科學家告訴我們,太陽是一顆古老的恒星,從它誕生直到現在,已經過去了大約50億年的時間。為啥太陽能在太空中燃燒50億年呢?
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對于這個問題,科學家給出的答案是,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,實際上,太陽并沒有燃燒,它發出的光和熱其實是來自于一種更強大的能量來源——核聚變。
但問題是,太陽究竟是怎么讓自身的核聚變持續了長達50億年的時間呢?其實這是可以解釋的。
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,同時釋放出兩個質子。
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這個過程被稱為“質子-質子鏈反應”,其中實現難度最高的是第一階段,因為質子都是帶正電荷的,所以質子之間會存在著排斥力,這就意味著,質子要發生聚變,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,因為從微觀層面來看,溫度其實就是大量微觀粒子熱運動的激烈程度,所以只要溫度足夠高,質子就可以具備克服它們之間排斥力的動能。
太陽內部的熱量來自其自己龐大質量所引發的引力收縮,越往里走,溫度也就越高,所以在太陽內部只有一小部分區域在發生核聚變,這個區域也被稱為核心反應區,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,科學家卻發現,太陽核心反應區的溫度大約是1500萬K,而從理論上來講,大概需要1億K的高溫,質子才有可能具備克服它們之間排斥力的動能。
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也就是說,太陽內部理論上應該是不可能發生核聚變的,但實際情況大家都是知道的,太陽內部確實在發生核聚變,為什么會這樣呢?實際上,這個問題其實也讓科學界困惑了很長一段時間,直到他們在量子力學研究領域中發現了“量子隧穿”效應。
“量子隧穿”被人們形象地形容為“量子世界中的穿墻術”,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典力學中不可能突破的能量勢壘。
實際上,質子之間的排斥力其實就是一種能量勢壘,所以按照量子力學的描述,質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,從而使質子之間的聚變成為可能。
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由于能量差距越大,“量子隧穿”發生的概率就越低,而太陽核心反應區的溫度遠遠低于理論值,因此在太陽核心反應區,質子之間發生“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生1次(概率約為10的20次方分之1)。
但這還沒完,因為兩個質子即使通過“量子隧穿”撞在了一起,在絕大多數情況下(超過99%),它們也會很快地分開,只有極少數的時候,其中的一個質子才會在弱相互作用力的作用下轉變成中子,這樣才能形成穩定的氘原子核。
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(注:氘原子核由一個中子和一個質子構成)
本來“量子隧穿”的概率就已經夠低了,再加上這一出,質子之間發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,對于太陽核心反應區中某一個特定的質子來講,它通常需要數十億的時間才有可能與其他的質子聚變成氘原子核。
盡管這個概率低得令人吃驚,但架不住太陽的質子多啊,根據科學家的估算,太陽核心反應區中的質子數量可達10的56次方個。
這么巨大的數量,就讓太陽核心反應區中隨時都會有極少一部分質子聚變成氘原子核,這在保證了“質子-質子鏈反應”能夠持續進行的同時,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了,即:太陽并沒有在太空中燃燒,它其實是一個巨大的“核聚變反應堆”,而太陽的核聚變之所以能夠持續長達50億年的時間,其實是因為上述的原理使得它的核聚變原料消耗得極為緩慢。
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當然了,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,根據已知理論模型的推演,太陽目前正當壯年,預計在大約50億年之后,其核心反應區的核原料才會被消耗殆盡,所以現在的我們不必為此擔心。
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