Question

太阳的温度有多高？

Answer 1

为何太阳会发光发热
十九世纪的天文学家开始寻求这两个问题的答案.在1837年,英国的约翰˙赫歇耳,即天王星发现者赫歇耳的儿子,和法国试图测量太阳所释放出的能量值.他们估计在地球大气外;每平方厘米每分钟所接收到的太阳热量约为2卡,人们把这个数值称做「太阳常数」.这样天文学家对太阳的能量,有了更为量化的了解.至於太阳的温度则比较困难,天文学家认为是在摄氏1461与1761度之间.由於没有理论的根据,到十九世纪末太阳温度的估计有从摄氏几千度到几百万度.
在十九世纪能量守衡的观念慢慢被建立起来,天文学家便察觉到用一般的燃料,如煤炭,石油,太阳只可能维持它的能量输出大概几千年,但当时的地质学家估计地球的年龄已远超出这个数目,故必须寻找别的机制.在1848年,德国的物理学家默耶尔(Mayer),曾提出太阳的能量是从落入太阳的流星所供应的.但所需的流星很多,使得太阳的质量会不断增加,甚至会影响地球以及其他行星的轨道.另一个比较可信的理论是在1854年,德国物理学家赫姆霍兹所提出,他根据苏格兰一位工程师华特逊的想法,认为太阳的能源是从物质收缩,重力位能转化成热能所得到.并算出太阳收缩的速度,约为每年75公尺,这样太阳可以维持大概两千五百万年.这理论直到十九世纪末,都被大部份的人所接受.(如右图)
到了十九世纪末,天文学家对太阳的温度的估计有很大的进展.1875年法国天文学家和在1880年美国的天文家都对太阳常数作更准确的测量.为了更好的估计地球大气层对太阳光的吸收,他们都到高山的山顶去进行测量.人们对太阳输出能量的功率,有了更精准的认识.在1879年奥大利物理学家史特凡,发现高温物体的辐射量是跟它的温度的四次方成比例的定律,即史特凡定律.利用所得到的太阳常数,天文学家便从史特凡定律得到太阳的温度约为一万度.在1893年物理学家维恩更发现物体辐射时,最主要部份的波长是跟它的温度成反比.从这个定律,天文学家更能准确的估计太阳的表面温度约为6000度(现在的估计是绝对温度5800度).当太阳温度得到准确的估计之际,太阳能量来源的理论却有很大的问题.地质学家慢慢发现地球的年龄要远超过两千五百万年,所以赫姆霍兹的理论不可能是太阳产生能量的机制.真正的机制要等到二十世纪的核子物理出现后才被发现.
解开太阳能源之谜的重要人物是著名的英国天文学家爱丁顿,他在二十年代根据英国著名物理学家拉塞福等人对原子的研究,提出两个可能的机制.一个是电子与质子互相湮灭而转化成能量;另一个是氢原子融合成为氦或质量更高的原子.从爱因斯坦(Einstein)在1905年所导出质量和能量的关系:E=mc2,可以算出以上两种机制太阳都能维持达数十亿年之久.但在核子物理仍在刚诞生的阶段,爱丁顿无法对这两个机制有更深入的了解.
另外,爱丁顿也根据在1894年英国天文学家森逊所提出,太阳传递能量的方式主要是辐射,而不是对流的想法,建立以理想气体的热平衡为基础的太阳模型,他假定太阳的元素比例跟地球差不多,都处於高温气体状态.在1926年,他成功的算出太阳的中心温度为三千九百万度的高温.后来从天文学家的工作得知氢为太阳或其他恒星的主要成份后,爱丁顿重新考虑他的模型并修正太阳中心温度为一千九百万度.
当核子物理发展较成熟后,在1938年美国的贝特和德国的魏札克分别计算氢核子(即质子)融合成氦核子的过程,并得到太阳中心核融合进行的温度为一千八百多万度,这跟爱丁顿纯粹用气体热平衡的理论所算出的结果相吻合.太阳能量产生之谜终於得到了完满的解决