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太陽究竟使用什麼東西當燃料,為什麼燒了46億年還沒燒完?
2023/10/12

每次抬頭看見太陽的時候,大家心里會想些什麼呢?

要知道,太陽對維持地球生態系統的平衡, 以及地球生物的生存做出了非常重要的貢獻。

直到現在,太陽在宇宙中已經「燃燒」46億年了。

可是讓人奇怪的是, 太陽到底是怎麼燃燒了這麼長時間的?到底是什麼東西支撐著它呢?

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太陽的燃燒機制

太陽看似一顆燃燒著的恒星,但其實它并未在「燃燒」, 而是通過緩慢的核聚變反應持續釋放能量。

這種反應的本質,是較輕的氫原子核在高溫高壓下發生結合,轉變為更重的氦原子核的物理過程。

可以說, 太陽內部依靠的是核聚變反應持續向外釋放能量。

要知道,太陽的直徑約為109個地球,體積達130萬倍,質量達33萬倍,而它則是以氫元素為主組成的,約占總質量的73%,僅核心區域的溫度就高達1500萬攝氏度,壓強更是相當于2500億個大氣壓。

正是在如此極端的條件下, 太陽內部得以發生核聚變。

在太陽核心極高的溫度和壓力下,氫原子核發生碰撞而聚變成氦原子核, 同時釋放出大量能量,這個過程被稱為「質子-質子鏈反應」,而它可以分為三個步驟進行。

第一步就是兩個氫原子核(即兩個質子)結合,其中一個質子發生衰變成中子,與另一個質子形成氘核。

在這之后,氘核與一個質子結合,形成氦-3核,最終兩個氦-3核結合,并釋放出兩個質子,形成穩定的氦-4核。

通過這一系列核聚變反應,太陽將氫轉化為氦,并釋放出大量能量,

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這種轉化過程非常緩慢,因為兩個質子之間存在巨大的斥力。

如果想要突破這層能量勢壘的話,那麼質子需要獲得極高的速度,也就是說,需要極高的溫度,盡管太陽核心溫度高達1500萬攝氏度,但這對實現質子間結合來說仍然不夠。

幸運的是,隨著太陽的巨大體積,質子數量極其龐大, 這使得核聚變反應得以在這種溫度下緩慢發生。

事實上,太陽的核聚變反應早在20世紀30年代就被首次提出了。

當時物理學家們根據愛因斯坦的質能方程E=mc^2,認識到如果找到一種方法將較輕的原子核轉化為較重的原子核,那麼就可以釋放出極大的能量,

而這也啟發了人們對利用核聚變來獲取能源的探索。

于是科學家們將目光首先聚焦在氫原子上,因為氫是宇宙中最豐富的元素。

經過長期的研究,他們終于找到了一種可行的核聚變反應路徑,那就是 「質子-質子鏈反應」,而這一發現解釋了太陽如何通過核聚變反應持續產生能量數十億年。

太陽核聚變機制看似簡單,但其實包含著許多奧秘,比如為何氫核能夠突破電荷間的排斥力進行聚變?

而答案就在于太陽內部的極端溫度與壓強。

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正常情況下,同電性的氫核間存在巨大的庫倫力排斥,要克服這一勢壘,氫核需要獲得極快的速度以突破電荷屏障。

而高溫運動的熱能為氫核提供了這一可能性,雖然個體氫核突破勢壘的機率非常低,但在數量規模巨大的前提下, 仍有足夠多的氫核獲得足夠高速度進行核聚變。

如果沒有核聚變機制的話,那麼太陽的壽命將會大為縮短,一旦核心的氫燃料耗盡,太陽就會逐漸冷卻膨脹,最終成為行星狀星云。

要知道,太陽核心每秒產生的能量高達3.8x10^26瓦特,是人類全球能源消耗總和的百萬倍,這龐大的能量產生速率完全源自核聚變反應, 而反應過程中質量缺失的部分全部轉變為能量。

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太陽就像一個巨大的自然聚變反應堆,它的聚變反應比人工反應堆更為緩慢溫和,卻帶來了比人類能想象的更持久的能量輸出。

那麼太陽的未來又是怎樣的呢?

