恒星能量從哪里來(lái)

恒星能量的源泉

以目前的時(shí)間往前算.... 已經(jīng)去了人類文明N萬(wàn)年.. 生物出現(xiàn)N億年.. 地球出現(xiàn) N十億年.. 太陽(yáng)系出現(xiàn) NNN億年.. 宇宙出現(xiàn)NNNNNN億年... 再往前數(shù)是“∞”

無(wú)邊無(wú)盡.... 這么長(zhǎng)的時(shí)間，無(wú)盡的時(shí)間里宇宙的能量是哪里來(lái)的？

大家都知道一些物質(zhì)反應(yīng)后會(huì)產(chǎn)生能量比如 H2O 2×H + O =（能量）+ 水（H2O）而水是無(wú)機(jī)物，已經(jīng)無(wú)法在產(chǎn)生能量，想把水分解為氫和氧就需要把，氫和氧反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的能量給還回去“電解”。那么宇宙無(wú)止盡的消耗能量，這些能量那里來(lái)的？

要理解這點(diǎn)，就要考慮恒星中心深處的情形。只有一顆恒星允許我們做近距離研究，那就是太陽(yáng)。太陽(yáng)，像所有普通恒星一樣，是個(gè)白熱的大氣體球，是可以吞沒(méi)100萬(wàn)個(gè)地球這么大的球體。它的表面溫度有5600℃，而在核心產(chǎn)生能量的地方，溫度高達(dá)1500萬(wàn)攝氏度。我們無(wú)法看到太陽(yáng)內(nèi)部較深的地方，但可以檢測(cè)它的構(gòu)成。我們建立的數(shù)學(xué)模型可以做到符合觀測(cè)結(jié)果，所以才確信對(duì)于核心溫度的預(yù)測(cè)。占太陽(yáng)質(zhì)量70％的物質(zhì)是氫，這也是它的燃料，和原始恒星的情況一樣。
我們知道氫是最簡(jiǎn)單的原子，由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)環(huán)繞的電子組成。恒星內(nèi)部是如此之熱，電子被從原子核邊剝離走，剩下不完整的原子稱為“電離”。在恒星核心，壓力和溫度都極端地高，這些原子核的速度是如此之大，當(dāng)它們互相碰撞時(shí)核反應(yīng)就會(huì)發(fā)生。氫原子核結(jié)合成次輕的元素，即氦原子核。大家公認(rèn)這一過(guò)程是間接而曲折地發(fā)生的，其最終效果是4個(gè)氫原子核結(jié)合成1個(gè)氦原子核。這個(gè)過(guò)程除了產(chǎn)生我們看到的恒星發(fā)出的光芒外，同時(shí)還產(chǎn)生另一個(gè)叫做中微子的副產(chǎn)品，這種奇特的粒子以后還要談到。在形成氦的過(guò)程中要損失點(diǎn)質(zhì)量，同時(shí)釋放出很多能量。正是這些釋放出的能量使得恒星發(fā)光。而對(duì)太陽(yáng)來(lái)說(shuō)，每秒鐘要損失400萬(wàn)噸的質(zhì)量?，F(xiàn)在太陽(yáng)的質(zhì)量已經(jīng)比你剛開(kāi)始閱讀這段話時(shí)少了許多。氫燃料不可能永遠(yuǎn)地提供下去，但目前還沒(méi)有危險(xiǎn)。太陽(yáng)大約在50億年前誕生，以恒星的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看正值壯年。當(dāng)所有的氫耗盡后，太陽(yáng)并不是簡(jiǎn)單地暗淡下去，而是會(huì)發(fā)生另一段故事，這在以后的章節(jié)中會(huì)講到。
所以至少在太陽(yáng)中，能量來(lái)源于在4個(gè)氫原子核結(jié)合成為1個(gè)略輕的氦原子核時(shí)損失的質(zhì)量。自然界中最著名的公式E＝mc2告訴我們質(zhì)量（m）等效于能量（E），而換算系數(shù)c2是光速的平方，非常大。所以很小的一點(diǎn)質(zhì)量消耗就會(huì)產(chǎn)生出巨大的能量，而太陽(yáng)每秒鐘要損失400萬(wàn)噸的物質(zhì)并轉(zhuǎn)化成能量！
這些消失的質(zhì)量從何而來(lái)？氫原子是最簡(jiǎn)單的原子，只有1個(gè)電子環(huán)繞1個(gè)質(zhì)子。所以4個(gè)氫核中的每個(gè)都是1個(gè)單獨(dú)的質(zhì)子；氦核則由2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子組成。但是，中子比質(zhì)子稍微重一點(diǎn)，所以如果把這些粒子的質(zhì)量直接加起來(lái)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，1個(gè)氦核比4個(gè)氫核要重，質(zhì)量反而增加了！但實(shí)際上，盡管氦原子核由重一些的粒子構(gòu)成，然而其總質(zhì)量卻確實(shí)比4個(gè)質(zhì)子要小。要記住這一領(lǐng)域是由量子力學(xué)和其關(guān)聯(lián)效應(yīng)所主宰的，答案也就在這里。如果我們測(cè)量單個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量，那么它確實(shí)比中子輕。但這些亞原子粒子不是自由的。在氦原子核中它們被強(qiáng)核力束縛在一起，無(wú)法自由運(yùn)動(dòng)。在亞原子粒子形成這種束縛時(shí)會(huì)釋放出能量，我們測(cè)量到的結(jié)果就是質(zhì)量的降低。

