隨著地球的自轉(zhuǎn)，太陽每天東升西落，滋養(yǎng)著地球上的生靈。不管是恐龍時代，還是現(xiàn)代，太陽母親都在穩(wěn)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(zhì)都處于等離子態(tài)，就是處于高溫電離狀態(tài)的氣體，閃電就是等離子體，它已經(jīng)燃燒了46億年。

根據(jù)日常經(jīng)驗，燃料加的越多，火燒的越旺，燃料的消耗速度也就越快。世界上并不存在天長地久，太陽卻擁有這么長的壽命，就在于燃燒得緩慢和穩(wěn)定。太陽的質(zhì)量是有限的，太陽燃燒了這么久都沒有熄滅，那么是什么原因使太陽的燃燒過程能夠長期保持穩(wěn)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(fā)光發(fā)熱的原因。

太陽通過“燃燒”氫釋放光和熱

在20世紀(jì)，隨著生產(chǎn)力的高速發(fā)展，人類的科學(xué)知識也得到了迅猛提升。科學(xué)家們利用核物理知識，制造出了原子彈和氫彈。這些武器之所以能夠產(chǎn)生如此巨大的能量，就在于產(chǎn)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(chǎn)生能量的方式類似，太陽也是依靠氫聚變?yōu)楹さ倪^程產(chǎn)生能量。目前，氫大約占太陽總質(zhì)量的73%，氦大約占25%，其余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(jìn)行的是核反應(yīng)，而通常所說的燃燒是一種化學(xué)反應(yīng)。燃燒在化學(xué)中屬于氧化反應(yīng)，傳統(tǒng)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(fā)生反應(yīng)，燃燒后的產(chǎn)物則是水，反應(yīng)發(fā)生于原子級別，原子核的結(jié)構(gòu)不會發(fā)生變化。核聚變反應(yīng)過程中只需氫參與反應(yīng)，更準(zhǔn)確點來講是氫原子核，原子核結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，氫元素會變?yōu)楹ぴ?。核聚變反?yīng)能夠釋放出大量能量，光（光和熱本質(zhì)上是一樣的，都屬于電磁波）就是這些能量的主要載體。

1千克鈾238裂變后釋放的能量，就相當(dāng)于2000噸優(yōu)質(zhì)煤燃燒后所釋放的能量。相同質(zhì)量下，核聚變釋放的能量通常比核裂變更多。可見，同樣是發(fā)光發(fā)熱，原理不相同，反應(yīng)時釋放的能量大小也不相同。在核反應(yīng)過程中，一部分質(zhì)量會轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰?。?jù)估計，太陽每秒鐘大約消耗400多萬噸的氫，經(jīng)過了46億個年頭，太陽也就損失了100多個地球質(zhì)量的氫，但這還不到太陽質(zhì)量的0.1%。

上圖是鈾235的裂變反應(yīng)，鈾238與之相似。

燃燒反應(yīng)的發(fā)生需要足夠的溫度，核反應(yīng)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(yīng)條件也必然比燃燒反應(yīng)更苛刻。科學(xué)研究表明，核聚變反應(yīng)只有在超高溫、超高壓條件下才能進(jìn)行，當(dāng)恒星的質(zhì)量足夠大時，才能在內(nèi)部保持高溫高壓環(huán)境。根據(jù)科學(xué)家的估測，太陽內(nèi)部核反應(yīng)區(qū)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(gòu)成的，木星的質(zhì)量如果再大上80倍，木星內(nèi)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(xiàn)。

如上圖所示，人工氫核聚變，將氘和氚聚變?yōu)楹ぁ?/span>

說到這里，就該向大家介紹太陽在燃燒過程中能夠保持穩(wěn)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(wěn)定

在拔河比賽過程中，當(dāng)雙方的力量相當(dāng)時，誰也拗不過誰，此時就處于二力平衡狀態(tài)。在一個系統(tǒng)中，如果存在多種力量，要想使系統(tǒng)保持穩(wěn)定，這些力量就必須要處于平衡狀態(tài)。太陽能夠穩(wěn)定地燃燒，其實就是力的平衡結(jié)果。

要想了解太陽在核聚變過程中為啥這么穩(wěn)定，就必須了解具體的反應(yīng)原理。

質(zhì)量越大，引力就越強(qiáng)，高溫高壓就是靠引力產(chǎn)生和維持的。太陽主要由氫構(gòu)成，在這個過程中，某一臨界點時，會引發(fā)氫核聚變反應(yīng)，氫原子核通過一系列的反應(yīng)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(xù)升高，核反應(yīng)速率加快，聚變反應(yīng)也將變得更加劇烈，直至引發(fā)猛烈的核爆炸，太陽也將就此消亡。

