今天宇宙中濃縮能量的最大來源是星光,在那裡,宇宙中最大的單個物體通過最小的過程釋放出巨大的能量:亞原子粒子的核聚變。如果你碰巧在一顆圍繞這樣一顆恆星運行的軌道上,它可以為你提供所有必要的能量,以促進複雜的化學反應,這正是地球表面發生的事情。
這是怎麼發生的?在恆星的深處——包括我們太陽的核心——光元素在極端條件下融合成更重的元素。在超過400萬開爾文的溫度下,在密度是固態鉛的十倍以上的情況下,氫原子核(單個質子)可以通過鏈式反應融合在一起形成氦原子核(兩個質子和兩個中子),在此過程中釋放出大量的能量。
乍一看,你可能不會認為能量是被釋放出來的,因為中子比質子的質量略大:大約0.1%。但是,當中子和質子結合成氦原子時,四個核子的整體質量——大約是0.7%——要比單個的、未結合的成分小得多。這個過程使核聚變能夠釋放能量,正是這個過程為宇宙中絕大多數恆星提供了能量,包括我們的太陽。這意味著每次太陽將4個質子融合到氦-4原子核中,就會釋放出28兆電子伏的能量,這是通過愛因斯坦的E = mc2的質能方程計算得出的。
總之,通過觀察太陽的輸出功率,我們測量,如果它發出一個連續4×10^26瓦的能力就意味著在太陽的核心,每秒高達4×10^38個質子融合成氦- 4。
如果你考慮到整個太陽中大約有10^57個粒子,其中略少於10%在核心,這聽起來可能並不牽強。畢竟:
這些粒子以巨大的能量四處移動:每個質子在太陽核心中心的速度約為500公裡/秒。密度非常大,所以粒子碰撞非常頻繁:每一個質子每秒與另一個質子碰撞數十億次。因此,只需要這些質子-質子相互作用中極小的一部分,就能產生太陽所需的能量。因此,即使太陽中的大多數粒子沒有足夠的能量來到達那裡,它也只需要很小的比例融合在一起就可以為我們所看到的太陽提供能量。所以我們做了計算,計算了太陽核心裡的質子是如何分布它們的能量的,我們得出了一個數字這些質子-質子碰撞有足夠的能量進行核聚變。
這個數字是零。這兩個帶正電荷的粒子之間的電斥力太大,即使是一對質子也無法克服它,並與太陽核心中的能量融合在一起。請注意,當你考慮到太陽本身的質量比宇宙中95%的恆星都要大時,這個問題只會變得更糟!事實上,每4顆恆星中就有3顆是m級紅矮星,它們的最高核心溫度還不到太陽的一半。
只有5%的恆星產生的溫度和太陽內部的溫度一樣高。然而,核聚變發生了,太陽和所有的恆星都會釋放出這些巨大的能量,不知何故,氫變成了氦。秘密在於,在基本層面上,這些原子核不僅僅是粒子,而是波。每個質子都是一個量子粒子,包含一個描述其位置的概率函數,使相互作用的粒子的兩個波函數發生輕微的重疊,即使排斥力將它們完全分開。
這些粒子總有可能經歷量子隧穿,最終進入更穩定的結合狀態(例如氘),從而釋放出聚變能,並允許鏈式反應繼續進行。儘管量子隧穿的概率是非常小的,任何特定的與質子間的交互在10^28分之1,或者就像你連續三次贏得強力球彩票一樣,這種極其罕見的相互作用足以解釋太陽能量(以及幾乎所有恆星的能量)的全部來源。
在量子力學的幫助下,描述了太陽如何發生核聚變如果不是因為宇宙中每個粒子的量子性質,以及它們的位置是由波函數描述的,而波函數對它們的位置具有固有的量子不確定性,這種使核聚變發生的重疊就永遠不會發生。今天宇宙中絕大多數的恆星都不會被點燃,包括我們自己的。我們的宇宙將是荒涼而冰冷的,絕大多數恆星和太陽系都沒有被寒冷、罕見、遙遠的星光照亮。
是量子力學的力量讓太陽發光。從根本上說,如果上帝不和宇宙玩骰子,我們就永遠不會連續三次贏得強力球。然而,有了這種隨意性,我們一直都在贏得勝利,獲得了數百千瓦的持續能量,而我們就在這裡。