太阳发光的惊人量子原因

　　太阳是地球表面绝大多数光、热和能量的来源，由核聚变提供动力。但是，如果没有在基本层面上控制宇宙的量子规则，聚变根本不可能。
　　关键要点 在太阳内部，质子和我们母星核心的其他原子核之间发生了大量的碰撞。 然而，如果我们计算出有多少粒子应该以足够的能量碰撞以参与核反应，克服它们的静电排斥力，我们发现没有。 这就是量子力学规则的用武之地，允许这些粒子进入量子隧道进入更稳定的状态，从而实现为我们的太阳提供动力的聚变反应。
　　正如我们所知，地球只是因为太阳的影响而充满生命。它的光和热为地球的每一平方米 - 当它处于阳光直射下时 - 提供恒定的~1500 W功率，足以使我们的星球保持在舒适的温度，让液态水在其表面持续存在。就像我们银河系中的数千亿颗恒星在宇宙中的数万亿个星系中一样，我们的太阳不断发光，随着时间的推移只是略有变化。
　　但是如果没有量子物理学，太阳根本不会发光。即使在像太阳这样的大质量恒星核心的极端条件下，如果没有我们的量子宇宙所需的奇异特性，为它提供动力的核反应也不可能发生。值得庆幸的是，我们的宇宙本质上是量子的，使太阳和所有其他恒星都能像它们一样发光。这是它如何工作的科学。
　　这种对猎户座星云最密集区域发现的恒星的一瞥，靠近梯形星团的中心，揭示了可见光，近红外和X射线光中的明亮点状源，因为许多非常年轻的恒星耀斑并发出不同数量的X射线。这个新的，邻近的系统富含恒星形成，为我们提供了一个拥有各种恒星颜色和质量的区域，但它们的核心都在经历核聚变反应。
　　(图片来源：X射线：NASA/CXC/宾夕法尼亚州立大学/E.Feigelson和K.Getman等人;光学：NASA/ESA/STScI/M. Robberto et al.）
　　星光是宇宙中最大的能量来源，贯穿其整个138亿年的历史，在热大爆炸之后。这些大而大量的氢和氦在首次形成时在自身的重力下收缩，导致它们的核心在加热的同时变得越来越密集。最终，在~400万开尔文的温度和超过固体铅的密度下，核聚变在恒星的核心开始。
　　但这里有一个难题：你可以准确地确定太阳中的粒子必须有多少能量，并计算这些能量是如何分布的。你可以计算太阳核心中的质子之间发生碰撞的类型，并将其与实际使两个质子相互物理接触所需的能量进行比较：克服它们之间的电排斥力。
　　当你进行计算时，你会发现一个令人震惊的结论：那里发生的碰撞为零，有足够的能量导致核聚变。零。完全没有。
　　来自太阳的太阳耀斑将物质从我们的母星喷射到太阳系中，就核聚变的＂质量损失＂而言相形见绌，核聚变使太阳的质量总共减少了其起始值的0.03%：相当于土星质量的损失。E=mc²，当你考虑它时，展示了它的能量，因为土星的质量乘以光速（一个大常数）的平方会导致产生巨大的能量。
　　（图片来源：NASA太阳动力学天文台/GSFC）
　　乍一看，这似乎使核聚变 - 因此，太阳发光的能力 - 完全不可能。然而，根据我们观察到的来自太阳的能量，我们知道它确实会发光。
　　在太阳内部深处，在温度在400万到1500万开尔文之间的最内层区域，四个初始氢原子（即单个质子）的原子核将以链式反应融合在一起，最终结果产生氦原子核（由两个质子和两个中子组成），同时释放大量能量。
　　这种能量以中微子和光子的形式被带走，虽然光子在到达太阳的光球并辐射到太空之前可能需要超过10万年的时间，但中微子在几秒钟内离开太阳，自1960年代以来，我们一直在地球上探测它们。
