说起太阳,大家都不陌生,可是,我们真的认识它、了解它吗?它为什么能发光发热?为什么几十亿年都没烧完?爱因斯坦的E = mc²就能解释这一切吗?它真的就是一颗大氢弹吗?今天咱们就来聊聊。
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01
太阳很“冷”
相信很多人都知道太阳发光发热是靠核聚变,据测算,太阳每秒能产生386亿亿亿焦耳的能量,相当于每秒燃爆18亿颗沙皇氢弹。给人的快速印象就是:太阳是一颗巨型氢弹。
那么问题来了:太阳核心和氢弹相比,谁更热些?
答案竟然是氢弹胜出!太阳核心只有1500万度,远低于氢弹的几亿度高温,甚至都不够引燃氢弹的(氢弹需要原子弹的高温来引爆)。
或者,我们从另一个角度来计算一下:太阳的体积是141亿亿立方千米,核聚变几乎全部发生在此体积8‰的核心里。那么,
386亿亿亿瓦特÷(141亿亿立方千米×0.008)
≈34瓦特/立方米
这个数字是不是只能让人想起灯泡,完全不像个氢弹?当然,太阳核心本身不均匀,核心中的核心的产能更高效一些,但最多也只有277瓦/立方米。
277瓦/立方米是个什么概念呢?成年人的基础代谢大约是每天1400千卡,换算到国际单位制的功率就是1400×1000×4.2(千卡→卡→焦耳)÷24÷3600(天→秒) = 68瓦。人体体积大约是0.06立方米,68瓦/0.06立方米就是1134瓦/立方米。太阳核心的最高产能只是这个数字的四分之一。就是说,如果一个人体内用等体积的太阳核心来做能源,即使原地躺平啥也不干,也会被活活冻死,四套这样的核心物质才刚够养活一个人的。也就是说,如果只按单位体积产生能量的效率来算,每天吃几顿饭的我们,效率就远超太阳核聚变了……
所以哪里出问题了?是计算公式不对吗?是单位换算出问题了吗?大家各自用计算器算一算,会得到相同的结果。其实,哪里都没问题,太阳就是这么“冷”(相对),它根本不是一颗巨型氢弹,而是一座效率奇低的巨型核反应堆,烧得特别安静,从它诞生到现在,只损失了不到万分之三的质量。它的巨大能量得益于它的体量,而不是其产能效率。假如氢弹是按照太阳的运作方式来工作的话,那就不是恐怖的热核武器,而是人类梦寐以求的受控核聚变了——当然,还是希望它产能稍微高一些,要不然我们还是去吃大米饭好了。
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02
1500万℃是怎么来的?
大家可能会想:产能效率这么低的太阳核心,是如何把自己加热到1500万℃的呢?
其实,**太阳核心的高温是核聚变的因,而不是果。是先有了高温才有了核聚变,而不是核聚变烘烤出来的高温。**这个高温是遵循热力学定律产生的,即使没有核聚变,我们把和太阳等质量同成分的气体聚到一起,让这一大坨冷气体在引力作用下自己收缩,被压缩的气体核心必然出现高温。
那么,核聚变的作用又是什么呢?它产生的热量贴补了这坨气体(确切地说,这么炽热的状态,应称“等离子体”了)的辐射耗散,让粒子运动更加剧烈,以此抵抗引力作用,阻止我们这颗原始恒星继续收缩。
这是个很有趣的自调节平衡态:假如恒星继续收缩,或者聚变产热难以散出,核心就会升温,聚变效率提高,产生更多的热量使星核膨胀。而如果星核膨胀过了头,核心就会变冷,聚变效率会降低,引力会重占上风,把星核压缩回去。听起来这是个振荡过程,其实达到一个平衡点之后,恒星的各层温度和大小就都稳定下来了,就如同我们的太阳一样,核聚变的能量既不蓄积,也不透支,百分之百地从表面辐射到太空中去。
假如这团气体十分倔强,始终不肯点燃核聚变,那么它就直接步入恒星的熄火状态,继续收缩下去。质量小的,会成为白矮星,质量大的,会一直缩成中子星甚至黑洞。
在宇宙中有一种现象,可以为我们演示核聚变对恒星结构的支撑作用。在特别巨大的恒星的生命尽头,核燃料耗尽造成的恒星熄火是突如其来的,这时的恒星失去了内部支撑,就会像定向爆破的大楼一样轰然坍塌,在宇宙中绽放一朵大大的烟花,释放的能量可与太阳一生中释放的能量总和相当,这就是超新星爆发现象。
最后总结一下,把我们的太阳比作氢弹,其实并不准确,它其实是一座效率不太高的巨型核反应堆,也正是得益于太阳的温和(对地球来说),地球上才能演化出多姿多彩的生命。
来源: 科学辟谣
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