本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
你知道嗎?不僅地球每年都在遠離太陽,太陽系的其他行星也一步步地遠離太陽,這是怎麼回事呢?其實這裡面包含著兩個重要的物理學知識:核聚變,質能方程。我們來分析一下!
太陽燃燒的秘密
宇宙中的生存法則是:質量為王,質量不僅決定著一個恆星的壽命,還決定著它的命運。而這一切,又和它們的引力息息相關。
我們知道,質量越大的天體,引力也越大。在太陽系,太陽的質量佔據整個星系質量的99.86%以上,因此太陽內核的壓力特別高,溫度也急劇升高,達到了1500萬度和200多個大氣壓。
我們知道,想要使氫原子核發生核聚變,溫度要達到1億度左右,但是太陽內核溫度遠遠沒有達到如此高的溫度,又是怎麼引發的核聚變呢?
其實答案很簡單,在這麼高的溫度以及大氣壓下,構成物質的粒子以等離子態分布在太陽內核(區別於常見的:固態、液態、氣態)。
在等離子態下,物質很難保持原子狀態,而是原子核以及電子到處亂竄。原子核帶有正電,根據異性相吸、同性相斥的原則,兩個原子核很難相互,因此非常難發生核聚變反應。
但在微觀世界裡,有一種現象叫做量子隧穿效應,意思是說,在宏觀世界中需要消耗非常多能量才能做成的事情,在微觀世界裡有一定的概率可以發生。
因此,太陽內部每時每刻都在緩慢著發生核聚變反應。這也是為什麼,太陽沒有像原子彈一樣一下子全炸了的原因。
地球為什麼會遠離太陽?
通過上文你一定了解了太陽每時每刻都在發生著核聚變反應,核聚變釋放出了大量的能量跑向太空中,其中我們能接收到的太陽能量,其實非常少。
我們以金錢為例,假如太陽每秒鐘向宇宙撒錢,被人類每秒接收並利用的能量算是1元錢的話,這意味著太陽每秒要向宇宙撒23萬億元錢。
而太陽每秒散發的這些能量,最終都是以質量損失為代價。
根據愛因斯坦質能方程我們知道,能量和質量其實是一回事,只是匯率不同,這個匯率就是質能方程式:E=mc^2。
其中E是能量,而質量是m,匯率是c^2,其中c指的是光速,光速是常數:299792458m/s;那麼這個等式可以寫成:能量=質量*(299792458m/s)^2。
由此我們可以知道,能量和質量是一回事,損失能量也等於損失一定的質量,通過計算可以得知,太陽每秒鐘損失420噸的靜止質量。
雖然這個質量對於人類來說非常恐怖,但相比於太陽1.9891*10^30千克的質量,每秒鐘損失的質量佔比非常小,幾乎可以忽略不計。
但隨著時間的增加,太陽累積消耗的質量越來越多。
我們知道,在宇宙中質量越大的天體,引力也越大。由於太陽每天都在減少質量,因此它的引力也在逐漸減少,而地球之所以圍繞著太陽轉動,是因為太陽引力的作用,當引力減小時,地球也會逐漸遠離太陽。
不過,地球大概每年遠離太陽1.5cm左右,這個距離對於日地距離的1.5億公裡而言小到幾乎可以忽略不計,因此不會對人類造成什麼影響。
地球遠離太陽,對地球是好事嗎?
其實,地球遠離太陽,無論經過多少年,對地球環境都沒有較大的影響。這是由太陽的壽命以及日地距離決定的。
我們知道,太陽將會在50億年後迎來生命的終點,但它質量的減少,導致引力越來越無法控制核聚變,於是輻射能量增加,地球的溫度也會增加,大概20億年後,地球將不再適宜生物生存。
儘管地球每年遠離太陽1.5cm,但20億年後也只會遠離太陽300km,而目前日地距離為149,597,870,700米,所以,地球遠離太陽並不會對人類產生較大的影響。
總結:
通過核聚變反應我們知道,太陽每秒鐘都在發生著核聚變,核聚變產生的能量以電磁波和中微子的方式散發到宇宙中。
通過愛因斯坦質能方程我們知道,質量和能量其實存在著等價關係,這意味著太陽損失的能量,其實對應著是一部分質量。
宇宙中天體的質量和引力大小有關,太陽不斷損失質量時,引力也會相應減少,因此地球會一步步遠離太陽,但由於每年遠離的距離非常微弱,因此不會對人類產生影響。
地球將會在20億年後不適宜人類居住,而地球20億年遠離太陽的距離,並不會引起地球環境發生較大的改變,因此也不會對人類產生較大的影響。