太陽能夠保持穩(wěn)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(chǎn)生的輻射壓力。輻射壓和重力就是拔河比賽中的甲乙兩隊，這兩個家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(chǎn)生的輻射所形成的壓力，這些輻射產(chǎn)生于太陽內(nèi)部，大部分輻射被太陽自己吸收后，會引起太陽的體積膨脹，也就是受熱膨脹。只要太陽內(nèi)的氫燃料充足，輻射壓和重力就能夠保持動態(tài)平衡。正是這種巧妙的平衡關(guān)系，才使得恒星能夠持續(xù)而穩(wěn)定地發(fā)光發(fā)熱，只是偶爾會抽一下風(fēng)，搞個耀斑啥的。

這種平衡關(guān)系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(yīng)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(zhì)量也占太陽系總質(zhì)量的99%。不過，太陽能燃燒這么久，并不是因為它的質(zhì)量很大。相反，質(zhì)量越大，恒星的引力也就越大，恒星燃燒的就越劇烈，恒星內(nèi)部的氫消耗的也就越快。因此，大質(zhì)量恒星非常短命，那些短命的恒星有些只有不到100萬年的壽命。不過太陽的質(zhì)量在宇宙中并不大，科學(xué)家估計太陽大約有100億年的壽命。據(jù)估計，有些質(zhì)量很小的恒星壽命可達(dá)1萬億年。

太陽真的很大，太陽內(nèi)部大約可以容納100萬個地球。位于太陽中央的核反應(yīng)區(qū)，僅占太陽半徑的1/4。雖然占地面積不大，但是物質(zhì)密度卻很高。氫1或氕（一個質(zhì)子）只有在這個區(qū)域才有條件聚變?yōu)楹?，這個過程并不是直接發(fā)生的，需要經(jīng)歷一系列中間過程。下圖就揭示了這么一個過程。

如上圖所示，質(zhì)子形成氦2（雙質(zhì)子）后，由于不穩(wěn)定，會迅速發(fā)生貝塔衰變，有機(jī)會轉(zhuǎn)變?yōu)闅?（氘，含一個質(zhì)子和一個中子），然后其它質(zhì)子再和氘結(jié)合成氦3（含兩個質(zhì)子、一個中子），最終變?yōu)楹?（含兩個質(zhì)子、兩個中子），這就是氫聚變?yōu)楹さ娜^程。其中，雙質(zhì)子也有可能會衰變并分裂，重新成為自由質(zhì)子。中子不能直接由自由質(zhì)子衰變而來，只有在原子核中，質(zhì)子才會發(fā)生衰變。所以，貝塔衰變概率也是決定核反應(yīng)速率的重要因素。

太陽核反應(yīng)區(qū)雖然達(dá)到了反應(yīng)條件，但起決定性作用的還是量子隧穿效應(yīng)。質(zhì)子雖然能夠發(fā)生碰撞，但并不一定能夠結(jié)合。原因在于，質(zhì)子帶正電，同性相斥，質(zhì)子結(jié)合就必須要克服庫侖斥力，而恒星內(nèi)質(zhì)子的平均熱動能還不足以克服庫侖斥力。庫倫斥力就相當(dāng)于隔在質(zhì)子中間的一堵墻，但是這堵墻上面卻存在一些可以讓質(zhì)子通過的孔，微觀粒子存在的不確定性，使得質(zhì)子有機(jī)會穿過這堵墻。這個隧穿概率便是決定核反應(yīng)速率的另一個重要因素。

上圖展示了量子隧穿效應(yīng)的變化過程。

總結(jié)一下，主要是量子隧穿和貝塔衰變這兩種量子效應(yīng)，決定了太陽內(nèi)部氫的燃燒速率。說到這兒，相信大家對上面介紹的引力導(dǎo)致恒星收縮，恒星核反應(yīng)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(wěn)定燃燒50～60億年，就會離開主序星的階段、轉(zhuǎn)變?yōu)榧t巨星，主序星階段占太陽生命歷程近90%的時間。

不過，在這46億年的時間里，據(jù)科學(xué)家估計，由于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(wěn)定的。未來每10億年太陽亮度還會增加10%，30億年后地球可能就不適合生命生存了。

當(dāng)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(zhì)會向內(nèi)猛烈收縮，就會引發(fā)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，此時輻射壓占了上風(fēng)，劇烈的核反應(yīng)又導(dǎo)致太陽外層物質(zhì)迅速發(fā)生膨脹，形成紅巨星。太陽在紅巨星階段會待上幾億年，然后就會變?yōu)榘装?，直至宇宙終結(jié)。

上圖展示了太陽的生命歷程。

好了，這就是太陽能夠持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)光發(fā)熱的原因，也是太陽能夠長壽的秘密。