太阳的热源

太阳的热源

　

　　太阳从它表面上每１平方米倾注出８．４万马力的能量。既然知道太阳直径是１４０万千米，我们就很容易算出它的表面有多少平方米了。这巨大的数目再乘以８．４万，就可得到以马力表示的太阳不停散发的全部能量的巨大数目了。当我们想到照地质学家和生物学家的说法，太阳已用与现在同样的强度照耀了５ ０００万年的时候，我们就遇上一个重要而且困难的问题了。

　

　　这种辐射能量的来源在什么地方？当然它是直接由光球来的。可是一定还得有新的能量供给不断地到达光球，才能维持不断的辐射。那么，这种使太阳一天一天照耀过了５ ０００万年的、仿佛永不耗竭的内在供给的来源到底是什么呢？

　

　　据能量不灭定律，能量不可能无中生有。它可以由这种形态变到那种形态，可是宇宙间能量的总量是不能增加的。除非太阳从外面不断地接收能量，它的储藏一定要按我们上述的比率减少下去。我们完全可以假定这储藏总会有一天完全耗尽，太阳会渐暗下去以至于完全无光。可是太阳一百年又一百年地照耀下去，看起来光辉丝毫未减，这怎么可能呢？

　

　　两百多年以前，物理学家亥姆霍兹（Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ）曾经创出太阳热的收缩学说，以后的许多年来都被当时的科学家认为是真实的情况。他的观点是：如果太阳半径每年收缩４３米，就足够产生一年中由辐射而失去的热量。依这学说，太阳从前是更巨大更稀薄的。按照收缩说，将来太阳将会紧密得不能收缩以适应由辐射而来的热的损失。几百万年以后，它将会冷得不能再维持地球上的生命。

　

　　这种收缩学说画出了一幅黯淡的远景，它显示了生物世界的末日只在很短的时期以后——至少照天文学尺度说来是很短的。但在１９世纪初，收缩说遇到了强烈的反驳——不论从多大的体积收缩到现在这样，太阳照现在这样发光率，只要两千万年多一点就足够得到充分的热量了。但依这比率它却一定照得比这时期更长得多的，于是收缩说就不能解释太阳在过去如何维持辐射了。因此对于这理论对将来的预言，我们也就不能抱多大的信任。而且事实上太阳的逐渐收缩又绝无确切的证明，因此就渐渐被人们所抛弃了。

　

　　２０世纪初，随着相对论以及核物理学的发展，人们认识到太阳和恒星的能源来自于核能的释放。光谱观测的结果表明，恒星物质内部氢的含量相当丰富，而氢又是很好的产能原料。当氢在高温和高压下聚变成氦时，会有巨大的核能释放，因此可以维持太阳和恒星向外辐射达数十亿年之久。

　

　　１９２６年，英国剑桥大学著名的天文学教授阿瑟?爱丁顿（Ａ． Ｅｄｉｎｇｔｏｎ）爵士出版了他的《恒星内部结构》一书，这是一部关于恒星内部情况极其物理特性的卓越著作。爱丁顿认为，太阳通过重力把物质聚集在一起，重力将物质拉向中心。由于太阳内部高温的气体产生的压力与重力方向相反，它将物体向外推出，这两个力互相平衡。达到这平衡点时，由经典力学和热力学原理，我们可以算出恒星的中心温度将达到４ ０００万℃左右。爱丁顿认为在这样的温度下，氢核会发生聚变，为太阳和恒星提供了强大的辐射能量。

　

　

　　但是爱丁顿的想法遭到了物理学家们的竭力反对。他们认为要真正实现这一聚变，温度应达到几百亿摄氏度。而４ ０００万℃太低了，不足以克服原子核之间极其强大的电磁力而产生氢核聚变。但是乌兰克核物理学家和宇宙学家乔治?伽莫夫（Ｇ． Ｇａｍｏｗ）的工作证明了物理学家们的猜测是错误的。

　

　　伽莫夫认为，虽然镭核内的粒子受到核力的约束，但按照现代量子理论，它们并非不可能分裂出?琢粒子来的，尽管发生这种过程的概率很小。镭核中的粒子被核力所束缚，就好像有一座堡垒从外界将它们包围住一样，粒子的能量不足以越过这座堡垒而跑到外边去。量子力学却认为，核内的粒子在偶然间可以不从堡垒的上面越过去，而是从穿过堡垒的一条隧道中通过。人们把这种现象形象地说成是“量子隧穿”。伽莫夫进一步指出，假如粒子能够由内向外穿过堡垒，那么，粒子也应该能够由外向内穿过它而进入原子核内。

　

　　１９２９年，英国天文学家罗伯特?阿特金森（Ｒ． Ａｔｋｉｎｓｏｎ）和德国核物理学家弗里茨?豪特曼斯（Ｆ． Ｈｏｕｔｅｒｍａｎｓ）合作，发表了一篇题为“关于恒星内部元素结构的可能性问题”的文章，将伽莫夫的量子隧穿理论应用到恒星内部能量的问题上。他们认为：恒星内部的质子和质子也可以通过“隧道”越过势垒很高的堡垒，接近到可以发生聚变的距离之内，进行轻核聚变而释放出巨大的能量。这样，他们就成功地解决了在较低温度下使氢聚变为氦来实现太阳的能量需求，由于这种反应是在数千万摄氏度下进行的，他们就把这种反应称为“热核反应”。

　

　　天文观测表明，太阳核心的物质处于等离子态，完全适合于热核反应的物理条件。那么，太阳和恒星内部的氢是怎样聚变为氦的呢？１９３８年，美国核物理学家汉斯?贝特（Ｈ． Ｂｅｔｈｅ）和查理斯?克里奇菲尔德（Ｃ． Ｌ． Ｃｒｉｔｃｈｆｉｅｌｄ）发现了氢直接变为氦的反应机制，称为“质子—质子循环”。在这一反应中１克氢将释放６ ７００亿焦耳的核能，这些核能迅速转化为热能，并通过对流和辐射向太阳的外层空间输送出去。

　

　　贝特又和德国的弗里德里希?冯?魏茨泽克（Ｆ． Ｖ． Ｗｅｔａｂｃｋｏｒ）各自独立地找到了由氢转变为氦的“碳循环”机制。现代天文观测表明，太阳的能量９８％来源于质子－质子循环，２％来源于碳循环。贝特也因该理论的创立而获１９６７年度诺贝尔物理学奖。