太陽每秒消耗420萬噸物質,燒了46億年,為何太陽還沒燒完?

科學探索菌 發佈 2021-08-10T05:57:39.419773+00:00

太陽是生命之源,沒有太陽,地球上就不會存在生命。植物利用光合作用自給自足,然後才有食草動物以及食肉動物。煤炭石油,這些化石燃料就是由遠古植物的殘骸形成的,太陽的能量就是這樣被植物固定了下來,然後被人類發現、利用。太陽燃燒著自己,照亮了周圍的星空。

太陽是生命之源,沒有太陽,地球上就不會存在生命。植物利用光合作用自給自足,然後才有食草動物以及食肉動物。煤炭石油,這些化石燃料就是由遠古植物的殘骸形成的,太陽的能量就是這樣被植物固定了下來,然後被人類發現、利用。


太陽燃燒著自己,照亮了周圍的星空。地球上的大部分能量都來自於太陽的輻射。太陽每秒鐘大約輻射3.9×10∧26焦耳的能量,而地球上每秒鐘大約會接收到7.3×10∧17焦耳的能量,這僅占太陽輻射總能量的20億分之一。這些到達地球的太陽輻射,其中只有1/10000能被人類利用。因此,人類所使用的能量僅占太陽總輻射能量的20萬億分之一。


太陽一秒鐘輻射出的能量就夠人類消耗一年。所以說,太陽輻射出的總能量是非常驚人的。


偉大的科學家愛因斯坦在上世紀初曾經提出了一個非常著名的公式——質能方程,即E=MC^2。根據該公式可知,若太陽一直保持這樣的輻射強度,每秒需要消耗420萬噸質量的物質。正是如此巨大的消耗,才使得太陽能夠保持這樣高強度的輻射。


地球的壽命為45.7億年,而太陽的壽命大約為46億年。燃燒了40多億年,太陽為什麼還沒燒完呢?


要想弄清楚這個問題,首先要搞明白,太陽是如何燃燒的?


人類對太陽的認識,幾乎全部源於最近100年的研究。我們常常說太陽在燃燒,實際上是太陽內部在進行核聚變反應,這與日常生活中的燃燒現象截然不同,生活中的燃燒現象是一種化學反應,更準確點說是化學反應中的氧化反應。現在科學家正在試圖掌握人工核聚變技術,形象點來說就是在地球上造「人造小太陽」。


太陽是位於太陽系中心的一顆恆星,其質量為2.0×10^27噸,大約是地球質量的33萬倍,占整個太陽系物質的總質量的99.86%。太陽之所以會燃燒,就是因為它的質量極其的大。質量大,引力也就特彆強。核聚變的發生條件就是高溫高壓。在自身重力的作用下,太陽內部的溫度和壓力極高,溫度至少在1500萬攝氏度。


太陽主要由氫和氦構成,現階段氫元素占太陽質量的四分之三,剩下的幾乎都是氦,還有不到2%的其它元素。太陽能夠燃燒100億年,現階段太陽已經進入了中年時期,在幾十億年前太陽內部的氫占比更多。木星這顆氣態巨行星的組成成分就與太陽非常相似,也主要是由氫和氦構成的。如果木星的質量再增加大約90倍,木星內部也能夠引發核聚變,從而成為一顆恆星


現階段,太陽內部進行的是氫聚變為氦的反應 ,即4個氫原子核聚合生成氦-4原子核。對於太陽這樣的中低質量恆星,氫聚變為氦主要是通過質子-質子鏈反應來完成的,每一次反應大約能夠釋放4.2×10^-12焦耳的能量。此外,太陽內部還會通過碳氮氧循環這種機制產生能量。


太陽每秒消耗420萬噸的物質,這些物質以光等形式輻射到了宇宙空間中。在這40多億年里,太陽大約損失了100個地球的質量。然而,這僅占太陽總質量的0.03%。因此,並不會對太陽造成什麼太大的影響,也很難削弱太陽的引力。


太陽能夠燃燒這麼久,除了質量大,還在於燃燒過程十分穩定,可以穩定地輸出輻射。


那麼,在40多億年的時間裡,太陽又為什麼燃燒的這麼穩定?


眾所周知,氫彈就是失控的核聚變。太陽之所以沒有爆炸,是因為太陽內部核聚變反應產生的輻射壓和引力形成了動態平衡。


太陽內部的核聚變反應和氫彈還是有區別的。要想在地球上實現人工核聚變,至少要達到上億度的溫度。由於太陽核心處的溫度不夠高,因此太陽內部的核聚變反應利用到了量子隧穿效應。量子隧穿效應發生在微觀世界中,所謂的量子隧穿就是即便能量不足,反應也有一定的機率會發生,只不過發生的機率極小。


太陽的個頭非常大,參與反應的粒子數量極多。所以,即便發生反應的機率很低,在非凡的體量面前,也能夠發生核聚變反應,釋放出巨大的能量。太陽能夠燃燒的這麼緩慢而穩定,正是因為是其內部的核反應需要依靠量子隧穿效應。


這就是太陽能夠長期穩定地發光發熱的原因。


不過太陽內部的核聚變反應也並非恆久不變。從太陽誕生,在這40多億年的時間裡,太陽的亮度已經比最初的時候增強了30%。根據科學家的預測,未來太陽將會燃燒得更猛烈,太陽的輻射強度也會增強。當內部的氫燃燒殆盡後,太陽的體積將會成倍膨脹,演變成為一顆紅巨星。

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