人類如何/何時發現恆星是依靠核聚變發光發熱的？

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人類發現核聚變原理之前，是如何解釋恆星發光發熱的？

人類絕不是一開始就知道恆星依靠核聚變來發光發熱的。

在認識到這一點之前，我們有許多的猜測，可惜都遇到了很多問題。

有人假設太陽的能量來源是煤炭。我們不妨按照聯合國規定的標準煤當量 $7mathrm{Mcal}/mathrm{kg}$ 來計算。我們知道， $1mathrm{cal}=4.184mathrm{J}$ ，故 $1mathrm{kg}$ 標準煤完全燃燒釋放能量為 $29.288mathrm{MJ}$ 。不妨設太陽全部質量 $M_odot=1.98855 imes10^{30}mathrm{kg}$ 都由煤構成，那麼整個太陽完全燃燒所釋放出的總能量 $E_mathrm{Coal}=5.82407 imes10^{37}mathrm{J}$ 。我們測到的太陽的熱光度（代表著太陽釋放能量的速率）為 $L_odot=3.828 imes10^{26}mathrm{W}$ ，所以太陽的壽命 $au_mathrm{Coal}=frac{E_mathrm{Coal}}{L_odot}=1.52144 imes10^{11}mathrm{s}$ 。

這個數字乍一看很大，但是實際上一（個Julian）年所包含的秒數為31557600，所以 $au_mathrm{Coal}=4821.15mathrm{yr}$ 。

這樣長度的壽命是很荒謬的，即使基督教的信徒也不應該相信這個結果（1654年Ussher主教提出，地球在公元前4004年誕生，以此換算到今天也有6000多年。當然，現代基督教主流觀點是承認現代宇宙學對於宇宙年齡的估算結果的，但是這與我們討論的主題沒有太大關聯，我就不深入了）。

還有人假設太陽的能量來自於流星的撞擊（比如1890年J. Rock在太陽光譜中發現了氦，於是認為太陽的能量來自於隕石的撞擊），但是這樣估算出每年必須有1%地球質量的流星撞到太陽上，長期累加會引起太陽質量的持續增大，進而改變地球的軌道和一年的長度，但是這些跡象都沒有在觀測中被發現。

到了19世紀末，H. Helmholtz和W. T. Kelvin爵士等學界大牛猜測太陽的能量來自於一個液體球收縮時釋放的自引力勢能。到了20世紀，人們發現恆星中有巨星和矮星，這下他們覺得這個理論有證據了，認為恆星演化的路徑是星雲→紅巨星→藍白主序星→（沿著主序星從O到M演化）→白矮星。

這個理論當然是完全錯誤的，我們可以簡單估算一下收縮釋放的能量夠不夠太陽燒。設恆星的內能為 $U$ ，質量為 $M$ ，半徑為 $R$ ，光度為 $L$ ，由Virial theorem， $Usimleft|V ight|simeqfrac{GM^2}{R}$ ，故此時恆星的壽命時標（稱為Kelvin時標） $au_{k}=frac{U}{L}simeqfrac{left|V ight|}{L}simeq3 imes10^7left(frac{M}{M_odot} ight)^2left(frac{R}{R_odot} ight)^{-1}left(frac{L}{L_odot} ight)^{-1} mathrm{yr}$ ，對於太陽 $au_{k,odot}simeq30mathrm{Myr}$ ，但是當時已經通過放射性年代學測出地球的年齡大約是 $4.6mathrm{Gyr}$ 。

1904年，E. Rutherford提出太陽的能量可能來自於太陽內部的放射性衰變。1920年，Sir A. Eddington和J. Perrin等人提出，太陽核心的溫度和壓力導致核聚變將氫（質子）合併成氦核，從質量凈變動的結果產生了能量，換句話說，太陽的能量來自於核聚變。C. Payne-Gaposchkin在1925年證實氫在太陽中占的優勢，核聚變的理論概念也在1930年代由S. Chandrasekhar和H. Bethe發展出來。Bethe仔細的計算了兩種太陽能量主要來源的核反應，在1938年提出了恆星內部質子-質子鏈反應和碳氮氧循環兩種核反應過程，闡明了太陽的能源機制。至此，我們已經基本確定了太陽發光發熱的能量來自於核聚變。

我們來估算一下聚變反應給出的太陽壽命時標。根據A. Einstein提出的著名的質能關係 $E=mc^2$ ，考慮一顆質量為 $M$ 、光度為 $L$ 的恆星，它大約將 $10\%$ 的質量進行聚變反應，且聚變掉的質量有 $0.7\%$ 被轉化成了能量，那麼 $au_{n}simfrac{0.0007Mc^2}{L}$ 。對太陽， $au_{n}sim10^{10}mathrm{yr}$ ，也就是約一百億年，這就是我們現在所認為的太陽壽命長度。

參考資料：

1、維基百科相關條目

2、《天體物理概論》向守平中國科學技術大學出版社

（豪特曼斯）在他搞清楚是核反應保持了恆星不斷發光這個事實的那個晚上，和他的女朋友一起出去散步。她的女朋友說：「看啊，繁星照耀，真美麗啊！」他說：「是啊，現在，我是世界上唯一一個知道星星為什麼發光的人。」她對他笑笑。她並沒有因為與當時是世界上唯一一個知道星星為什麼發光的人一起散步而留下深刻印象。孤獨是令人傷心的，但這個世界就是這樣----費曼

先是本生燈，通過燃燒不同的元素，發現各不相同的光譜顏色。通過光譜顏色對照，也因此知道了太陽的主要元素是什麼，這是最早的起步。核聚變的發現要基於20世紀的量子力學研究，最後確定，恆星（包括太陽）就是個巨大的核聚變體

《千億個太陽》描述這段科學史。

文筆非常優美。

其實你們都被蒙蔽了，太陽是燒煤的！