恆星能量從哪裡來

無邊無盡.... 這麼長的時間，無盡的時間裡 宇宙的能量是哪裡來的？ 大家都知道一些物質反應後會產生能量比如 H2O 2×H + O =（能量）+ 水（H2O） 而水是無機物，已經無法在產生能量，想把水分解為氫和氧就需要把，氫和氧反應時產生的能量給還回去「電解」。 那麼宇宙無止盡的消耗能量，這些能量那裡來的？ 要理解這點，就要考慮恆星中心深處的情形。只有一顆恆星允許我們做近距離研究，那就是太陽。太陽，像所有普通恆星一樣，是個白熱的大氣體球，是可以吞沒100萬個地球這麼大的球體。它的表面溫度有5600℃，而在核心產生能量的地方，溫度高達1500萬攝氏度。我們無法看到太陽內部較深的地方，但可以檢測它的構成。我們建立的數學模型可以做到符合觀測結果，所以才確信對於核心溫度的預測。占太陽質量70％的物質是氫，這也是它的燃料，和原始恆星的情況一樣。 我們知道氫是最簡單的原子，由一個質子和一個環繞的電子組成。恆星內部是如此之熱，電子被從原子核邊剝離走，剩下不完整的原子稱為「電離」。在恆星核心，壓力和溫度都極端地高，這些原子核的速度是如此之大，當它們互相碰撞時核反應就會發生。氫原子核結合成次輕的元素，即氦原子核。大家公認這一過程是間接而曲折地發生的，其最終效果是4個氫原子核結合成1個氦原子核。這個過程除了產生我們看到的恆星發出的光芒外，同時還產生另一個叫做中微子的副產品，這種奇特的粒子以後還要談到。在形成氦的過程中要損失點質量，同時釋放出很多能量。正是這些釋放出的能量使得恆星發光。而對太陽來說，每秒鐘要損失400萬噸的質量。現在太陽的質量已經比你剛開始閱讀這段話時少了許多。氫燃料不可能永遠地提供下去，但目前還沒有危險。太陽大約在50億年前誕生，以恆星的標準來看正值壯年。當所有的氫耗盡後，太陽並不是簡單地暗淡下去，而是會發生另一段故事，這在以後的章節中會講到。 所以至少在太陽中，能量來源於在4個氫原子核結合成為1個略輕的氦原子核時損失的質量。自然界中最著名的公式E＝mc2告訴我們質量（m）等效於能量（E），而換算係數c2是光速的平方，非常大。所以很小的一點質量消耗就會產生出巨大的能量，而太陽每秒鐘要損失400萬噸的物質並轉化成能量！ 這些消失的質量從何而來？氫原子是最簡單的原子，只有1個電子環繞1個質子。所以4個氫核中的每個都是1個單獨的質子；氦核則由2個質子和2個中子組成。但是，中子比質子稍微重一點，所以如果把這些粒子的質量直接加起來就會發現，1個氦核比4個氫核要重，質量反而增加了！但實際上，儘管氦原子核由重一些的粒子構成，然而其總質量卻確實比4個質子要小。要記住這一領域是由量子力學和其關聯效應所主宰的，答案也就在這裡。如果我們測量單個質子的質量，那麼它確實比中子輕。但這些亞原子粒子不是自由的。在氦原子核中它們被強核力束縛在一起，無法自由運動。在亞原子粒子形成這種束縛時會釋放出能量，我們測量到的結果就是質量的降低。為什麼產生的原子核要有2個質子和2個中子？如果2個單獨的質子之間能形成穩定的約束關係，那麼天體物理學家們對於核反應的研究就會變得簡單得多。因為那樣的話兩個質子迎頭相撞就能結合成這種「輕氦核」，並釋放出電磁波。然而，兩個質子帶有相同的正電荷，電磁力使它們互相排斥，而它們之間的作用力不足以將它們約束在一起。因此，與這種簡單的結合質子的方式所不同的是，在太陽和其他恆星內部，這一過程相當錯綜複雜而且驚人地緩慢。 由於無法把兩個質子簡單地結合到一塊，我們必須繞過這一阻礙形成更複雜的原子核的狀態。在下面的討論中只需要考慮原子核，而非整個原子。因為在恆星內部這樣的高溫下，環繞原子核並組成原子的電子早已因能量過高而無法捕獲。唯一起作用的是弱核力，它會造成質子自發地衰變成中子，並釋放出1個正電子和1個中微子。新產生的中子可以被一個經過的質子捕獲，形成一個氘核。氘實際上就是重的氫，等於1個中子加上1個質子。弱力真是名副其實，這一步驟會耗費很長時間。在太陽中心，一個質子可能平均要等上50億年才會形成一個氘核，而此後的一切就進行得快多了。 在平均1秒左右的時間裡，氘核就會抓獲另一個質子結合成一種有2個質子和1個中子的穩定的原子核，即氦-3，氦的一種較輕的形式。經過約50萬年，這個原子核會撞上另外一個，形成我們更為熟悉的有2個質子和2個中子的氦核，同時釋放出2個質子，它們會參與到下一個循環中。這個步驟要把兩個帶正電的原子核結合到一起，難度較大因而較為緩慢。只在極近的距離內才起作用的強力把兩個原子核吸引到一起，而電磁力又抵抗強力使它們互相遠離。最後原子核會靠近到使強力發揮作用的地步。這樣我們最終獲得了輻射形式的能量，一個正電子--它會和它的反粒子結合釋放出能量--及一個中微子。 中微子是以高速運動的微小粒子，幾乎不與其他粒子發生作用。所以在從太陽中心發出後相對不受周圍氣體的阻礙。它們中的一些會到達地球，被我們建造的大型探測器所發現。許多年以來都有這樣一個問題，就是我們預計每一次產生氦核的碰撞過程中都會產生一個中微子，而探測到的中微子太少。不過中微子有一個驚人的本領，就是在途中改變「味道」或者類型。粒子物理學家發現存在3種中微子，而且它們能夠隨著時間互相轉化。原來的實驗都只對其中一個特定類型的中微子敏感，而無法探測到其他類型。總之，這些實驗告訴我們，在太陽中心，這一比地球上進行的任何實驗都高得多的溫度下所發生的反應，我們對它的認識是基本正確的。這些實驗也首次提供了可靠的證據，證明中微子具有有限（雖然很小）的質量。因為如果它們像以前認為的那樣不具有質量，那麼就不可能從一種粒子類型轉化成另一種類型。
推薦閱讀：