表面5500攝氏度，核心1500萬攝氏度，太陽為何這麼燙？

「前人栽樹，後人乘涼」，這句話同樣適用於自然科學領域，一條幾頁紙就能寫明白的定律，也許是幾代科學家的心血和努力。

就拿文章標題來說，「太陽很燙」這是一個人盡皆知的事實，如果要問你太陽為何這麼燙？可能有些朋友要答不上來，但肯定也有些朋友能不假思索的回答：核聚變。若此時再繼續追問為何是核聚變？可能就曲高和寡了。

回答太陽為何很燙這個問題，實際上就是尋找太陽的運行原理，而這是一段跨越兩個世紀的光輝歷程，也許讀完你就會知道為什麼人類要相信科學。

太陽運行假說

17世紀初望遠鏡被人類發明，使我們能看的更遠，然而直到基爾霍夫等人發明光譜分析法之前的兩百多年裡，人類對於天體的某些屬性（比如太陽的組成元素）並沒有比以前了解的更多。

但這並沒有阻擋科學家們對太陽如何運行這一問題的研究和猜想，雖然他們不知道太陽是如何組成的，甚至連太陽表面的溫度都不知道（通過肉眼觀測以及日常經驗，只知道太陽應當非常「燙」）。

• 第一個假說：太陽有一層異常炎熱的大氣存在

提出這個假說的就是被譽為恆星天文學之父的赫歇爾（1738-1822年），他之所以做出這樣的結論是因為太陽黑子的存在，讓其堅信太陽有著一個低溫堅固的表面，黑子就是這個表面透過炎熱大氣縫隙露出來的，而且太陽上還有生命存在（實際上，赫歇爾不僅認為太陽上存在生命，對於其它很多行星也是相同的態度）。

實際上我們今天知道，所謂的太陽黑子只不過是太陽光球層的一些低溫區域，之所以是黑色，那是相對於其它高溫區域而言，但黑子區域的溫度仍舊有數千攝氏度，把地球熔了不成問題（其典型直徑足足有一萬公裡，要知道地球直徑不過一萬二千公裡）。

然而赫歇爾雖然作為天文學元老，但他的假說實在是過於荒唐了，一個很簡單的反駁，那些炎熱大氣的能量來源在哪？既然認為太陽有個低溫表面，那就沒法解釋炎熱大氣的成因了，因為沒有能量補充，大氣會很快暗淡下去。

• 第二個假說：太陽是一個大煤球（恐怕各位讀者朋友都聽過這個說法吧）

但計算表明，像太陽那麼大尺寸的煤球，持續燃燒也頂多堅持個兩千年，而這個時間明顯過於短暫了，雖然那時候科學水平沒現在發達，但根據當時的星雲假說，地球與太陽形成時間相差不大，而那時對地球年齡的研究表明，至少是千萬年級別。

• 第三個假說：引力收縮說

這個假說認為太陽之所以能一直維持表面高溫，是因為每時每刻太陽的體積都在縮小，只不過縮小的幅度非常之小，相對於140萬公裡的現有直徑來講，人類根本發現不了太陽體積的異常，而體積收縮就能抵消熱量消耗帶來的光度降低問題（所謂光度，可以理解為太陽每秒發出的能量大小，雖然當時人類可以粗略的測出光度，但卻沒法算出表面溫度，這個問題直到後來的科學家斯特藩和玻爾茲曼的出現才得以解決，但當時已經快接近二十世紀了）

並且這樣一來，太陽的運行時長也就很自然的延長到了千萬年乃至億年的級別上，這個假說得到了湯姆遜（發現電子的那位）的大力支持，因此人們對這個假說的認可一直延續到了後來愛丁頓提出太陽的核聚變運行原理為止。不過關於愛丁頓的太陽核聚變理論，因為涉及的方面比較多，所以就不放到這節了，另起做相關介紹。

太陽內部核聚變假說

上世紀頭二十年，科學家們在微觀領域陸續取得了一些成就（由於量子理論的提出和發展），當時英國著名的天文學家愛丁頓就想到了一種可能性：如果太陽內部存在這樣一個過程，質子聚合到一塊，升級為重原子核，那麼前後產生的質量差按照愛因斯坦的質能方程，就會以能量的形式釋放出來，這不就解釋了太陽如何運行了嗎？

關於這個想法，我們今天將其稱為「核聚變」假說，但嚴格來說，這還不能叫做核聚變，因為當時中子還沒有被發現，微觀領域的強弱相互作用也沒建立，但愛丁頓的大體說法並沒有錯，因為核聚變的核心就是質子的聚合，這樣才有元素的轉變。

並且還要提一點，雖然愛丁頓在1920年就提出了這個假說，但限於當時的科學發現，他並不能完全確定太陽內部發生的是氫元素轉變為氦元素的這個聚變過程，因為當時的人們只知道太陽內部的元素組成中含有氫氦元素，然而這些元素各自的佔比卻沒人知道。

