太陽已經燃燒了46億年，為什麼還能穩定地發光發熱？

隨著地球的自轉，太陽每天東昇西落，滋養著地球上的生靈。不管是恐龍時代，還是現代，太陽母親都在穩定地向世界播撒著光和熱。

太陽是一個懸浮在宇宙空間中的大火球，這個火球中的物質都處於等離子態，就是處於高溫電離狀態的氣體，閃電就是等離子體，它已經燃燒了46億年。

根據日常經驗，燃料加的越多，火燒的越旺，燃料的消耗速度也就越快。世界上並不存在天長地久，太陽卻擁有這麼長的壽命，就在於燃燒得緩慢和穩定。太陽的質量是有限的，太陽燃燒了這麼久都沒有熄滅，那麼是什麼原因使太陽的燃燒過程能夠長期保持穩定且緩慢呢？

在談及這些問題之前，先來了解一下太陽燒的啥燃料，太陽能夠發光發熱的原因。

太陽透過“燃燒”氫釋放光和熱

在20世紀，隨著生產力的高速發展，人類的科學知識也得到了迅猛提升。科學家們利用核物理知識，製造出了原子彈和氫彈。這些武器之所以能夠產生如此巨大的能量，就在於產生能量的方式，原子彈靠的是核裂變，氫彈則包含核聚變過程。與氫彈產生能量的方式類似，太陽也是依靠氫聚變為氦的過程產生能量。目前，氫大約佔太陽總質量的73%，氦大約佔25%，其餘2%是其它元素。

雖然太陽燃燒的是氫，但與普通燃燒過程不同，太陽中進行的是核反應，而通常所說的燃燒是一種化學反應。燃燒在化學中屬於氧化反應，傳統燒火做飯過程中使用的燃料是柴草，其實還需要氧氣和足夠的溫度，否則火是燒不起來的。氫如果和氧氣發生反應，燃燒後的產物則是水，反應發生於原子級別，原子核的結構不會發生變化。核聚變反應過程中只需氫參與反應，更準確點來講是氫原子核，原子核結構會發生變化，氫元素會變為氦元素。核聚變反應能夠釋放出大量能量，光（光和熱本質上是一樣的，都屬於電磁波）就是這些能量的主要載體。

1千克鈾238裂變後釋放的能量，就相當於2000噸優質煤燃燒後所釋放的能量。相同質量下，核聚變釋放的能量通常比核裂變更多。可見，同樣是發光發熱，原理不相同，反應時釋放的能量大小也不相同。在核反應過程中，一部分質量會轉變為能量。據估計，太陽每秒鐘大約消耗400多萬噸的氫，經過了46億個年頭，太陽也就損失了100多個地球質量的氫，但這還不到太陽質量的0。1%。

上圖是鈾235的裂變反應，鈾238與之相似。

燃燒反應的發生需要足夠的溫度，核反應也十分類似。既然在同等的條件下，核聚變能夠釋放出更大的能量，所需要的反應條件也必然比燃燒反應更苛刻。科學研究表明，核聚變反應只有在超高溫、超高壓條件下才能進行，當恆星的質量足夠大時，才能在內部保持高溫高壓環境。根據科學家的估測，太陽內部核反應區的溫度至少在1500萬攝氏度，核心處的壓力則比地球大氣壓高3000億倍。

其實木星和太陽很相似，主要都是由氫構成的，木星的質量如果再大上80倍，木星內部的溫度和壓力就足夠開啟氫聚變。正是如此苛刻的條件，才使得人工可控核聚變難以實現。

如上圖所示，人工氫核聚變，將氘和氚聚變為氦。

說到這裡，就該向大家介紹太陽在燃燒過程中能夠保持穩定的原因了。

一場拔河比賽，勢均力敵才能保持平衡，輻射壓和重力的平衡使太陽保持穩定

在拔河比賽過程中，當雙方的力量相當時，誰也拗不過誰，此時就處於二力平衡狀態。在一個系統中，如果存在多種力量，要想使系統保持穩定，這些力量就必須要處於平衡狀態。太陽能夠穩定地燃燒，其實就是力的平衡結果。

要想了解太陽在核聚變過程中為啥這麼穩定，就必須瞭解具體的反應原理。

質量越大，引力就越強，高溫高壓就是靠引力產生和維持的。太陽主要由氫構成，在這個過程中，某一臨界點時，會引發氫核聚變反應，氫原子核透過一系列的反應聚變成一個氦原子核。除了光子以外，在這個過程中，太陽還會釋放出中微子等粒子。如果此時沒有保持平衡，太陽在自身重力的作用下，核心處的溫度和壓力會繼續升高，核反應速率加快，聚變反應也將變得更加劇烈，直至引發猛烈的核爆炸，太陽也將就此消亡。

