隨著地球的自轉(zhuǎn)，太陽(yáng)每天東升西落，滋養(yǎng)著地球上的生靈。不管是恐龍時(shí)代，還是現(xiàn)代，太陽(yáng)母親都在穩(wěn)定地向世界播撒著光和熱。

太陽(yáng)是一個(gè)懸浮在宇宙空間中的大火球，這個(gè)火球中的物質(zhì)都處于等離子態(tài)，就是處于高溫電離狀態(tài)的氣體，閃電就是等離子體，它已經(jīng)燃燒了46億年。

根據(jù)日常經(jīng)驗(yàn)，燃料加的越多，火燒的越旺，燃料的消耗速度也就越快。世界上并不存在天長(zhǎng)地久，太陽(yáng)卻擁有這么長(zhǎng)的壽命，就在于燃燒得緩慢和穩(wěn)定。太陽(yáng)的質(zhì)量是有限的，太陽(yáng)燃燒了這么久都沒(méi)有熄滅，那么是什么原因使太陽(yáng)的燃燒過(guò)程能夠長(zhǎng)期保持穩(wěn)定且緩慢呢？

在談及這些問(wèn)題之前，先來(lái)了解一下太陽(yáng)燒的啥燃料，太陽(yáng)能夠發(fā)光發(fā)熱的原因。

太陽(yáng)通過(guò)“燃燒”氫釋放光和熱

在20世紀(jì)，隨著生產(chǎn)力的高速發(fā)展，人類(lèi)的科學(xué)知識(shí)也得到了迅猛提升?？茖W(xué)家們利用核物理知識(shí)，制造出了原子彈和氫彈。這些武器之所以能夠產(chǎn)生如此巨大的能量，就在于產(chǎn)生能量的方式，原子彈靠的是核裂變，氫彈則包含核聚變過(guò)程。與氫彈產(chǎn)生能量的方式類(lèi)似，太陽(yáng)也是依靠氫聚變?yōu)楹さ倪^(guò)程產(chǎn)生能量。目前，氫大約占太陽(yáng)總質(zhì)量的73%，氦大約占25%，其余2%是其它元素。

雖然太陽(yáng)燃燒的是氫，但與普通燃燒過(guò)程不同，太陽(yáng)中進(jìn)行的是核反應(yīng)，而通常所說(shuō)的燃燒是一種化學(xué)反應(yīng)。燃燒在化學(xué)中屬于氧化反應(yīng)，傳統(tǒng)燒火做飯過(guò)程中使用的燃料是柴草，其實(shí)還需要氧氣和足夠的溫度，否則火是燒不起來(lái)的。氫如果和氧氣發(fā)生反應(yīng)，燃燒后的產(chǎn)物則是水，反應(yīng)發(fā)生于原子級(jí)別，原子核的結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生變化。核聚變反應(yīng)過(guò)程中只需氫參與反應(yīng)，更準(zhǔn)確點(diǎn)來(lái)講是氫原子核，原子核結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，氫元素會(huì)變?yōu)楹ぴ亍：司圩兎磻?yīng)能夠釋放出大量能量，光（光和熱本質(zhì)上是一樣的，都屬于電磁波）就是這些能量的主要載體。

1千克鈾238裂變后釋放的能量，就相當(dāng)于2000噸優(yōu)質(zhì)煤燃燒后所釋放的能量。相同質(zhì)量下，核聚變釋放的能量通常比核裂變更多?？梢?jiàn)，同樣是發(fā)光發(fā)熱，原理不相同，反應(yīng)時(shí)釋放的能量大小也不相同。在核反應(yīng)過(guò)程中，一部分質(zhì)量會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰?。?jù)估計(jì)，太陽(yáng)每秒鐘大約消耗400多萬(wàn)噸的氫，經(jīng)過(guò)了46億個(gè)年頭，太陽(yáng)也就損失了100多個(gè)地球質(zhì)量的氫，但這還不到太陽(yáng)質(zhì)量的0.1%。

上圖是鈾235的裂變反應(yīng)，鈾238與之相似。

燃燒反應(yīng)的發(fā)生需要足夠的溫度，核反應(yīng)也十分類(lèi)似。既然在同等的條件下，核聚變能夠釋放出更大的能量，所需要的反應(yīng)條件也必然比燃燒反應(yīng)更苛刻?？茖W(xué)研究表明，核聚變反應(yīng)只有在超高溫、超高壓條件下才能進(jìn)行，當(dāng)恒星的質(zhì)量足夠大時(shí)，才能在內(nèi)部保持高溫高壓環(huán)境。根據(jù)科學(xué)家的估測(cè)，太陽(yáng)內(nèi)部核反應(yīng)區(qū)的溫度至少在1500萬(wàn)攝氏度，核心處的壓力則比地球大氣壓高3000億倍。

