太陽(yáng)真的會(huì)每秒消耗428萬噸物質(zhì)嗎?我們可以先來檢驗(yàn)一下這種說法。
眾所周知,太陽(yáng)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(yáng)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(jì)算出太陽(yáng)每秒會(huì)消耗多少物質(zhì)。
![]()
從整體上來看,太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度在各個(gè)方向上都是均勻的,因此我們只需要測(cè)量出太陽(yáng)在地球軌道單位面積上的輻射強(qiáng)度,再計(jì)算出以太陽(yáng)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(yáng)每秒鐘釋放出多少能量。
已知測(cè)量數(shù)據(jù)顯示,太陽(yáng)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(yáng)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(jì)算出,太陽(yáng)每秒消耗的物質(zhì)約為428萬噸。
可以看到,說太陽(yáng)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(yáng)已經(jīng)燒了46億年,為什么能燒這么久呢?
![]()
簡(jiǎn)單計(jì)算一下可知,每秒428萬噸,46億年就是大約6.2 x 10^23噸,對(duì)于我們地球人來講,這個(gè)消耗量確實(shí)極為巨大(畢竟都相當(dāng)于100多個(gè)地球了),然而對(duì)于太陽(yáng)來講,情況卻不一樣。
要知道太陽(yáng)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(yáng)質(zhì)量的萬分之三,所以我們可以清楚地看到,太陽(yáng)之所以能燒這么久,其實(shí)是因?yàn)樗奈镔|(zhì)的速度實(shí)在是太慢了。但問題是,為什么會(huì)這么慢呢?我們接著看。
太陽(yáng)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(jiǎn)單地描述為,兩個(gè)質(zhì)子(也就是最簡(jiǎn)單的氫原子核)聚變成氘原子核,然后氘原子核又與另一個(gè)質(zhì)子聚變成氦-3原子核,最后兩個(gè)氦-3原子核聚變成氦-4原子核,同時(shí)釋放出兩個(gè)質(zhì)子。
![]()
我們知道,質(zhì)子都是帶正電荷的,它們會(huì)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(dòng)的激烈程度,所以溫度越高,質(zhì)子的動(dòng)能就越大,當(dāng)溫度足夠高的時(shí)候,質(zhì)子就可以具備足以克服彼此之間排斥力的動(dòng)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(jì)算出,至少要上百億K。
然而根據(jù)科學(xué)家的估算,太陽(yáng)核心的溫度卻只有大約1500萬K,也就是說,按理來講,以太陽(yáng)核心的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到核聚變的條件,為什么會(huì)這樣呢?這曾經(jīng)是一個(gè)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(duì)其進(jìn)行了合理解釋。
![]()
簡(jiǎn)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(shì)壘,而對(duì)于質(zhì)子來講,它們之間的排斥力其實(shí)就是一種能量勢(shì)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(yáng)核心,因?yàn)闇囟冗h(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?yàn)榫退闶莾蓚€(gè)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?huì)很快分開,只有在極少數(shù)的時(shí)候,它們才會(huì)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(yáng)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(yáng)核心中的質(zhì)子數(shù)量級(jí)可達(dá)10^56,平均每立方米的質(zhì)子數(shù)量級(jí)也有10^31。
在這樣的情況下,即使概率極低,在太陽(yáng)核心中,每時(shí)每刻依然會(huì)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?yàn)槿绱耍?yáng)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(jì)在50億年后才會(huì)用完。
看到這里,你可能要問了,太陽(yáng)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(yáng)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(huì)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(yáng)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(huì)堆積在那里,成為“廢料”。
![]()
另一方面,太陽(yáng)核心反應(yīng)區(qū)釋放出的能量,會(huì)在太陽(yáng)內(nèi)部形成一個(gè)輻射層,這會(huì)阻止太陽(yáng)外層的物質(zhì)進(jìn)入核心,這就意味著,在太陽(yáng)的整個(gè)主序星階段都只能用其核心的氫,而太陽(yáng)核心的半徑卻只占太陽(yáng)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(yáng)核心的氫用完之后,太陽(yáng)的主序星階段也會(huì)結(jié)束,到那個(gè)時(shí)候,太陽(yáng)將演化成一顆紅巨星,屆時(shí)太陽(yáng)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(gè)悲傷的結(jié)局,不過這樣的事情在大約50億年后才會(huì)發(fā)生,所以現(xiàn)在的我們不必為此擔(dān)心。
特別聲明:以上內(nèi)容(如有圖片或視頻亦包括在內(nèi))為自媒體平臺(tái)“網(wǎng)易號(hào)”用戶上傳并發(fā)布,本平臺(tái)僅提供信息存儲(chǔ)服務(wù)。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.