太陽的最終結局是什麼

宇宙萬物皆有生老病死,恒星也不例外,而太陽就是其中普通的一員,它經歷主序星、紅巨星、行星狀星云、白矮星、黑矮星等多個階段,最終迎來生命的消亡。

太陽是一顆典型的黃矮星, 它誕生于約46億年前,那是一個充滿神秘的時代。

在漫長的歲月里,太陽以自己特有的節奏,堅持不懈地運行著,見證了一個個文明的興衰,無數生命的來去。

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對于地球上的我們來說, 太陽是家園,是希望,更是生命的源泉。

然而,太陽并非是永恒不滅的。

科學家預測,再過50億年后,太陽的氫元素將逐漸耗盡, 它將步入生命的終末,并經歷著一個個階段的蛻變。

太陽會先成為一顆巨大的紅巨星,這時太陽會膨脹到現在直徑的100倍之大,表面溫度驟降,巨大的輻射和引力會吞噬水星,甚至灼燒地球。

不過地球上的生命無法熬到那時,因為僅1億年后,持續升高的溫度就會摧毀一切生機, 除非人類提前離開故土,否則注定難逃一死。

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在紅巨星階段結束后,太陽會再度坍縮,最終成為一顆殘留著熔巖般表面的白矮星,這顆暗淡的殘骸依靠殘余熱量發出微弱光芒,其物質狀態類似于一顆巨大的鉆石。

在這之后,所有的能量也會耗盡,太陽可能會成為質量極低的黑矮星, 這種完全不發光的天體密度極高,與一般星體不同,它不會發生坍塌成為黑洞。

黑矮星靜悄悄地漂浮在宇宙中,在極長的時間尺度內,等待著遙遠的未來。

當全部恒星都化為黑矮星,宇宙就會進入黑暗狀態, 不再有新的生命誕生,也許這就是億萬年后,宇宙寂滅的樣子。

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那麼它會不會經過很久之后,再一次成為照亮人們的太陽呢?

作為給地球帶來光明的使者,太陽是怎麼形成的呢?

太陽和地球之間有著割舍不斷的聯系。

對于我們來說,太陽于我們而言就像是個亮麗耀眼的燈泡一樣, 照亮了整個世界,給予了無盡的希望與活力。

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然而細究起來,這個巨大的火球其實是由幾種常見的氣體元素所組成的。

太陽這顆恒星始于原始宇宙的星云中,它像無數其他恒星一樣, 誕生于45億年之前的千變萬化里。

在那個年代,整個宇宙中充斥著各種各樣的氣體分子云,其中75%是氫氣,還有25%是氦氣以及其他微量氣體元素。

在這樣龐大的氣體海洋里,氫氣分子因為引力作用不斷地聚攏、收縮, 于是形成了一個巨大的氣體球,這就是太陽的雛形。

在這45億年的時間里,太陽內核不斷進行著氫核聚變反應,每秒鐘都有數百萬噸的氫氣轉變為氦氣,釋放出極大的能量。

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從太陽誕生至今,其已經轉化了100多個地球質量的氫氣, 正是這持續不斷的聚變反應,使得太陽能夠持續發光發熱數十億年。

聚變反應使它成為一個巨大的長效能量工廠,為圍繞其運行的行星帶去充沛的光與熱。

太陽系諸多行星依靠這永不停歇的能量而存在、運轉,地球生命賴以生存的光合作用,全仰仗太陽散播到每一寸土地的光線。

如果沒有太陽,地球將無異于漆黑冰冷的死寂星球。

太陽不僅供給著光熱,還以強大的引力固定了各行星的運行軌道。

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假若太陽的質量發生變化,行星運行軌道將面臨混亂, 到了那個時候,或許會出現劇烈的行星碰撞,太陽系的構造亦將面目全非。

對于寧靜的宇宙來說,這漫長的過程只是一瞬間,但對我們人類而言,太陽就是我們的希望和光明。

太陽永遠都在散發著充沛的能量, 哪怕一瞬間在宇宙尺度上也綿長如億萬年。

它造就了生命的蓬勃在金星和地球上繁衍生息,并將光耀于難以想象的遙遠未來。

從無止境的過去到遙不可及的未來,太陽的光輝從未也絕不會熄滅。

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