核心,兩個質子通過「量子隧穿效應」撞在一起的機率可以說是低得可憐。

然而即使兩個質子發生了碰撞,也很難形成氘原子核,因為兩個撞在一起的質子通常都會迅速分開,只有在極少數的情況下,才會出現「一個質子發生β衰變轉變成中子,并與另一個質子結合成氘原子核」這樣的情況。

本來「量子隧穿效應」發生的機率就非常低了,再加上這一出,就使得「質子-質子鏈反應」的第一步的實現更加困難,以至于在太陽的核心,一個特定的質子通常都需要長達幾十億年的時間,才能與另一個質子撞在一起并形成氘原子核。

盡管這個機率是如此之低,但架不住太陽的燃料多啊,正所謂「東邊不亮西邊亮」,在太陽核心巨量的質子中,總會有極少數的質子會「非常幸運」地形成氘原子核,進而發生「質子-質子鏈反應」,也正是因為如此,太陽的燃料消耗速度就變得極為緩慢,燒了幾十億年還沒燒完,而根據科學家的估算,太陽的燃料大概還可以燒50億年的時間。

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