讀古今文學網 > 極簡宇宙史 > 第一部分 宇宙 第3章太陽 >

第一部分 宇宙 第3章太陽

如果人類能夠以某種方式收穫太陽在一秒鐘內輻射出的所有能量,它就足以滿足我們全世界五億年的能量需求。

你已離我們的恆星越來越近,意識到現在的太陽比你在五十億年後看到的小很多,那時的太陽已瀕臨死亡。然而,即便如此,現在的它依然很大。直觀地說,如果把太陽縮小到一隻大西瓜那麼大,我們的小小地球將會處於四十三米之外,而且你需要放大鏡才能看到它。

你已經飛到了離太陽表面幾千英里的高處。在你身後,地球已成為一個小小的亮點,隱藏於一片星光背景之中。在你前面,太陽佔據了一半天空。到處都是等離子體氣泡的噴發。幾十億噸紅熱的物質就在你的眼前爆發,看上去就像被太陽磁場打開的隨機圓環,穿過你幽靈般的身體。即使以最苛刻的標準來看,這也是一種無與倫比的景象,看著這種巨大的能量,你不解是什麼讓太陽這麼獨特,與地球完全不同。恆星怎麼會成為恆星的呢?

這些能量從何而來?而這樣一個龐然大物又怎麼會有死去的一天?

為了回答這些問題,你飛向最險惡的地方:日核,太陽的心臟,太陽表面之下約五十萬公里的深處。對比一下,地核大約只有六千五百公里深。

你頭朝下躍入這個明亮的火爐,還記得我們所呼吸、看見、觸摸或檢測到的,甚至構成你自己真正身體的所有物質,都由原子構成。原子是建造一切物質的基本構件。你可以把它們看成是你所在環境的樂高積木。與樂高積木不同的是,原子的形狀不是長方體。它們主要呈球形,具有一個緊密的球狀原子核和一些微小的電子在遠處高速旋轉。與樂高相同的是我們可以依據原子的大小將它們分類。它們中最小的一個被稱為氫原子。第二小的被稱為氦原子。這兩種原子加在一起構成了已知宇宙的百分之九十八的物質。的確很多。但與以前比,這個比例現在已經變小了,大概一百三十八億年前,這兩種原子幾乎構成了宇宙中所有的已知物質。今天我們可以看到的除了氫與氦之外的原子還包括氮原子、碳原子、氧原子或銀原子等。它們顯然是後來才出現的。這個過程是什麼樣的呢?你要去尋求答案。

隨著你在太陽中越潛越深,溫度變得越來越高,熱得難以想像。當你來到日核時,溫度大概是一千六百萬攝氏度,甚至更高。到處都有足夠多的氫原子,雖然它們都已被周圍的高能量剝光:它們的電子已經被鬆開,只留下孤獨的原子核。這兒的壓力非常高,原子核們被整個恆星加於自己核心的重量壓迫著幾乎無法動彈。這還不夠,它們還被迫彼此融合,變成一個更大的原子核。這一切就活生生地在你眼前發生:熱核聚變,一個用較小的原子核產生較大的原子核的過程。

原子核們一旦生成,在離開誕生它們的火爐時,這些較重的原子核與那些被剝離氫原子核而獨自作著自由運動的電子們結合到一起,成為新的更重的原子:氮原子、碳原子、氧原子、銀原子……

熱核聚變反應(以小原子創造大原子)能夠發生的一個必要條件是巨大的能量,太陽壓倒一切的自身引力就是這種巨大能量的來源。這個引力將一切物質拉向太陽的核心,以巨大的壓力擠壓它們。熱核聚變反應無法在地球表面(或內部)自然發生。我們的行星體積太小,而且不夠緻密,因此自身引力不足以讓其內核達到足以觸發熱核聚變反應的溫度和壓力。在定義上,這就是行星與恆星的主要差別。兩者都是大致呈球形的天體,行星的體積和質量基本上都比較小,有著岩石內核,有時候外面包裹大氣。而恆星可被視為巨大的熱核聚變反應工廠。它們的引力能量大到可以憑借自然的力量在其內核將物質壓縮以產生新的物質。地球上所有的重原子,生命所必需的所有重原子,包括構成你身體的所有重原子,都是在某顆恆星內部被創造出來的。當你呼吸時,你吸入它們,當你觸摸自己的皮膚或者別人的皮膚,所觸到的都是星塵。你早先疑惑為什麼像太陽那樣的恆星在壽命將終時會死亡和爆炸,答案就在這裡:如果沒有這種結束,構成我們的物質將無法被釋放。地球也無法誕生,生命無法形成,世界中將只有氫原子與氦原子存在,被鎖定在永不死亡的恆星內部。

從另一個角度看,因為構成我們的並不只是氫原子和氦原子,我們的身體、地球和周圍的一切都含有碳原子、氧原子和其他原子,所以我們能夠以此推斷太陽是一顆第二代甚至第三代恆星。第一或第二代恆星已經爆炸過,它們的星塵才變成太陽、地球和我們。那麼,是什麼原因造成了它們的死亡?為什麼那些恆星會以這種慘烈爆炸的方式結束自己閃亮的一生?