有人說太陽光譜不是早就被發現了嗎？元素分析應該不是難事吧？不不不，你想得太容易了。這件事對實際上對太陽的研究至關重要，因此我們先暫停一下太陽核聚變的過程，中途插一節對光譜分析元素的簡單介紹。

光譜分析太陽元素

這件事最早要說到牛頓利用三稜鏡將太陽光分解出七色光，但這個故事實在是太家喻戶曉了，咱們就不細說了，只要知道一點，當初牛頓弄出來的七色光實際上就屬於光譜，但是非常粗糙，並不能得到更加深入的信息。

直到19世紀初，一位名叫夫琅禾費的科學家發明了分光儀，用這個儀器可以將當初牛頓分解出的七色光做進一步的細分，他發現在光譜中竟然存在數量多達上百條的暗線，可惜的是夫琅禾費到死都沒搞清楚這些暗線的緣由。

而最終這項任務是由基爾霍夫等人解決的，他們發現當加熱某些元素所得到的光線，穿過相同元素製備的蒸汽環境後，光譜就會出現暗線。沒錯，這和太陽光譜中的那些暗線是一回事，因此我們就可以分析出太陽的組成元素是什麼。

不過光分析出元素種類實際上還沒有完成任務，因為我們還需要進一步的知道各種元素的佔比是多少，然而這樣的事情卻困住了科學家，基爾霍夫等人研發出光譜分析法是1860年左右的事情，而後過了六十五年，這個問題才被人解決。

一位名為「塞西莉亞·佩恩·加波施金」的女性天文學家，時年25歲的她（1925年），將光譜分析與當時還處於發展期的量子理論結合，計算出了太陽內部元素的各自佔比，她發現，在太陽中含量最多的元素是氫，其次是氦，這兩種元素幾乎佔滿了整個太陽。

但這一結論在當時卻引起了很多學界大佬的反對，因為他們堅持認為太陽上的元素應該以重元素為主（看到這，可能有種恍如隔世的感覺，這麼「簡單」的常識，怎麼能到1925年才被人發現呢）。

量子隧穿效應

上節我們簡潔介紹了光譜分析太陽元素組成的歷史，接下來我們接著來講太陽核聚變，估計有朋友在上節注意到了一個詞——量子理論，除了元素佔比的研究中需要涉及量子理論，在太陽核聚變中也涉及量子理論，其中最為重要的一個就是量子隧穿效應。

實際上在愛丁頓當初提出核聚變假說時，也遭到了很多同行的反對，認為核聚變太誇張了，因為質子間的聚合需要突破一個非常大的阻礙——庫侖力，也即是電磁力會阻撓兩個帶正電的質子相聚，如果要衝破這層阻礙，那就意味著太陽內部需要極其誇張的溫度，可能要達到上億攝氏度。

不過這件事在之後得到了妥善解決，因為1928年伽莫夫基於量子力學提出了量子隧穿效應（也被稱為隧道效應），這個效應放到上面的質子聚合的例子來說，就是在不需要極度高溫的情況下，質子們也有可能發生核聚變。

如果打一個生動的比方，就相當於我們可以在微觀世界裡實現「穿牆術」。

我們知道，在宏觀世界中，一個人想要穿牆而過，卻不破壞牆是不可能的一件事，然而放在微觀世界，將電磁力比作一堵牆，那麼質子就是想要穿牆的那個人，因為是發生在微觀世界，所以我們必須要考慮到一個原理——「測不準原理」，這個原理可以用能量與時間的關係來表述出來，相當於一個質子有概率能在一個極短的時間內獲得極高的能量來穿過電磁力設下的牆，隨後能量又會快速下降。

限於篇幅的原因，我們這裡不能詳細的講述這個過程，可能說的有些玄幻，那我就直接舉一個實際例子來證明，有一種被稱為掃描隧道顯微鏡的裝置，可以用來「觀測」原子的分布情況。

用的就是量子隧穿效應，具體來說就是顯微鏡的特製探針與物體表面相距很近時（納米級），由於二者波函數疊加，使得電子具有從物體「穿」到探針上的可能，而電子移動就會帶來所謂的隧道電流，當物體表面起伏不定時，電流大小也會變，或者保持電流穩定，那就要探針的高度不斷變化，說到這，可能很多朋友都明白了，根據這些數據，我們就能模擬出物體表面的原子分布情況。

接著剛才的質子聚合說，因為有了量子隧穿效應的幫助，理論上太陽內部發生核聚變的溫度條件會得到很大降低，然而事情還遠沒有結束，因為核聚變可不光是質子的事情，還有中子啊（這個中子，1932年才被實驗發現），還有能量如何釋放的問題。

