為啥太陽能在太空中燃燒50億年？科學(xué)家：眼前所見，只是一個假象

科學(xué)家告訴我們，太陽是一顆古老的恒星，從它誕生直到現(xiàn)在，已經(jīng)過去了大約50億年的時間。為啥太陽能在太空中燃燒50億年呢？

對于這個問題，科學(xué)家給出的答案是，我們眼前所見的太陽就像是一個熊熊燃燒的大火球，但這只是一個假象，實(shí)際上，太陽并沒有燃燒，它發(fā)出的光和熱其實(shí)是來自于一種更強(qiáng)大的能量來源——核聚變。

但問題是，太陽究竟是怎么讓自身的核聚變持續(xù)了長達(dá)50億年的時間呢？其實(shí)這是可以解釋的。

太陽核聚變的主要原料是氫，其聚變過程大致可分為三個階段，我們可以將其簡單地理解為，先是兩個質(zhì)子（即最簡單的氫原子核）聚變成一個氘原子核，然后氘原子核再與另一個質(zhì)子聚變成氦-3原子核，最后兩個氦-3原子核聚變成一個氦-4原子核，同時釋放出兩個質(zhì)子。

這個過程被稱為“質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)”，其中實(shí)現(xiàn)難度最高的是第一階段，因?yàn)橘|(zhì)子都是帶正電荷的，所以質(zhì)子之間會存在著排斥力，這就意味著，質(zhì)子要發(fā)生聚變，首要條件就是，它們必須要有足以克服這種排斥力的動能。

這種動能從何而來呢？答案就是高溫，因?yàn)閺奈⒂^層面來看，溫度其實(shí)就是大量微觀粒子熱運(yùn)動的激烈程度，所以只要溫度足夠高，質(zhì)子就可以具備克服它們之間排斥力的動能。

太陽內(nèi)部的熱量來自其自己龐大質(zhì)量所引發(fā)的引力收縮，越往里走，溫度也就越高，所以在太陽內(nèi)部只有一小部分區(qū)域在發(fā)生核聚變，這個區(qū)域也被稱為核心反應(yīng)區(qū)，其半徑大概只有太陽的5分之1。

但在對太陽的研究過程中，科學(xué)家卻發(fā)現(xiàn)，太陽核心反應(yīng)區(qū)的溫度大約是1500萬K，而從理論上來講，大概需要1億K的高溫，質(zhì)子才有可能具備克服它們之間排斥力的動能。

也就是說，太陽內(nèi)部理論上應(yīng)該是不可能發(fā)生核聚變的，但實(shí)際情況大家都是知道的，太陽內(nèi)部確實(shí)在發(fā)生核聚變，為什么會這樣呢？實(shí)際上，這個問題其實(shí)也讓科學(xué)界困惑了很長一段時間，直到他們在量子力學(xué)研究領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)了“量子隧穿”效應(yīng)。

“量子隧穿”被人們形象地形容為“量子世界中的穿墻術(shù)”，簡單來講，它指的是微觀粒子即使是在自身能量不足的情況下，也有一定的概率可以突破在經(jīng)典力學(xué)中不可能突破的能量勢壘。

實(shí)際上，質(zhì)子之間的排斥力其實(shí)就是一種能量勢壘，所以按照量子力學(xué)的描述，質(zhì)子也有一定的概率可以在溫度不夠的情況下突破這種能量勢壘，從而使質(zhì)子之間的聚變成為可能。

由于能量差距越大，“量子隧穿”發(fā)生的概率就越低，而太陽核心反應(yīng)區(qū)的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論值，因此在太陽核心反應(yīng)區(qū)，質(zhì)子之間發(fā)生“量子隧穿”的概率就低得可憐，大約每1萬億億次相遇才可能發(fā)生1次（概率約為10的20次方分之1）。

但這還沒完，因?yàn)閮蓚€質(zhì)子即使通過“量子隧穿”撞在了一起，在絕大多數(shù)情況下（超過99%），它們也會很快地分開，只有極少數(shù)的時候，其中的一個質(zhì)子才會在弱相互作用力的作用下轉(zhuǎn)變成中子，這樣才能形成穩(wěn)定的氘原子核。

（注：氘原子核由一個中子和一個質(zhì)子構(gòu)成）

本來“量子隧穿”的概率就已經(jīng)夠低了，再加上這一出，質(zhì)子之間發(fā)生聚變的概率那就更是低得離譜了，具體有多低呢？這樣說吧，對于太陽核心反應(yīng)區(qū)中某一個特定的質(zhì)子來講，它通常需要數(shù)十億的時間才有可能與其他的質(zhì)子聚變成氘原子核。

盡管這個概率低得令人吃驚，但架不住太陽的質(zhì)子多啊，根據(jù)科學(xué)家的估算，太陽核心反應(yīng)區(qū)中的質(zhì)子數(shù)量可達(dá)10的56次方個。

這么巨大的數(shù)量，就讓太陽核心反應(yīng)區(qū)中隨時都會有極少一部分質(zhì)子聚變成氘原子核，這在保證了“質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)”能夠持續(xù)進(jìn)行的同時，也讓太陽以極為緩慢的速度消耗它的核聚變原料。

講到這里就可以做一個簡單的總結(jié)了，即：太陽并沒有在太空中燃燒，它其實(shí)是一個巨大的“核聚變反應(yīng)堆”，而太陽的核聚變之所以能夠持續(xù)長達(dá)50億年的時間，其實(shí)是因?yàn)樯鲜龅脑硎沟盟暮司圩冊舷牡脴O為緩慢。

當(dāng)然了，太陽的核原料畢竟是有限的，它們終究會被用完的，不過好消息是，根據(jù)已知理論模型的推演，太陽目前正當(dāng)壯年，預(yù)計在大約50億年之后，其核心反應(yīng)區(qū)的核原料才會被消耗殆盡，所以現(xiàn)在的我們不必為此擔(dān)心。