太陽每秒消耗428萬噸物質(zhì)，已經(jīng)燒了46億年，為什么能燒這么久？

太陽真的會每秒消耗428萬噸物質(zhì)嗎？我們可以先來檢驗一下這種說法。

眾所周知，太陽的能量來自其核心物質(zhì)的核聚變反應(yīng)，而核聚變的能量則來自于反應(yīng)過程中出現(xiàn)的質(zhì)量虧損，所以我們只需要知道太陽每秒鐘釋放出了多少能量，然后就可以根據(jù)質(zhì)能方程（E = mc^2）計算出太陽每秒會消耗多少物質(zhì)。

從整體上來看，太陽的輻射強(qiáng)度在各個方向上都是均勻的，因此我們只需要測量出太陽在地球軌道單位面積上的輻射強(qiáng)度，再計算出以太陽為中心，日地距離為半徑的球體表面積，然后將兩者相乘就可以得到太陽每秒鐘釋放出多少能量。

已知測量數(shù)據(jù)顯示，太陽在地球軌道的輻射強(qiáng)度約為1369瓦特/平方米，日地距離約149597870000米，據(jù)此可得，太陽每秒鐘釋放出的能量約為3.85 x 10^26焦耳，將其代入質(zhì)能方程可計算出，太陽每秒消耗的物質(zhì)約為428萬噸。

可以看到，說太陽每秒消耗428萬噸物質(zhì)，還是挺靠譜的。而以這樣的消耗速度，太陽已經(jīng)燒了46億年，為什么能燒這么久呢？

簡單計算一下可知，每秒428萬噸，46億年就是大約6.2 x 10^23噸，對于我們地球人來講，這個消耗量確實(shí)極為巨大（畢竟都相當(dāng)于100多個地球了），然而對于太陽來講，情況卻不一樣。

要知道太陽的質(zhì)量大約為1.989 x 10^27噸，也就是說，這點(diǎn)消耗量大概只相當(dāng)太陽質(zhì)量的萬分之三，所以我們可以清楚地看到，太陽之所以能燒這么久，其實(shí)是因為它消耗物質(zhì)的速度實(shí)在是太慢了。但問題是，為什么會這么慢呢？我們接著看。

太陽內(nèi)部的核聚變主要是“質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)”，其過程可以簡單地描述為，兩個質(zhì)子（也就是最簡單的氫原子核）聚變成氘原子核，然后氘原子核又與另一個質(zhì)子聚變成氦-3原子核，最后兩個氦-3原子核聚變成氦-4原子核，同時釋放出兩個質(zhì)子。

我們知道，質(zhì)子都是帶正電荷的，它們會相互排斥，所以想要讓質(zhì)子發(fā)生聚變，首先就要讓它們具備足以克服彼此之間排斥力的能量。

從微觀層面來看，溫度就是大量微觀粒子熱運(yùn)動的激烈程度，所以溫度越高，質(zhì)子的動能就越大，當(dāng)溫度足夠高的時候，質(zhì)子就可以具備足以克服彼此之間排斥力的動能。具體要多高的溫度呢？科學(xué)家根據(jù)經(jīng)典物理理論計算出，至少要上百億K。

然而根據(jù)科學(xué)家的估算，太陽核心的溫度卻只有大約1500萬K，也就是說，按理來講，以太陽核心的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到核聚變的條件，為什么會這樣呢？這曾經(jīng)是一個令人費(fèi)解的謎團(tuán)，不過后來科學(xué)家用量子力學(xué)中的“量子隧穿”對其進(jìn)行了合理解釋。

簡單來講，“量子隧穿”允許微觀粒子在能量不足的情況下，有一定的概率穿過在經(jīng)典物理學(xué)中不可能穿過的能量勢壘，而對于質(zhì)子來講，它們之間的排斥力其實(shí)就是一種能量勢壘，所以即使它們自身的能量不足，也可以有一定概率通過“量子隧穿”完成聚變。

根據(jù)量子力學(xué)，“量子隧穿”發(fā)生的概率與能量差距成正比，在太陽核心，因為溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到理論值，所以質(zhì)子之間發(fā)生“量子隧穿”的概率也就非常低，大概只有1/10^20（1萬億億分之一）。

但故事還沒到此為止，因為就算是兩個質(zhì)子通過“量子隧穿”合并到了一起，在絕大多數(shù)情況下，它們?nèi)詴芸旆珠_，只有在極少數(shù)的時候，它們才會發(fā)生聚變。

這一下，就使得質(zhì)子之間真正發(fā)生聚變的概率進(jìn)一步變低，到底有多低呢？科學(xué)家給出的理論值是，大約1/10^28（1萬億億億分之一），這樣的概率可以說是低得令人發(fā)指。

不過太陽的質(zhì)子數(shù)量實(shí)在是太多了，也太密集了，根據(jù)科學(xué)家的估算，太陽核心中的質(zhì)子數(shù)量級可達(dá)10^56，平均每立方米的質(zhì)子數(shù)量級也有10^31。

在這樣的情況下，即使概率極低，在太陽核心中，每時每刻依然會有極少數(shù)一部分質(zhì)子成功聚變，進(jìn)而讓“質(zhì)子–質(zhì)子鏈反應(yīng)”源源不斷地進(jìn)行。

也正是因為如此，太陽才能夠以極為緩慢的速度消耗物質(zhì)，即使它已經(jīng)燒了46億年，其核心的“核燃料”（氫）仍然很多，估計在50億年后才會用完。

看到這里，你可能要問了，太陽46億年才消耗了自身萬分之三的質(zhì)量，再燒50億年，大概也就是再消耗自身大約萬分之三的質(zhì)量，也就是說，太陽還有巨大的質(zhì)量沒有消耗，為什么就說它“核燃料”用完了呢？其實(shí)這是可以解釋的。

一方面來講，“質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)”的質(zhì)能轉(zhuǎn)換率只有大約0.7%，也就是說，1噸的氫聚變后，只會消耗7千克的質(zhì)量，其他的質(zhì)量則轉(zhuǎn)換成了氦-4，而以太陽核心的溫度，還達(dá)不到氦-4的核聚變的條件，所以它們只會堆積在那里，成為“廢料”。

另一方面，太陽核心反應(yīng)區(qū)釋放出的能量，會在太陽內(nèi)部形成一個輻射層，這會阻止太陽外層的物質(zhì)進(jìn)入核心，這就意味著，在太陽的整個主序星階段都只能用其核心的氫，而太陽核心的半徑卻只占太陽整體半徑的大約五分之一。

根據(jù)恒星理論模型的推演，在太陽核心的氫用完之后，太陽的主序星階段也會結(jié)束，到那個時候，太陽將演化成一顆紅巨星，屆時太陽的半徑將膨脹至現(xiàn)在的近300倍，其巨大的表面將抵達(dá)甚至超過地球軌道，進(jìn)而將地球吞噬。

看上去，這是一個悲傷的結(jié)局，不過這樣的事情在大約50億年后才會發(fā)生，所以現(xiàn)在的我們不必為此擔(dān)心。