　　像Super-Kamiokande这样的实验，它包含巨大的（富含质子的）水箱，周围环绕着探测器阵列，是人类探测来自太阳的中微子的最灵敏的工具。截至2022年底，我们只有潜在的质子衰变的限制，但我们仍在不断探测太阳中微子，无论白天还是黑夜。
　　(图片来源：神冈天文台、ICRR、东京大学）
　　你可能会想到这种情况并感到有些困惑，因为这些反应如何释放能量并不明显。你看，中子的质量比质子略大：大约0.1%。当你将四个质子融合成一个包含两个质子和两个中子的原子核时，你可能会认为反应需要能量而不是发射能量。
　　如果所有这些粒子都是自由和不受束缚的，那将是真的。但是，当中子和质子被结合成氦这样的原子核时，它们最终被紧密地结合在一起，以至于它们实际上比它们单独的、未结合的成分要小得多。虽然两个中子有大约2 MeV（其中MeV是一百万电子伏特，能量的量度），但比两个质子的能量多 - 通过爱因斯坦的E = mc² - 氦核相当于比四个未结合的质子轻28 MeV。
　　换句话说，核聚变过程释放能量：大约0.7%的质子融合在一起被转化为能量，由中微子和光子携带。
　　质子-质子链最直接和最低能量的版本，它从最初的氢燃料中产生氦-4。请注意，只有氘和质子的融合才会从氢中产生氦;所有其他反应要么产生氢气，要么从氦的其他同位素中产生氦气。
　　(图片来源：Sarang/Wikimedia Commons）
　　我们观察到太阳在其整个表面上发出4×10²⁶瓦的连续功率输出。这种能量转化为大量的质子 - 大约超过10³⁸ - 每秒在这种连锁反应中融合在一起。当然，这是分布在巨大的空间中，因为太阳的内部是巨大的;普通人代谢他们的日常食物产生的能量比相当于人类大小的太阳体积更多。
　　但是，由于所有这些反应都发生在太阳内部，你可能会开始怀疑这些反应的效率如何。我们真的有足够的它们来产生太阳创造的所有能量吗？这真的能导致如此巨大的能量输出，并解释太阳是如何发光的吗？
　　这是一个复杂的问题，如果你开始定量地思考它，以下是你得出的数字。
　　太阳的解剖结构，包括内核，这是唯一发生聚变的地方。即使在令人难以置信的1500万K温度下，太阳在太阳中达到的最高温度，太阳每单位体积产生的能量也比典型的人体少。然而，太阳的体积足以容纳超过1⁰²⁸的成年人类，这就是为什么即使是低能量产生率也会导致如此天文数字的总能量输出。
　　(学分：美国宇航局/珍妮·莫塔）
　　太阳比我们一生中经历过的任何东西都要大得多，也更大。如果你把整个地球放在太阳直径上排列成一连串，那么需要109个地球才能完全穿过。如果你要把地球内的所有质量都拿走，你必须积累超过30万个才能等于我们太阳的质量。
　　总而言之，太阳有大约10⁵⁷个粒子组成，其中大约10%的粒子存在于定义太阳核心的聚变区域。在核心内部，这是正在发生的事情：单个质子的速度极快，在太阳的中心核心达到~500公里/秒，温度高达1500万K。这些快速移动的粒子数量如此之多，以至于每个质子每秒都会经历数十亿次碰撞。这些碰撞中只有一小部分需要在聚变反应中产生氘 - 只有1/10²⁸ - 以产生所需的能量。
　　这幅剖面图展示了太阳表面和内部的各个区域，包括核心，这是发生核聚变的唯一位置。随着时间的推移，核心中的含氦区域膨胀，最高温度升高，导致太阳的能量输出增加。
　　(图片来源：维基共享资源/开尔文之歌）
　　这听起来很合理，对吧？当然，考虑到发生质子碰撞的次数之多，它们的移动速度有多快，以及其中只有很小的，几乎无法察觉的一部分需要实际聚变的事实，这是可以实现的。
