在太陽的光球?qū)涌梢杂^察到太陽最外層的性質(zhì)、元素和光譜特征。但正是這些過程發(fā)生在核心提供了它的真正力量。圖片版權(quán)：NASA’s Solar Dynamics Observatory / GSFC
【博科園-科學(xué)科普】在太陽內(nèi)部深處將較輕的原子核融合成較重的核，導(dǎo)致微小的質(zhì)量損失，在400萬K或以上的溫度下通過著名的E = mc2轉(zhuǎn)化為能量；太陽的中心所有的能量高達(dá)1500萬K，氫和氦的同位素組成了更多穩(wěn)定的元素，釋放出能量并提供了所有在太陽系中所有行星的能量。然而盡管有這些不可思議的能量，如果宇宙是完全確定的那么太陽核心的質(zhì)子將永遠(yuǎn)無法開始這種鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。它要求量子力學(xué)的波動(dòng)性質(zhì)證明愛因斯坦的名言“上帝不與宇宙擲骰子”是錯(cuò)誤的。
尼爾斯·玻爾和阿爾伯特·愛因斯坦，在1925年的保羅·厄倫菲斯特的家中討論了許多話題。在量子力學(xué)的發(fā)展過程中，愛因斯坦-愛因斯坦的辯論是最具影響力的事件之一。圖片版權(quán)：Paul Ehrenfest
在20世紀(jì)20年代物理學(xué)的世界被兩個(gè)主要的革命所席卷：廣義相對(duì)論提出了時(shí)空，物質(zhì)和能量使它成為引力的原因，量子力學(xué)詳細(xì)說明宇宙中的所有粒子也像波一樣運(yùn)動(dòng)。由于量子物理的一些基本性質(zhì)，它本質(zhì)上是一個(gè)非確定性理論，這意味著你只能談?wù)撃承┙Y(jié)果的概率，而不是知道特定的設(shè)置會(huì)產(chǎn)生什么結(jié)果。當(dāng)時(shí)兩位最重要的物理學(xué)家，阿爾伯特·愛因斯坦和尼爾斯·玻爾有很多著名的(和公開的)關(guān)于宇宙是否天生決定論的爭(zhēng)論。
氫原子是物質(zhì)中最重要的組成部分之一，它存在于一個(gè)具有特殊磁量子數(shù)的激發(fā)量子態(tài)中。即使它的屬性是明確定義的，某些問題比如這個(gè)原子中的電子在哪里，只有有概率決定的答案。圖片版權(quán)：Wikimedia Commons user Berndthaller
直到20世紀(jì)50年代他去世之前，愛因斯坦一直拒絕相信“上帝與宇宙的關(guān)系”。他推，一定有一些潛在的法則決定了哪些粒子會(huì)以某種特定的方式表現(xiàn)出來，而這只是我們實(shí)驗(yàn)或觀測(cè)能力的失敗，使我們無法看清事實(shí)真相。然而當(dāng)量子物理學(xué)最早在20世紀(jì)20年代發(fā)展起來的時(shí)候，只有兩種基本的作用力:重力和電磁。核力量仍然是未知的，這幾乎意味著太陽的能量來源——核聚變也不為人所知。如果愛因斯坦知道這一點(diǎn)，他就會(huì)意識(shí)到他是多么的錯(cuò)誤（誠然在一百多年前還有太多未知，愛因斯坦不知道這一點(diǎn)也是正常的）。
這個(gè)剖面圖展示了太陽表面和內(nèi)部的不同區(qū)域，包括核心，也就是核聚變發(fā)生的地方。然而核心中的單個(gè)粒子沒有量子物理學(xué)導(dǎo)致核聚變的特性。圖片版權(quán)：Wikimedia Commons user Kelvinsong
總之,通過觀察太陽的輸出功率，我們測(cè)量,它發(fā)出一個(gè)連續(xù)4×1026瓦，這意味著在太陽的核心，高達(dá)4×1038個(gè)質(zhì)子融合成氦- 4每一秒。如果你認(rèn)為在整個(gè)太陽中有1057個(gè)粒子，其中略低于10%的粒子在核心，這聽起來可能不那么牽強(qiáng)。
即：
1、這些粒子以巨大的能量四處移動(dòng)：每個(gè)質(zhì)子的速度大約在太陽核心的中心的500千米/秒
2、密度巨大，因此粒子碰撞非常頻繁：每一個(gè)質(zhì)子每秒與另一個(gè)質(zhì)子碰撞數(shù)十億次
3、因此它只需要這些質(zhì)子質(zhì)子相互作用的一小部分，從而產(chǎn)生氘大約10^28來產(chǎn)生太陽所需的能量