為什么產(chǎn)生的原子核要有2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子？如果2個(gè)單獨(dú)的質(zhì)子之間能形成穩(wěn)定的約束關(guān)系，那么天體物理學(xué)家們對(duì)于核反應(yīng)的研究就會(huì)變得簡(jiǎn)單得多。因?yàn)槟菢拥脑拑蓚€(gè)質(zhì)子迎頭相撞就能結(jié)合成這種“輕氦核”，并釋放出電磁波。然而，兩個(gè)質(zhì)子帶有相同的正電荷，電磁力使它們互相排斥，而它們之間的作用力不足以將它們約束在一起。因此，與這種簡(jiǎn)單的結(jié)合質(zhì)子的方式所不同的是，在太陽(yáng)和其他恒星內(nèi)部，這一過(guò)程相當(dāng)錯(cuò)綜復(fù)雜而且驚人地緩慢。
由于無(wú)法把兩個(gè)質(zhì)子簡(jiǎn)單地結(jié)合到一塊，我們必須繞過(guò)這一阻礙形成更復(fù)雜的原子核的狀態(tài)。在下面的討論中只需要考慮原子核，而非整個(gè)原子。因?yàn)樵诤阈莾?nèi)部這樣的高溫下，環(huán)繞原子核并組成原子的電子早已因能量過(guò)高而無(wú)法捕獲。唯一起作用的是弱核力，它會(huì)造成質(zhì)子自發(fā)地衰變成中子，并釋放出1個(gè)正電子和1個(gè)中微子。新產(chǎn)生的中子可以被一個(gè)經(jīng)過(guò)的質(zhì)子捕獲，形成一個(gè)氘核。氘實(shí)際上就是重的氫，等于1個(gè)中子加上1個(gè)質(zhì)子。弱力真是名副其實(shí)，這一步驟會(huì)耗費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。在太陽(yáng)中心，一個(gè)質(zhì)子可能平均要等上50億年才會(huì)形成一個(gè)氘核，而此后的一切就進(jìn)行得快多了。
在平均1秒左右的時(shí)間里，氘核就會(huì)抓獲另一個(gè)質(zhì)子結(jié)合成一種有2個(gè)質(zhì)子和1個(gè)中子的穩(wěn)定的原子核，即氦-3，氦的一種較輕的形式。經(jīng)過(guò)約50萬(wàn)年，這個(gè)原子核會(huì)撞上另外一個(gè)，形成我們更為熟悉的有2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子的氦核，同時(shí)釋放出2個(gè)質(zhì)子，它們會(huì)參與到下一個(gè)循環(huán)中。這個(gè)步驟要把兩個(gè)帶正電的原子核結(jié)合到一起，難度較大因而較為緩慢。只在極近的距離內(nèi)才起作用的強(qiáng)力把兩個(gè)原子核吸引到一起，而電磁力又抵抗強(qiáng)力使它們互相遠(yuǎn)離。最后原子核會(huì)靠近到使強(qiáng)力發(fā)揮作用的地步。這樣我們最終獲得了輻射形式的能量，一個(gè)正電子--它會(huì)和它的反粒子結(jié)合釋放出能量--及一個(gè)中微子。
中微子是以高速運(yùn)動(dòng)的微小粒子，幾乎不與其他粒子發(fā)生作用。所以在從太陽(yáng)中心發(fā)出后相對(duì)不受周圍氣體的阻礙。它們中的一些會(huì)到達(dá)地球，被我們建造的大型探測(cè)器所發(fā)現(xiàn)。許多年以來(lái)都有這樣一個(gè)問(wèn)題，就是我們預(yù)計(jì)每一次產(chǎn)生氦核的碰撞過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中微子，而探測(cè)到的中微子太少。不過(guò)中微子有一個(gè)驚人的本領(lǐng)，就是在途中改變“味道”或者類型。粒子物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)存在3種中微子，而且它們能夠隨著時(shí)間互相轉(zhuǎn)化。原來(lái)的實(shí)驗(yàn)都只對(duì)其中一個(gè)特定類型的中微子敏感，而無(wú)法探測(cè)到其他類型。總之，這些實(shí)驗(yàn)告訴我們，在太陽(yáng)中心，這一比地球上進(jìn)行的任何實(shí)驗(yàn)都高得多的溫度下所發(fā)生的反應(yīng)，我們對(duì)它的認(rèn)識(shí)是基本正確的。這些實(shí)驗(yàn)也首次提供了可靠的證據(jù)，證明中微子具有有限（雖然很小）的質(zhì)量。因?yàn)槿绻鼈兿褚郧罢J(rèn)為的那樣不具有質(zhì)量，那么就不可能從一種粒子類型轉(zhuǎn)化成另一種類型。

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