随着地球的自转,太阳每天东升西落,滋养着地球上的生灵。不管是恐龙时代,还是现代,太阳母亲都在稳定地向世界播撒着光和热。
太阳是一个悬浮在宇宙空间中的大火球,这个火球中的物质都处于等离子态,就是处于高温电离状态的气体,闪电就是等离子体,它已经燃烧了46亿年。
根据日常经验,燃料加的越多,火烧的越旺,燃料的消耗速度也就越快。世界上并不存在天长地久,太阳却拥有这么长的寿命,就在于燃烧得缓慢和稳定。太阳的质量是有限的,太阳燃烧了这么久都没有熄灭,那么是什么原因使太阳的燃烧过程能够长期保持稳定且缓慢呢?
在谈及这些问题之前,先来了解一下太阳烧的啥燃料,太阳能够发光发热的原因。
太阳通过“燃烧”氢释放光和热
在20世纪,随着生产力的高速发展,人类的科学知识也得到了迅猛提升。科学家们利用核物理知识,制造出了原子弹和氢弹。这些武器之所以能够产生如此巨大的能量,就在于产生能量的方式,原子弹靠的是核裂变,氢弹则包含核聚变过程。与氢弹产生能量的方式类似,太阳也是依靠氢聚变为氦的过程产生能量。目前,氢大约占太阳总质量的73%,氦大约占25%,其余2%是其它元素。
虽然太阳燃烧的是氢,但与普通燃烧过程不同,太阳中进行的是核反应,而通常所说的燃烧是一种化学反应。燃烧在化学中属于氧化反应,传统烧火做饭过程中使用的燃料是柴草,其实还需要氧气和足够的温度,否则火是烧不起来的。氢如果和氧气发生反应,燃烧后的产物则是水,反应发生于原子级别,原子核的结构不会发生变化。核聚变反应过程中只需氢参与反应,更准确点来讲是氢原子核,原子核结构会发生变化,氢元素会变为氦元素。核聚变反应能够释放出大量能量,光(光和热本质上是一样的,都属于电磁波)就是这些能量的主要载体。
1千克铀238裂变后释放的能量,就相当于2000吨优质煤燃烧后所释放的能量。相同质量下,核聚变释放的能量通常比核裂变更多。可见,同样是发光发热,原理不相同,反应时释放的能量大小也不相同。在核反应过程中,一部分质量会转变为能量。据估计,太阳每秒钟大约消耗400多万吨的氢,经过了46亿个年头,太阳也就损失了100多个地球质量的氢,但这还不到太阳质量的0.1%。
上图是铀235的裂变反应,铀238与之相似。
燃烧反应的发生需要足够的温度,核反应也十分类似。既然在同等的条件下,核聚变能够释放出更大的能量,所需要的反应条件也必然比燃烧反应更苛刻。科学研究表明,核聚变反应只有在超高温、超高压条件下才能进行,当恒星的质量足够大时,才能在内部保持高温高压环境。根据科学家的估测,太阳内部核反应区的温度至少在1500万摄氏度,核心处的压力则比地球大气压高3000亿倍。
其实木星和太阳很相似,主要都是由氢构成的,木星的质量如果再大上80倍,木星内部的温度和压力就足够开启氢聚变。正是如此苛刻的条件,才使得人工可控核聚变难以实现。