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我们熟知的太阳,竟是一个量子物体?

2016-6-14不详佚名

宇宙最强大的聚合能源来自恒星。这些单一天体,能够通过存在于微观世界里的亚原子核聚变,展现出惊人的威力。恒星为我们提供了生命需要的一切能量,正如地球受太阳所赐。

这一切究竟是怎么发生的?

在恒星的内心深处,较轻的元素能够在极端条件下聚合成较重的元素。那里的温度超过400万K,密度比固态铅的10倍还高。

在那里,氢原子核,也就是单个质子,能够通过链式反应,聚合成由2个质子和2个中子构成的氦原子核,并在这个过程中,释放出巨大的能量。

我们熟知的太阳,竟是一个量子物体?

▲发生日冕物质抛射现象的太阳

在此过程中,2个氢核首先会聚变成由1个中子和1个质子构成的重氢核,并释放出正电子和中微子;随后重氢核会和再次氢核发生聚变,释放出伽玛射线,并产生一个由2个质子1个中子构成的氦3核;最后,氦3核和氦3核发生聚变,在释放出2个质子后,生成由2个质子和2个中子构成的氦4核。

中子的质量只比质子小0.1%,但当含有2个质子和2个中子的氦4核形成时,它的整体质量会比单一质子质量之和少0.7%。丢失的那部分质量,就以能量的形式被释放了出来。

太阳每秒钟会输出4*10^26瓦的能量,这就意味着在太阳内部,每秒钟有大约4*10^38个质子被聚变成氦4核。

我们熟知的太阳,竟是一个量子物体?

▲太阳内核的链式核聚变反应

太阳总共包含约10^57个粒子,其内核大约占到10%左右。在太阳的内核中,粒子带有极高的能量。它们的运动速度可达每秒500千米。太阳内核的密度也极高,因此每个质子每秒钟都会和其它质子发生几十亿次碰撞。这其中,只有一小部分,大约10^28分之一的质子相互作用,能够导致核聚变反应生成重氢,进而释放出能量

因此,太阳内部只有一小部分的粒子参与了核聚变反应。

如果按照常规想法,对太阳内核中质子能量的分布进行计算,算出拥有足够的能量,能够将聚变反应维持下去的质子数量,我们就会发现,这个数量几乎是零。因为两个带有正电的粒子间存在着斥力。即便在太阳内部的高能环境下,这种斥力的存在也会导致一对质子无法靠近,更不用说发生聚变。

顺着这个思路往下想,你会发现,宇宙中大部分恒星都不可能存在。太阳虽然是一颗中等质量的恒星,但它的质量比宇宙中95%的恒星都高,其内核的温度也是如此。宇宙中3/4的恒星是M级的红矮星,它们的内核温度只有太阳的一半都不到。

宇宙中只有5%的恒星内核温度高于太阳,但是持续的核聚变还是发生了,氢还是能够聚变成氦。

这其中的奥秘在于,在基础层面上,这些原子核的表现并不像我们通常印象中的粒子,而更像一种波。在那里,质子都是量子化的。它们的位置,都需要用概率函数来进行描述,而它们的波函数,也有机会发生轻微的重叠。

因此这些粒子能够进行量子隧穿,进而有机会达到更稳定的束缚态——比如氘。在此过程中聚变能的输出成为可能,链式反应的维持也成为可能。尽管在特定质子对之间发生量子隧穿的可能性非常小,小到只有10^28分之一,但已经足以解释太阳以及所有恒星能量的来源了。

我们熟知的太阳,竟是一个量子物体?

所以说,假如宇宙中的粒子不具有量子特性,假如不存在波函数,假如它们的位置不具有内在的量子不确定性,恒星内部的核聚变反应就没有机会发生。如果是那样,那我们的世界就会变得荒芜而寒冷,大多数恒星和太阳系也会是漆黑一团。

是量子力学让太阳能够发光。从根本上来说,假如上帝不和宇宙玩骰子,我们就没有机会出现。是宇宙基本层面上的这片混沌造就了我们。

本文来源:不详 作者:佚名

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