Question

什么是太阳的热源？

Answer 1

太阳表面的每平方米瞬间释放的能量大约为6.2万千瓦。由于知道了太阳的直径是140万千米，所以很容易计算出太阳的表面积。我们再用这个数字乘以6.2万，得到的是以千瓦为单位的表示太阳持续释放出的全部能量。根据地质学家和生物学家的研究，太阳已经以这样的强度照耀了地球整整5000万年。

这使得科学家的研究中又发现了一个难题，这种巨大的能量来源于哪儿呢？当然，它是由光球直接射出的。不过，一定需要有能量不停地提供给光球，才能促使光球不断地释放能量。那么，这种支撑着太阳照耀地球5000万年的内部能量究竟是什么呢？这种供给是否会被耗光呢？

2012年7月19日，美国国家航空航天局的“太阳动力学天文台”卫星捕捉到的令人炫目的冕雨现象。随着太阳耀斑的发生，日冕中热的等离子体冷却、凝聚，在其缓慢落向太阳表面的过程中，磁感线被清晰地勾勒出来。

根据能量守恒定律，能量不会突然消失，更不会从虚无中产生，它只会从一种形态转换为另一种形态，但宇宙间的总能量是守恒的。除非太阳可以从外面吸收能量，否则它蕴含的能量将一直减少。我们可以假设太阳的能量总有一天会消耗殆尽，它会越来越暗淡，最后彻底熄灭光芒。不过，太阳已经照耀地球这么长时间了，其光辉好像丝毫没有减弱，这是怎么回事呢？

200多年前，物理学家亥姆霍兹提出了太阳热的收缩学说，在此后很长时间内，这个学说被科学家们认为是一种真理。他认为，每年太阳半径都会收缩43米，正好是太阳一年辐射出的能量。根据这个学说，以前的太阳更加庞大，而且更加稀薄。而且，总有一天，太阳会紧密得无法收缩，无法弥补由于辐射减少的热量。几百万年之后，太阳将会冷却，到了那时，地球上的一切动植物都会灭绝，因为它们无法得到生存所需的能量。

收缩学说展示给我们的是一个悲惨的未来景象，以天文尺度来说，似乎在非常短暂的时间内世界末日就会到来。不过，19世纪初期，收缩学说遭到了强烈的反对，因为根据太阳现在的发光率，只要2000多万年就能积累足够的热量，而且无论太阳是如何收缩成现在的形式，都不应该影响太阳的发热。不过，根据这个比例继续推算，太阳的照射时间要比这个时间长很多，所以收缩学说无法正确解释太阳如何补充辐射出的能量。因此，按照这个理论推测出来的未来，令人持怀疑态度。实际上，因为没有任何事实能够证明太阳的确在收缩，所以人们慢慢放弃了收缩学说。

20世纪初期，随着相对论的出现和物理学的不断进步，科学家意识到核能才是太阳和恒星释放出来的能量。他们通过光谱观测知晓，恒星内部含有大量的氢，而氢能够释放出大量核能。具体来说，在高温和高压下，氢聚变为氦时会释放出巨大的核能，所以恒星和太阳能够长时间向外辐射能量。

太阳大气中的巨型暗区是一个冕洞，其中的磁感线呈开放状态，高速太阳风从这里逃逸。

1926年，英国剑桥大学天文学教授阿瑟·爱丁顿爵士的著作《恒星内部结构》一书出版，这本书讲述的是恒星的内部情况，还有恒星的物理特征。爱丁顿推断，太阳借助重力将物质聚集起来，重力促使物体向中心靠拢。在太阳内部，因为高温气体形成的压力和重力方向恰好相反，所以这两个力是相互平衡的。根据经典力学和热力学原理，当处于平衡点时，我们通过计算可得出恒星中心的温度大约是4000万摄氏度。爱丁顿认为，如此的高温足够促使氢核发生聚变，提供给太阳和恒星巨大的能量。不过，其他物理学家不认同爱丁顿的观点。他们认为，只有几百亿摄氏度的高温才能促成这种聚变，4000万摄氏度的温度还是太低，无法克服原子核之间的巨大电磁力。但是，美籍俄裔核物理学家和宇宙学家乔治·伽莫夫已经证明这些物理学家的推测并不正确。

伽莫夫认为，尽管镭核内的各种粒子受核力约束，但根据现代量子理论推算，它们可以分裂为α粒子，虽然发生这种事情的概率非常低。核力约束着镭核中的粒子，就好像一座堡垒将它们紧紧包围起来一般，粒子的能量无法从里面穿透堡垒。不过，量子力学认为，核内的粒子不一定要强行穿透壁垒，它们偶尔可以从堡垒围墙上的一条通道中出去，这种现象被科学家称为“量子隧穿”。伽莫夫解释道，如果粒子能够从里面穿透壁垒来到外面，那么粒子同样也可以从外面进入到原子核中。

1929年，英国天文学家罗伯特·阿特金森和德国核物理学家弗里茨·豪特曼斯联合发表了《关于恒星内部元素结构的可能性问题》一文，他们用伽莫夫提出的量子隧穿理论分析有关恒星的内部能量的问题。他们认为，恒星内部的质子能够穿过壁垒进入到可以发生聚变的范围中，然后进行轻核聚变，从而释放出巨大的能量。这样一来，在温度较低的条件下，氢就可以聚变为氦提供太阳辐射所需的能量。因为几千万摄氏度的温度才能发生这种反应，所以人们将这种反应叫做“热核反应”。

天文观测显示，太阳的核心物质呈等离子状态，完全满足热核反应的物理条件。那么，太阳和恒星内部的氢是怎样聚变为氦的呢？

1938年，美国核物理学家汉斯·贝特和查理斯·克里奇菲尔德发现了氢聚变为氦的方法，将其命名为“质子-质子循环”。在这个方法中，1克氢能够释放出的核能是6700亿焦耳，这些核能立刻就可以转化成热能，并以对流和辐射的方式传播到太阳的外层空间。

贝特和德国弗里德里希·冯·魏茨泽克都独自发现了将氢聚变为氦的“碳循环”方法。现在，通过现代天文学观测科学家得知，质子-质子循环为太阳提供了98%的能量，而碳循环为太阳提供了2%的能量。因为创立了这个理论，贝特获得了1967年的诺贝尔物理学奖。

在54亿年之后太阳进入红巨星阶段时，太阳会膨胀到靠近地球目前的轨道。

卫星靠近太阳表面时的假想图。