Question

为什么太阳可以燃烧46亿年而不灭？

Answer 1

太阳被我们称为“万物之源”，在过去的46亿年里，太阳从未停止过给地球送来光和热，正因为如此，地球才会成为一颗生机勃勃的星球。那么为什么太阳可以燃烧46亿年而不灭呢？

人类很早就开始思考太阳到底使用了什么当燃料，曾经有一种观点认为，太阳的燃料应该就是煤，它之所以能够长久地燃烧，只不过是因为太阳上的煤实在是太多了。

然而后来人们却发现，以太阳的体积来计算，就算它全部都是由煤构成，也只够烧大约5000年，要知道人类自己的 历史 都远不止5000年，因此这种观点就被否定了，于是太阳的燃烧机制就成为了一个谜团。

在进入了20世纪之后，随着量子力学的发展和完善，科学家才对太阳的能量来源作出了合理的解释，即：太阳的能量来自其核心的核聚变反应，而它使用的“核燃料”就是宇宙中丰度最高、结构最简单的氢元素。

需要注意的是，常见的燃烧现象是指可燃物与氧气发生剧烈的氧化反应，并以火焰的形式释放出光和热，所以严格意义上来讲，太阳并没有燃烧，不过为了方便描述，我们还是将太阳发光发热的现象描述为“燃烧”，请大家注意区分。

科学家认为，在太阳的核心反应区，氢原子核会通过一系列的反应不断地聚变成氦原子核，并因为质量出现亏损而释放出能量，由于氢原子核其实就是一个质子，所以这一系列的反应就被称为“质子-质子链反应”。

如上图所示，“质子-质子链反应”可以简单地分为三步，第一步是两个质子聚合成一个氘原子核，第二步是一个氘原子核和一个质子聚合成一个氦-3原子核，第三步是两个氦-3原子核聚合成一个氦-4原子核。

但问题是，太阳核心反应区的半径占据了太阳半径的大约4分之1，从理论上来讲，这片区域中的任一位置应该都具备了发生“质子-质子链反应”的条件，在这种情况下，太阳核心反应区中的质子就应该在极短时间内就全部发生核聚变，并释放出巨大的能量，换句话来讲就是，太阳应该像氢弹一样瞬间就炸了。

很明显，这样的事情并没有发生，否则的话，太阳也就不可能燃烧46亿年而不灭了，这是为什么呢？其实这是可以解释的。

关键就在于“质子-质子链反应”的第一步，也就是两个质子聚合成一个氘原子核，因为质子都是带正电的，所以在质子和质子之间存在着强大的斥力，想要克服这种斥力，质子就必须具备足够快的速度。

由于温度就是指微观粒子热运动的激烈程度，因此我们可以认为，必须在足够高的温度下，两个质子才可能会发生碰撞，需要多高的温度呢？科学家给出的答案是：至少是上亿摄氏度。

然而太阳核心区域的温度却只有1500万摄氏度左右，这样的温度根本就无法让两个质子发生碰撞，既然如此，为什么太阳还会燃烧呢？实际上，这个问题曾经困扰了科学家很长一段时间，直到“量子隧穿效应”的发现。

简而言之，“量子隧穿效应”就是指在能量不足的情况下，微观粒子仍然有极低的概率穿过在经典力学中不可能穿过的屏障，所以这也被人们戏称为“微观世界中的穿墙术”。

需要指出的是，“量子隧穿效应”可以通过微观粒子的“波粒二象性”和量子力学中的“能量-时间不确定性原理”来进行解释，除此之外，“量子隧穿效应”也早已在实验中得到证实，并且还得到了一定的应用，比如说用于观察和定位原子的“扫描隧道显微镜”其实就是利用了“量子隧穿效应”，因此可以说，这种现象是真实存在的。

另一方面来讲，当两个质子碰撞在一起的时候，它们就形成了一个“双质子”，而“双质子”又非常不稳定，科学家发现，在极短的时间内（小于1纳秒），“双质子”就有99.999%以上的概率会重新衰变成两个质子，只有在极小的概率下，“双质子”中的一个质子才会因为发生β衰变而成为中子，进而使“双质子”转变成包含一个质子和一个中子的氘原子核。

科学家认为，“量子隧穿效应”发生的概率原本就已经极低了，在此基础上，再加上“双质子”的衰变问题，“质子-质子链反应”的第一步发生的概率简直就是微乎其微了，正是因为如此，太阳才能够以极为缓慢的速度消耗自己核心反应区的“核燃料”，进而持续稳定地燃烧。

看完科学家的解释，相信大家也明白了“太阳可以燃烧46亿年而不灭”的原因。值得一提的是，太阳的“核燃料”终究是会用完的，根据科学家的估算，在大约50亿年后，太阳核心的氢元素就会消耗殆尽，而届时的地球也将因此而变得不再适合人类生存。