質子—質子鏈

為了徹底搞清楚太陽內部核聚變的過程，在中子被發現以及微觀尺度上的強弱相互作用理論的相繼發展後，科學家們終於有了能力了。

我們首先來看單個質子間的反應，在量子隧穿的幫助下，質子們不需要極高的溫度條件(大約1500萬攝氏度即可）就能走到一塊（這中間涉及到強核力，這種力在極短的距離上可以完全壓倒電磁力）,那麼兩個質子在一起後會變成什麼呢？

答案是一個氘核（包含一個質子和一個中子），一個正電子，一個中微子，可能有些讀者朋友沒有聽說過什麼是正電子和中微子，簡單介紹一下：所謂正電子，實際上是指帶有正電荷的電子，除此之外正電子與電子無異，寬泛來講，正電子屬於電子的反粒子，並且正電子在誕生後不久，就會與附近的電子發生湮滅作用，產生高能光子（由於每時每刻都有高能光子誕生，因此我們將其稱為伽馬射線）。

而中微子則是一個非常獨特的粒子，在一開始預測裡，科學家們認為它和光子一樣，沒有靜止質量，並且它也不帶電荷，只參與引力和弱相互作用，所以它可以毫無阻礙的從太陽內核飛出來，並且一路上都很冷靜，沒有什麼可以妨礙它，除了它自己。

單個質子間的核反應我們了解了，但這還遠遠不夠，因為反應生成的氘核還將繼續與質子發生反應，整個過程如下圖所示：

我們將其稱為質子—質子鏈反應，其中氘核與單個質子會生成氦3，之後兩個氦3會生成氦4，在這兩個反應中都會有高能光子誕生。

我們將這幅圖總結一下，整個淨反應是：四個質子結合成氦4，中間以伽馬射線的形式釋放能量，並且順帶飛出兩個中微子。

需要補充一點，在太陽內部的核聚變反應中，並非只有這一種形式，但這種形式的質子—質鏈反應是最普遍的，太陽所產生的90%的光都是從這開始的。

中微子—太陽核聚變的鐵證

先前的講解可以說在理論層面上，太陽的運行機制已經完全自圓其說了，然而理論上的自洽性並不能說明更多問題，物理講究客觀驗證，你既然說太陽內部發生的核聚變反應，那麼證據呢？

首先你不能一頭扎進太陽裡找證據，找到也沒機會出來了。此時讓我們回顧質子—質子鏈反應，會發現能夠飛出太陽的物質只有兩個：光子和中微子。

讓我們來看一下光子，雖然核反應產生的是高能光子，利用標準太陽模型以及日震學的觀測，我們可以確定這些高能光子通過內部輻射區後，會在對流層被全部吸收，之後隨著對流運動，從對流層邊緣，光球層位置上再次輻射出來，此時發射出的光子能量大為減弱（因此太陽表面溫度降至5500攝氏度左右），換句話說，那些原始光子早已不見，我們沒法利用它們驗證核聚變的準確性。

既然光子不行，那我們只能寄希望於中微子，所幸的是這條路在理論上走的通，在上一節我們簡單介紹過中微子，因此如果我們能夠探測到太陽中微子的相關數據，那幾乎就能成為太陽內部核聚變的鐵證。

並且太陽中微子在數量方面也非常可觀，根據理論計算，太陽每秒產生的中微子，在地球距離上，每平方釐米的面積上將有六百多億個穿過。

不過由於中微子它幾乎不與物質反應，因此如何能成功探測到中微子成了關鍵（最早的中微子探測實驗開始於上世紀五十年代），科學家根據特性，設計了幾種裝置，比如中微子能與一些元素發生反應，使其轉變為其它元素；再或者是中微子能與水分子的電子碰撞，使得一些電子能在水中產生切倫科夫輻射，這可以被儀器探測到。

然而早期的中微子探測實驗都出現了問題，那就是雖然探測到了太陽中微子存在，但數量卻與理論值相差很大，為了解決這個問題，科學家們用了幾十年的功夫，從實驗裝置到理論修改，最終找出了最可能的一條：會不會是中微子存在質量，如此一來，它在飛行途中，自身性質將有可能發生改變，成為其它類型的中微子，這個過程被稱為「中微子振蕩」。

中微子振蕩

最終在2001年，由加拿大薩德伯裡中微子觀測臺證實了中微子振蕩的存在，並且後續探測中，中微子總數也與理論值對應的非常好，至此，我們終於可以說：太陽內部的運行原理已經被搞清楚了。

從19世紀到21世紀，為了搞明白太陽為什麼這麼燙，兩百年，從理論到實際驗證，科學家們前赴後繼，最終才使得「核聚變」幾乎牢不可破，雖然僅僅是三個字，卻完美展示了自哥白尼開創日心說的這五百年以來，深深烙印在每一位科學先驅身上的「求真」二字。

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