其實(shí)木星和太陽(yáng)很相似，主要都是由氫構(gòu)成的，木星的質(zhì)量如果再大上80倍，木星內(nèi)部的溫度和壓力就足夠開(kāi)啟氫聚變。正是如此苛刻的條件，才使得人工可控核聚變難以實(shí)現(xiàn)。

如上圖所示，人工氫核聚變，將氘和氚聚變?yōu)楹ぁ?/span>

說(shuō)到這里，就該向大家介紹太陽(yáng)在燃燒過(guò)程中能夠保持穩(wěn)定的原因了。

一場(chǎng)拔河比賽，勢(shì)均力敵才能保持平衡，輻射壓和重力的平衡使太陽(yáng)保持穩(wěn)定

在拔河比賽過(guò)程中，當(dāng)雙方的力量相當(dāng)時(shí)，誰(shuí)也拗不過(guò)誰(shuí)，此時(shí)就處于二力平衡狀態(tài)。在一個(gè)系統(tǒng)中，如果存在多種力量，要想使系統(tǒng)保持穩(wěn)定，這些力量就必須要處于平衡狀態(tài)。太陽(yáng)能夠穩(wěn)定地燃燒，其實(shí)就是力的平衡結(jié)果。

要想了解太陽(yáng)在核聚變過(guò)程中為啥這么穩(wěn)定，就必須了解具體的反應(yīng)原理。

質(zhì)量越大，引力就越強(qiáng)，高溫高壓就是靠引力產(chǎn)生和維持的。太陽(yáng)主要由氫構(gòu)成，在這個(gè)過(guò)程中，某一臨界點(diǎn)時(shí)，會(huì)引發(fā)氫核聚變反應(yīng)，氫原子核通過(guò)一系列的反應(yīng)聚變成一個(gè)氦原子核。除了光子以外，在這個(gè)過(guò)程中，太陽(yáng)還會(huì)釋放出中微子等粒子。如果此時(shí)沒(méi)有保持平衡，太陽(yáng)在自身重力的作用下，核心處的溫度和壓力會(huì)繼續(xù)升高，核反應(yīng)速率加快，聚變反應(yīng)也將變得更加劇烈，直至引發(fā)猛烈的核爆炸，太陽(yáng)也將就此消亡。

太陽(yáng)能夠保持穩(wěn)定，必然還有另外一種力同重力相抗衡，這便是核聚變過(guò)程中產(chǎn)生的輻射壓力。輻射壓和重力就是拔河比賽中的甲乙兩隊(duì)，這兩個(gè)家伙的馬拉松比賽決定了太陽(yáng)的命運(yùn)軌跡。

輻射壓就是氫聚變過(guò)程中產(chǎn)生的輻射所形成的壓力，這些輻射產(chǎn)生于太陽(yáng)內(nèi)部，大部分輻射被太陽(yáng)自己吸收后，會(huì)引起太陽(yáng)的體積膨脹，也就是受熱膨脹。只要太陽(yáng)內(nèi)的氫燃料充足，輻射壓和重力就能夠保持動(dòng)態(tài)平衡。正是這種巧妙的平衡關(guān)系，才使得恒星能夠持續(xù)而穩(wěn)定地發(fā)光發(fā)熱，只是偶爾會(huì)抽一下風(fēng)，搞個(gè)耀斑啥的。

這種平衡關(guān)系也是太陽(yáng)能夠保持緩慢燃燒的原因之一。下面來(lái)為大家揭秘太陽(yáng)緩慢燃燒的另一個(gè)秘密。

量子效應(yīng)助力太陽(yáng)緩慢燃燒，這便是太陽(yáng)長(zhǎng)壽的秘密

太陽(yáng)很大，不僅體積大，質(zhì)量也占太陽(yáng)系總質(zhì)量的99%。不過(guò)，太陽(yáng)能燃燒這么久，并不是因?yàn)樗馁|(zhì)量很大。相反，質(zhì)量越大，恒星的引力也就越大，恒星燃燒的就越劇烈，恒星內(nèi)部的氫消耗的也就越快。因此，大質(zhì)量恒星非常短命，那些短命的恒星有些只有不到100萬(wàn)年的壽命。不過(guò)太陽(yáng)的質(zhì)量在宇宙中并不大，科學(xué)家估計(jì)太陽(yáng)大約有100億年的壽命。據(jù)估計(jì)，有些質(zhì)量很小的恒星壽命可達(dá)1萬(wàn)億年。