所以即使太陽中的大多數(shù)粒子沒有足夠的能量把送到那里，我們看到太陽的時(shí)候只需要一個(gè)很小的百分比的聚變。計(jì)算一下，我們計(jì)算出太陽核心中的質(zhì)子是如何分配能量的，給出了質(zhì)子與質(zhì)子碰撞的數(shù)，有足夠的能量進(jìn)行核聚變。
質(zhì)子與質(zhì)子鏈最直接和最低能量的版本，從最初的氫燃料中產(chǎn)生氦- 4。圖片：Wikimedia Commons user Sarang
兩個(gè)正電荷粒子之間的相互排斥作用太大，甚至連一對(duì)質(zhì)子都無法克服，并與太陽核心的能量融合在一起。當(dāng)你認(rèn)為太陽本身比宇宙中95%的恒星更大(更熱)時(shí)，這個(gè)問題只會(huì)變得更糟。事實(shí)上每四顆恒星中就有三顆是m級(jí)紅矮星，它們的溫度不到太陽最大核心溫度的一半。
星的顏色和大小的分類系統(tǒng)是非常有用的。通過測(cè)量我們的宇宙區(qū)域發(fā)現(xiàn)只有5%的恒星比我們的太陽質(zhì)量大(或更多)。圖片版權(quán)：Kieff/LucasVB of Wikimedia Commons / E. Siegel
只有5%的恒星產(chǎn)生熱或熱，就像我們的太陽在內(nèi)部一樣。然而核聚變的發(fā)生太陽和所有的恒星都會(huì)釋放出巨大的能量，氫被轉(zhuǎn)化成氦。秘密在于在一個(gè)基本的層面上這些原子核并不僅僅表現(xiàn)為粒子本身而是作為波。每一個(gè)質(zhì)子都是一個(gè)量子粒子，包含一個(gè)描述其位置的概率函數(shù)，使相互作用的粒子的兩個(gè)波函數(shù)之間的交疊變得如此微小，即使當(dāng)排斥力將它們完全分開的時(shí)候。
當(dāng)兩個(gè)質(zhì)子在太陽中相遇時(shí)，它們的波函數(shù)重疊，從而暫時(shí)產(chǎn)生氦- 2：一個(gè)雙質(zhì)子。幾乎總是它只會(huì)分裂成兩個(gè)質(zhì)子，但在極少數(shù)情況下，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的氘(氫- 2)。圖片：E. Siegel / Beyond The Galaxy
這些粒子總有可能經(jīng)歷量子隧穿，并最終形成一個(gè)更穩(wěn)定的狀態(tài)，氘導(dǎo)致這種聚變能的釋放，并允許鏈?zhǔn)椒磻?yīng)繼續(xù)進(jìn)行。盡管量子隧穿的概率是非常小，任何特定的與質(zhì)子間的交互，在10^28年或與你的強(qiáng)力球彩票的中獎(jiǎng)連續(xù)三次的機(jī)率，交互足以解釋整個(gè)太陽的能量和幾乎所有恒星的能量來源。
這是太陽的25幅圖像的合成，在365天的時(shí)間里顯示出太陽的爆發(fā)/活動(dòng)。如果沒有核聚變的力量，這是通過量子力學(xué)得以實(shí)現(xiàn)的，那么我們所認(rèn)識(shí)的“太陽能輸出”就不可能實(shí)現(xiàn)。圖片版權(quán)：NASA / Solar Dynamics Observatory / Atmospheric Imaging Assembly / S. Wiessinger; post-processing by E. Siegel
如果不是宇宙中每一個(gè)粒子的量子性質(zhì)，以及它們的位置被波函數(shù)描述為固有的量子不確定性，那么這種重疊就不會(huì)發(fā)生核聚變。今天宇宙中絕大多數(shù)的恒星都不會(huì)被點(diǎn)燃，包括我們的太陽。我們的宇宙將會(huì)是荒涼和冰凍的，絕大多數(shù)的恒星和太陽系都沒有被其他任何東西照亮，除了一個(gè)寒冷的、罕見的、遙遠(yuǎn)的星光。
量子力學(xué)的力量使太陽發(fā)光。從根本上說如果上帝不與宇宙玩骰子，那么那些擁有恒星的核火焰將永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)光，而在我們太陽核心中發(fā)生的生命的融合將永遠(yuǎn)不會(huì)到來。然而在這種隨機(jī)性的情況下一直贏得了宇宙彩票的勝利。由于宇宙中固有的量子不確定性，我們獲得了生存的機(jī)會(huì)。
作者：Ethan Siegel（天體物理學(xué)家）
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