太陽(yáng)每秒消耗428萬噸物質(zhì)，已經(jīng)燒了46億年，為什么能燒這么久？

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。