太陽(yáng)真的很大，太陽(yáng)內(nèi)部大約可以容納100萬(wàn)個(gè)地球。位于太陽(yáng)中央的核反應(yīng)區(qū)，僅占太陽(yáng)半徑的1/4。雖然占地面積不大，但是物質(zhì)密度卻很高。氫1或氕（一個(gè)質(zhì)子）只有在這個(gè)區(qū)域才有條件聚變?yōu)楹?，這個(gè)過(guò)程并不是直接發(fā)生的，需要經(jīng)歷一系列中間過(guò)程。下圖就揭示了這么一個(gè)過(guò)程。

如上圖所示，質(zhì)子形成氦2（雙質(zhì)子）后，由于不穩(wěn)定，會(huì)迅速發(fā)生貝塔衰變，有機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅?（氘，含一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子），然后其它質(zhì)子再和氘結(jié)合成氦3（含兩個(gè)質(zhì)子、一個(gè)中子），最終變?yōu)楹?（含兩個(gè)質(zhì)子、兩個(gè)中子），這就是氫聚變?yōu)楹さ娜^(guò)程。其中，雙質(zhì)子也有可能會(huì)衰變并分裂，重新成為自由質(zhì)子。中子不能直接由自由質(zhì)子衰變而來(lái)，只有在原子核中，質(zhì)子才會(huì)發(fā)生衰變。所以，貝塔衰變概率也是決定核反應(yīng)速率的重要因素。

太陽(yáng)核反應(yīng)區(qū)雖然達(dá)到了反應(yīng)條件，但起決定性作用的還是量子隧穿效應(yīng)。質(zhì)子雖然能夠發(fā)生碰撞，但并不一定能夠結(jié)合。原因在于，質(zhì)子帶正電，同性相斥，質(zhì)子結(jié)合就必須要克服庫(kù)侖斥力，而恒星內(nèi)質(zhì)子的平均熱動(dòng)能還不足以克服庫(kù)侖斥力。庫(kù)倫斥力就相當(dāng)于隔在質(zhì)子中間的一堵墻，但是這堵墻上面卻存在一些可以讓質(zhì)子通過(guò)的孔，微觀粒子存在的不確定性，使得質(zhì)子有機(jī)會(huì)穿過(guò)這堵墻。這個(gè)隧穿概率便是決定核反應(yīng)速率的另一個(gè)重要因素。

上圖展示了量子隧穿效應(yīng)的變化過(guò)程。

總結(jié)一下，主要是量子隧穿和貝塔衰變這兩種量子效應(yīng)，決定了太陽(yáng)內(nèi)部氫的燃燒速率。說(shuō)到這兒，相信大家對(duì)上面介紹的引力導(dǎo)致恒星收縮，恒星核反應(yīng)速率會(huì)加快，也就能更好的理解了。

太陽(yáng)的未來(lái)

在這些因素的限制下，太陽(yáng)還能穩(wěn)定燃燒50～60億年，就會(huì)離開(kāi)主序星的階段、轉(zhuǎn)變?yōu)榧t巨星，主序星階段占太陽(yáng)生命歷程近90%的時(shí)間。

不過(guò)，在這46億年的時(shí)間里，據(jù)科學(xué)家估計(jì)，由于太陽(yáng)的體積在緩慢增大，亮度至少提升了30%。從短期來(lái)看，太陽(yáng)還是十分穩(wěn)定的。未來(lái)每10億年太陽(yáng)亮度還會(huì)增加10%，30億年后地球可能就不適合生命生存了。

當(dāng)太陽(yáng)核心處的氫消耗殆盡，只剩下氦和外層氫殼，輻射壓不足以抵抗重力，太陽(yáng)外層的物質(zhì)會(huì)向內(nèi)猛烈收縮，就會(huì)引發(fā)另一種核聚變——氦聚變。劇烈的變化，不僅點(diǎn)燃了氦，還點(diǎn)燃了氦核之外的部分氫，此時(shí)輻射壓占了上風(fēng)，劇烈的核反應(yīng)又導(dǎo)致太陽(yáng)外層物質(zhì)迅速發(fā)生膨脹，形成紅巨星。太陽(yáng)在紅巨星階段會(huì)待上幾億年，然后就會(huì)變?yōu)榘装?，直至宇宙終結(jié)。

上圖展示了太陽(yáng)的生命歷程。

好了，這就是太陽(yáng)能夠持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)光發(fā)熱的原因，也是太陽(yáng)能夠長(zhǎng)壽的秘密。