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恒星能量從哪里來

2015.10.31

恒星能量的源泉

以目前的時間往前算.... 已經(jīng)去了人類文明N萬年.. 生物出現(xiàn)N億年.. 地球出現(xiàn) N十億年.. 太陽系出現(xiàn) NNN億年.. 宇宙出現(xiàn)NNNNNN億年... 再往前數(shù)是“∞”

無邊無盡.... 這么長的時間，無盡的時間里宇宙的能量是哪里來的？

大家都知道一些物質(zhì)反應后會產(chǎn)生能量比如 H2O 2×H + O =（能量）+ 水（H2O）而水是無機物，已經(jīng)無法在產(chǎn)生能量，想把水分解為氫和氧就需要把，氫和氧反應時產(chǎn)生的能量給還回去“電解”。那么宇宙無止盡的消耗能量，這些能量那里來的？

要理解這點，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。太陽，像所有普通恒星一樣，是個白熱的大氣體球，是可以吞沒100萬個地球這么大的球體。它的表面溫度有5600℃，而在核心產(chǎn)生能量的地方，溫度高達1500萬攝氏度。我們無法看到太陽內(nèi)部較深的地方，但可以檢測它的構(gòu)成。我們建立的數(shù)學模型可以做到符合觀測結(jié)果，所以才確信對于核心溫度的預測。占太陽質(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。
我們知道氫是最簡單的原子，由一個質(zhì)子和一個環(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，當它們互相碰撞時核反應就會發(fā)生。氫原子核結(jié)合成次輕的元素，即氦原子核。大家公認這一過程是間接而曲折地發(fā)生的，其最終效果是4個氫原子核結(jié)合成1個氦原子核。這個過程除了產(chǎn)生我們看到的恒星發(fā)出的光芒外，同時還產(chǎn)生另一個叫做中微子的副產(chǎn)品，這種奇特的粒子以后還要談到。在形成氦的過程中要損失點質(zhì)量，同時釋放出很多能量。正是這些釋放出的能量使得恒星發(fā)光。而對太陽來說，每秒鐘要損失400萬噸的質(zhì)量?，F(xiàn)在太陽的質(zhì)量已經(jīng)比你剛開始閱讀這段話時少了許多。氫燃料不可能永遠地提供下去，但目前還沒有危險。太陽大約在50億年前誕生，以恒星的標準來看正值壯年。當所有的氫耗盡后，太陽并不是簡單地暗淡下去，而是會發(fā)生另一段故事，這在以后的章節(jié)中會講到。
所以至少在太陽中，能量來源于在4個氫原子核結(jié)合成為1個略輕的氦原子核時損失的質(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。所以很小的一點質(zhì)量消耗就會產(chǎn)生出巨大的能量，而太陽每秒鐘要損失400萬噸的物質(zhì)并轉(zhuǎn)化成能量！
這些消失的質(zhì)量從何而來？氫原子是最簡單的原子，只有1個電子環(huán)繞1個質(zhì)子。所以4個氫核中的每個都是1個單獨的質(zhì)子；氦核則由2個質(zhì)子和2個中子組成。但是，中子比質(zhì)子稍微重一點，所以如果把這些粒子的質(zhì)量直接加起來就會發(fā)現(xiàn)，1個氦核比4個氫核要重，質(zhì)量反而增加了！但實際上，盡管氦原子核由重一些的粒子構(gòu)成，然而其總質(zhì)量卻確實比4個質(zhì)子要小。要記住這一領(lǐng)域是由量子力學和其關(guān)聯(lián)效應所主宰的，答案也就在這里。如果我們測量單個質(zhì)子的質(zhì)量，那么它確實比中子輕。但這些亞原子粒子不是自由的。在氦原子核中它們被強核力束縛在一起，無法自由運動。在亞原子粒子形成這種束縛時會釋放出能量，我們測量到的結(jié)果就是質(zhì)量的降低。

為什么產(chǎn)生的原子核要有2個質(zhì)子和2個中子？如果2個單獨的質(zhì)子之間能形成穩(wěn)定的約束關(guān)系，那么天體物理學家們對于核反應的研究就會變得簡單得多。因為那樣的話兩個質(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，與這種簡單的結(jié)合質(zhì)子的方式所不同的是，在太陽和其他恒星內(nèi)部，這一過程相當錯綜復雜而且驚人地緩慢。
由于無法把兩個質(zhì)子簡單地結(jié)合到一塊，我們必須繞過這一阻礙形成更復雜的原子核的狀態(tài)。在下面的討論中只需要考慮原子核，而非整個原子。因為在恒星內(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高而無法捕獲。唯一起作用的是弱核力，它會造成質(zhì)子自發(fā)地衰變成中子，并釋放出1個正電子和1個中微子。新產(chǎn)生的中子可以被一個經(jīng)過的質(zhì)子捕獲，形成一個氘核。氘實際上就是重的氫，等于1個中子加上1個質(zhì)子。弱力真是名副其實，這一步驟會耗費很長時間。在太陽中心，一個質(zhì)子可能平均要等上50億年才會形成一個氘核，而此后的一切就進行得快多了。
在平均1秒左右的時間里，氘核就會抓獲另一個質(zhì)子結(jié)合成一種有2個質(zhì)子和1個中子的穩(wěn)定的原子核，即氦-3，氦的一種較輕的形式。經(jīng)過約50萬年，這個原子核會撞上另外一個，形成我們更為熟悉的有2個質(zhì)子和2個中子的氦核，同時釋放出2個質(zhì)子，它們會參與到下一個循環(huán)中。這個步驟要把兩個帶正電的原子核結(jié)合到一起，難度較大因而較為緩慢。只在極近的距離內(nèi)才起作用的強力把兩個原子核吸引到一起，而電磁力又抵抗強力使它們互相遠離。最后原子核會靠近到使強力發(fā)揮作用的地步。這樣我們最終獲得了輻射形式的能量，一個正電子--它會和它的反粒子結(jié)合釋放出能量--及一個中微子。
中微子是以高速運動的微小粒子，幾乎不與其他粒子發(fā)生作用。所以在從太陽中心發(fā)出后相對不受周圍氣體的阻礙。它們中的一些會到達地球，被我們建造的大型探測器所發(fā)現(xiàn)。許多年以來都有這樣一個問題，就是我們預計每一次產(chǎn)生氦核的碰撞過程中都會產(chǎn)生一個中微子，而探測到的中微子太少。不過中微子有一個驚人的本領(lǐng)，就是在途中改變“味道”或者類型。粒子物理學家發(fā)現(xiàn)存在3種中微子，而且它們能夠隨著時間互相轉(zhuǎn)化。原來的實驗都只對其中一個特定類型的中微子敏感，而無法探測到其他類型?？傊?，這些實驗告訴我們，在太陽中心，這一比地球上進行的任何實驗都高得多的溫度下所發(fā)生的反應，我們對它的認識是基本正確的。這些實驗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。因為如果它們像以前認為的那樣不具有質(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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