人造太陽高達1億度,是太陽的7倍,為何地球沒有被「燒穿」?

2021-01-09 科學美少男

本文參加百家號#科學了不起#系列徵文賽。

有沒有想過中國「人造太陽」,運行溫度高達1億攝氏度,是太陽核心溫度的7倍,那麼地球上有什麼物質能靠近太陽不融化,甚至隔離太陽熱量?

實際上,地球上沒有任何物質能靠近太陽表面還能保持安然無恙,更不要說太陽核心的溫度,人造小太陽能成功是因為中國科學家可以讓核聚變的反應物「漂在半空中」,不與反應裝置發生接觸,這樣的技術在地球上經常上演,而且是自然發生的。

太陽VS地球物質

「天才就是1%的靈感加上99%的汗水,但那1%的靈感是最重要的,甚至比那99%的汗水都要重要。」——愛迪生

1887年,愛迪生給燈泡找燈絲時,連頭髮絲都拿來試,他用那99%的汗水,幫助人類試出來了地球上熔點最高的金屬單質——鎢,熔點達到了3410攝氏度,但鎢並非地球上熔點最高的物質。

地球上的非金屬單質中,石墨熔點達到了3900攝氏度,因此經常被用來做電刷、電極、原子反應堆中的減速劑等等。目前地球上已知熔點最高的化合物是鉿合金中的五碳化四鉭鉿(Ta4HfC5),熔點4215攝氏度。

不過,以上這些物質,在太陽面前完全不夠看的。太陽表面溫度達到了6000攝氏度,其核心溫度更是高達1500萬攝氏度,一切物質在太陽面前都熔成「漿」。不過,太陽溫度也不夠看,前不久中國「人造太陽」完成首次放電,運行溫度更是達到了1億度,那麼為何人造太陽沒有給地球燒穿個「窟窿」,反應裝置還安然無恙?

太陽核聚變

宇宙萬物的形成與相互作用主要源於四個基礎力,電磁力、強(核)力、弱力、引力,核聚變的源泉是核力。

太陽聚變反應原料是氫,氫核帶正電,想要聚核就要克服原子核與原子核之間的庫侖力,雖然核力比電磁力高兩個數量級,但核力卻是個「小短手」,只有距離足夠近才能發揮作用,否則只能被電磁力(同性相斥)推開。

因為四大基礎力有各自的尺度界限,所以原子之間的核聚變反應並不容易發生,否則我們身邊處處核反應。核聚變需要藉助外力,原子核具備巨大的動能時就能衝破電磁力的壁壘,就像跑跳肯定比立定跳得更遠。

太陽能發生核聚變成為恆星是因為質量夠大,促使引力夠大,內部溫度夠高,壓強也大。不過,即使這樣也達不到核聚變的條件,好在宇宙存在一個bug——量子隧穿,一些原子核可以走捷徑穿越壁壘,但隧穿效率低下,平均10億個原子核只有一對能成功。不過,太陽也因禍得福,緩慢的「燃燒」可以更長久。

人造太陽

人類沒有太陽那條件,無法享受宇宙BUG加持,只能硬鋼。最好的辦法就是在密閉的真空環境中,直接把反應原料溫度提升到1億度,從而使原子核獲得足夠的動能,因此核聚變反應也成為熱核反應。

在如此高溫情況下,一切物質都會被融掉,電子吸收能量會脫離原子核的束縛,反應裝置內演變成一鍋帶電粒子粥,原子核帶正電,自由的電子帶負電,它們統稱為等離子體,也叫做電漿。這就是地球上物質無法抗過太陽的原因。

太陽黑子暴動時經常把太陽自身的一些帶電的粒子流拋灑出去,稱為太陽風。人類之所以能在地球上安居樂業是因為地球磁場使高速帶電粒子流發生了偏轉,從而阻止它們落到地球表面。帶電粒子流會電離星球上的水分子,使他們電解成氫氣與氧氣,並吹走這些氣體,最終使星球喪失水資源。在兩極,我們經常能看到極光,這就是太陽風與磁場互相博弈產生的美景。

科學家也是基於電磁原理,在反應裝置中加入磁場,使電漿懸浮在真空環境中發生偏轉進行高速的圓周運動,從而防止它們觸碰到反應裝置,因此人類可以在地球上操作比太陽更高的溫度。

總結

目前,地球上已知熔點最高的物質是鉿合金,熔點高達4215攝氏度,而太陽表面溫度達到了6000攝氏度,內部更是達到了1500萬攝氏度,因此地球上沒有任何物質能在太陽中完整保存。不過,即使是這樣人類依然可以在地球上建造1億攝氏度的人造太陽,因為高溫狀態下物質都呈帶電的等離子態,科學家可以利用磁場使它們漂浮在真空之中進行圓周運動,不與反應裝置接受,因此地球不會被「燒」出一個窟窿。

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