太陽能夠保持穩定，必然還有另外一種力同重力相抗衡，這便是核聚變過程中產生的輻射壓力。輻射壓和重力就是拔河比賽中的甲乙兩隊，這兩個傢伙的馬拉松比賽決定了太陽的命運軌跡。

輻射壓就是氫聚變過程中產生的輻射所形成的壓力，這些輻射產生於太陽內部，大部分輻射被太陽自己吸收後，會引起太陽的體積膨脹，也就是受熱膨脹。只要太陽內的氫燃料充足，輻射壓和重力就能夠保持動態平衡。正是這種巧妙的平衡關係，才使得恆星能夠持續而穩定地發光發熱，只是偶爾會抽一下風，搞個耀斑啥的。

這種平衡關係也是太陽能夠保持緩慢燃燒的原因之一。下面來為大家揭秘太陽緩慢燃燒的另一個秘密。

量子效應助力太陽緩慢燃燒，這便是太陽長壽的秘密

太陽很大，不僅體積大，質量也佔太陽系總質量的99%。不過，太陽能燃燒這麼久，並不是因為它的質量很大。相反，質量越大，恆星的引力也就越大，恆星燃燒的就越劇烈，恆星內部的氫消耗的也就越快。因此，大質量恆星非常短命，那些短命的恆星有些只有不到100萬年的壽命。不過太陽的質量在宇宙中並不大，科學家估計太陽大約有100億年的壽命。據估計，有些質量很小的恆星壽命可達1萬億年。

太陽真的很大，太陽內部大約可以容納100萬個地球。位於太陽中央的核反應區，僅佔太陽半徑的1/4。雖然佔地面積不大，但是物質密度卻很高。氫1或氕（一個質子）只有在這個區域才有條件聚變為氦4，這個過程並不是直接發生的，需要經歷一系列中間過程。下圖就揭示了這麼一個過程。

如上圖所示，質子形成氦2（雙質子）後，由於不穩定，會迅速發生貝塔衰變，有機會轉變為氫2（氘，含一個質子和一箇中子），然後其它質子再和氘結合成氦3（含兩個質子、一箇中子），最終變為氦4（含兩個質子、兩個中子），這就是氫聚變為氦的全過程。其中，雙質子也有可能會衰變並分裂，重新成為自由質子。中子不能直接由自由質子衰變而來，只有在原子核中，質子才會發生衰變。所以，貝塔衰變機率也是決定核反應速率的重要因素。

太陽核反應區雖然達到了反應條件，但起決定性作用的還是量子隧穿效應。質子雖然能夠發生碰撞，但並不一定能夠結合。原因在於，質子帶正電，同性相斥，質子結合就必須要克服庫侖斥力，而恆星內質子的平均熱動能還不足以克服庫侖斥力。庫倫斥力就相當於隔在質子中間的一堵牆，但是這堵牆上面卻存在一些可以讓質子透過的孔，微觀粒子存在的不確定性，使得質子有機會穿過這堵牆。這個隧穿機率便是決定核反應速率的另一個重要因素。

上圖展示了量子隧穿效應的變化過程。

總結一下，主要是量子隧穿和貝塔衰變這兩種量子效應，決定了太陽內部氫的燃燒速率。說到這兒，相信大家對上面介紹的引力導致恆星收縮，恆星核反應速率會加快，也就能更好的理解了。

太陽的未來

在這些因素的限制下，太陽還能穩定燃燒50～60億年，就會離開主序星的階段、轉變為紅巨星，主序星階段佔太陽生命歷程近90%的時間。

不過，在這46億年的時間裡，據科學家估計，由於太陽的體積在緩慢增大，亮度至少提升了30%。從短期來看，太陽還是十分穩定的。未來每10億年太陽亮度還會增加10%，30億年後地球可能就不適合生命生存了。

當太陽核心處的氫消耗殆盡，只剩下氦和外層氫殼，輻射壓不足以抵抗重力，太陽外層的物質會向內猛烈收縮，就會引發另一種核聚變——氦聚變。劇烈的變化，不僅點燃了氦，還點燃了氦核之外的部分氫，此時輻射壓佔了上風，劇烈的核反應又導致太陽外層物質迅速發生膨脹，形成紅巨星。太陽在紅巨星階段會待上幾億年，然後就會變為白矮星，直至宇宙終結。

上圖展示了太陽的生命歷程。

好了，這就是太陽能夠持續穩定地發光發熱的原因，也是太陽能夠長壽的秘密。

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