　　所以我们做数学。我们根据粒子在给定的能量和速度下拥有大量粒子的行为和运动来计算，有多少质子 - 质子碰撞有足够的能量在这些反应中引发核聚变。
　　要到达那里，所有两个质子所要做的就是足够接近以物理接触，克服它们都有正电荷的事实，并且像电荷排斥一样。
　　那么，太阳核心中每秒碰撞数十亿次的~10⁵⁶质子中有多少实际上有足够的能量导致聚变反应发生？
　　正好为零。
　　当两个质子重叠时，它们可能会根据它们的性质融合成复合状态。最常见，最稳定的可能性是产生由质子和中子组成的氘子，这需要发射中微子，正电子，可能还有光子。
　　(学分：村野惠子）
　　然而，不知何故，它发生了。核聚变不仅成功地为太阳提供动力，而且恒星的质量远不如我们自己的恒星，核心温度也低得多。氢气转化为氦气;发生融合;星光被创造出来;行星变得可能适合居住。
　　那么秘诀是什么呢？
　　这是量子物理学发挥作用的关键所在。在亚原子水平上，原子核实际上并不是单独的粒子，而是波。当然，你可以测量质子的物理大小，但这样做会使它的动量本质上是不确定的。你也可以测量质子的动量——基本上是我们计算它的速度时所做的——但这样做会使它的位置更加不确定。
　　相反，每个质子都是一个量子粒子，它的物理位置最好用概率函数而不是固定位置来描述。
　　该图说明了位置和动量之间的内在不确定性关系。当一个被更准确地知道时，另一个本质上就不太能够准确地被知道。其他对共轭变量，包括能量和时间，在两个垂直方向上旋转，或角位置和角动量，也表现出同样的不确定性关系。
　　(图片来源：Maschen/Wikimedia Commons）
　　由于这些质子的量子性质，两个质子的波函数可以重叠。即使是没有足够的能量来克服它们之间的排斥力的质子也可以看到它们的波函数重叠，这种重叠意味着它们经历量子隧穿的概率有限：在那里它们最终可以处于比它们最初的自由状态更稳定的束缚态。
　　一旦你从两个质子（困难的部分）形成氘，链式反应的其余部分就会很快进行，导致氦-4在短时间内形成。
　　但是形成氘的概率很小。事实上，对于太阳核心中发生的任何特定质子-质子相互作用，几乎所有的质子-质子相互作用都会产生可以想象到的最简单的结果：它们的波函数暂时重叠，然后它们停止重叠，你得到的只是两个质子，和你开始时的质子一样。但是在极少数的情况下，大约每10²⁸次碰撞中有1次（还记得前面的数字吗？），两个质子最终融合在一起，产生一个氘，以及一个正电子和一个中微子，可能还有一个光子。
　　当两个质子在太阳中相遇时，它们的波函数重叠，允许暂时产生氦-2：一个双质子。几乎总是，它只是分裂回两个质子，但在极少数情况下，由于量子隧穿和弱相互作用，会产生稳定的氘（氢-2）。
　　(学分：E.西格尔）
　　当太阳核心中两个质子的波函数重叠时，除了恢复为两个质子之外，它们做任何事情的可能性很小。它们融合在一起形成氘核的几率与连续三次赢得强力球彩票的几率大致相同：天文数字小。然而，太阳内部有如此多的质子，以至于这种情况经常成功发生，以至于它不仅为我们的太阳提供动力，而且为宇宙中几乎所有的恒星提供动力。
　　在过去的45亿年里，这种情况在我们的太阳中发生了足够多的次数，由于核聚变和爱因斯坦最著名的方程：E = mc²，它已经失去了大约土星的质量。然而，如果不是因为宇宙的量子性质，核聚变根本不会在太阳中发生，地球将只是一块漂浮在太空深渊中的冰冷、没有生命的岩石。只是因为位置、动量、能量和时间固有的不确定性，我们的存在才有可能。没有量子物理学，太阳就无法发光。在非常真实的意义上，我们确实赢得了宇宙彩票。