核聚變反應有一個神奇的特點,不管反應開始時需要多少能量——整個恆星的重量!——反應一旦開始,就會釋放出更多能量。

這背後的原因看起來讓人難以相信,實際上它就發生在你眼前,除了相信,你別無選擇:當兩顆原子核融合在一起變成一個更大的原子核時,它們的一部分質量消失了。聚合而成的新核比創造它的兩顆舊核的總質量來得輕。這就像你將一公斤香草冰淇淋與另一公斤同樣的冰淇淋混合在一起後,你得到的不是兩公斤冰淇淋,而是少了一些。

在日常生活中,這種現象不會發生。然而,在原子核的世界,這是尋常事兒。對於我們來說幸運的是,這些質量並沒有憑空消失,而是轉化為能量,愛因斯坦著名的質能轉換方程E=mc2給出了這種轉化的兌換率。

在我們的日常生活中,我們對兌換率的概念更多被用於不同貨幣之間,而非質量與能量。所以,要理解E=mc2這個自然界的兌換率是否公平,就要把它想像成在紐約肯尼迪機場將英鎊(最初的質量)換成美元(用質量換來的能量)。兌換率就是c2,c代表光速,c2代表將光速乘以它自己。一英鎊可以換到九億億美元。我覺得這是一個很好的生意。事實上,這大概是自然界裡最好的兌換率了。

顯然,在每次核聚變反應中兩個原子核融合後失去的質量非常小。但在太陽內部,許許多多原子同時發生融合,這樣釋放出來的能量就相當巨大。這些能量必須找到一個出口,因此它們往外擴張,以各種可能的方式離開日核。最後,這種核聚變產生向外擴張的能量與引力帶來的向內壓縮的力量平衡,令我們的恆星擁有一個穩定的大小。如果沒有這種能量釋放,只有引力作用,太陽就會塌縮變得很小。

核聚變釋放出巨量的光和粒子,這些光與粒子又將它們周圍的一切都剝離成原子核與電子。這種原子核與電子分離的物質狀態被稱為「等離子體」。

這種光、熱與能量的大規模釋放就是恆星之所以發光的原因。

作為恆星的太陽並不是一個巨大的燃燒火球——火焰燃燒需要氧氣,雖然太陽會創造出一些氧原子以及其他重原子,但外層空間裡沒有足夠的游離氧氣來支撐哪怕最小的火。在太空裡,你永遠擦不著一根火柴。與天空中所有的恆星一樣,太陽是一大團閃閃發光的等離子體,一個由電子、失去了部分電子的原子(它們被稱為離子)、失去所有電子的原子(僅剩下原子核)所組成的熾熱混合物。

只要太陽核心處還有足夠多的微小原子核可以壓縮融合,太陽的引力與聚變反應能量之間就能維持平衡,我們就能足夠幸運地生活在一個處於這樣狀態的恆星邊上。

事實上,這和運氣也沒什麼關係。

如果我們的太陽不處在這樣的狀態,我們也將不復存在。

現在你已知道,太陽不會永遠處於這種狀態:我們恆星的內核有一天會用光它的聚變燃料。當那天到來時,內核不再有足夠的向外輻射來對抗引力。引力將打破平衡並引發我們恆星的最終一系列反應:太陽將塌縮而變得更緊密,直到核聚變再次被點燃,但這次核聚變發生的場所將不再是內核,而是發生在離表面更近的地方。這時再次開始的核聚變將無法與引力平衡,而是超過引力,太陽表面將被推開,令恆星體積變大。你已經在通向未來的旅程中見過這一幕。能量的最後釋放預告著你已見過的恆星死亡的開始,太陽將自己一生所創造的各種原子噴向太空,同時,還創造出更多、更重的原子,如金原子。最後,這些原子與周圍其他死去的恆星殘骸混合在一起,變成星塵,形成巨大的星雲,或許,在很遠很遠的未來,又成為新世界產生的種子。

科學家們通過估算太陽內核中氫原子的含量來推測這次爆炸將會發生的時間,計算結果是:太陽的爆炸將發生在五十億年後的某個星期四,前後誤差各三天。

  1. 我猜想你或許已知道,但我還是解釋一下,以防萬一:在公式E=mc2中,E表示能量,m表示質量,c表示光速。所以這個你在本書中所能看到的唯一方程式,表示的是你可以用這種方式將質量轉換成能量或將能量轉換成質量。​​​​​