李志宏
破解恒星能源之谜的科学家们 精选
2021-7-31 12:36
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破解恒星能源之谜的科学家们


我们现在知道太阳只是一个普普通通的恒星,位于银河系边缘的一个旋臂上。地球上的生物都离不开太阳,它好像拥有无穷无尽的能量。太阳的能量使地球表面变暖,为大气和洋流的巨大传递提供动力。有了太阳能,植物才能进行光合作用,才能生长。可以说,太阳能是地球的主要能量来源,也是生命之源。

 

我们可以用一个冰块测量一下太阳的火力:从冰箱中取一块能够测量体积的冰,放在一个透明的盒子里,拿到太阳下,测量一下冰块完全融化所需要的时间。根据冰块的溶解热可以推算出它吸收的太阳能,再把冰块的顶面积放大4πr2倍就可以计算出太阳放出的热能,其中r为日地距离1.5亿公里。这个值是非常巨大的,但它仅是太阳能量的一部分,考虑到整个电磁波段,太阳的辐射功率高达100万千瓦。

 

二十世纪初,科学家们对太阳何以能辐射出如此巨大的能量还没有令人信服的解释。 尽管当时物理学已经取得了重大进展,许多人认为剩下的物理科学已经不多了。但他们无法解释太阳是如何持续释放能量的,它的辐射好像是无限期的。 能量守恒定律要求存在与从太阳表面辐射能量相等的内部能量源。 当时已知的唯一重要能源是木材和煤炭。 知道太阳的质量和它辐射能量的速率,很容易证明,如果太阳开始时是一块固体煤,它会在不到 2000年的时间内燃烧殆尽。 很明显,这太短了——因为太阳至少同地球一样古老。

 

早在 19 世纪,大多数地质学家就认为地球可能会无限古老。 这个想法遭到了著名物理学家威廉·汤姆逊的争议,他后来被封为开尔文勋爵,我们熟悉的温度单位就是由他的名字命名的。 汤姆逊他对这个话题的兴趣始于1844 年,当时他还是剑桥大学的本科生。为了评估地球的年龄,汤姆逊试图计算地球从初始熔融状态冷却到当前温度所用的时间。 1862年,他估计地球的年龄为1亿年。令生物学家懊恼的是,开尔文计算的地球年龄没有给物种演化留下足够的时间。 在接下来的几年里,地质学家、古生物学家、进化生物学家和物理学家加入了一场关于地球年龄的旷日持久的辩论。 在此期间,开尔文将他的数字修改为介于2000万年和4000万年。 地质学家试图根据岩层沉积所需的时间或侵蚀岩层所需的时间进行定量估计,他们得出的结论是,地球的年龄一定比开尔文的数值大得多。 然而,这样的计算需要太多的未知因素,通常被认为是不可靠的。 在达尔文的书《物种起源》第一版中,根据估计侵蚀英格兰南部南北丘陵之间山谷的时间,计算出地球的年龄为 3 亿年。 这一结果受到了大量的批评,以至于达尔文从后续版本中撤回了这一论点。

 

有关地球年龄的争议直到20世纪初才得到解决,物理学家欧内斯特·卢瑟福意识到放射性(由亨利·贝克勒尔于1896 年发现)为地球提供了一种内部热源,可以减缓冷却速度,这个过程使地球比原先设想的更古老。放射性纪年是一种准确测量地球年龄的方法,根据地球上一些放射性元素的含量估算,我们的星球至少有46亿年的历史。因此,地球的年龄给太阳的年龄设定了一个下限——46亿年。这一发现重新引发了关于太阳能量来源的争论——究竟是什么机制可以让太阳如此持久地发光发热?引力能和燃烧能均没有这样的威力。

 

问题的解决主要归功于以下五位科学家:

 

第一个科学家就是大名鼎鼎的阿尔伯特·爱因斯坦,他在1905年就做出推断:质量和能量是等价的,质量可以转化为能量。虽然有了这个重要的理论依据,但科学家们还无法想象太阳里面是如何操作这一转换过程的。

 

第二位科学家叫做弗朗西斯·阿斯顿。他是一位化学家,因对原子质量的准确测量获得了1922年的诺贝尔化学奖。他对氢原子和氦原子的质量测量结果表明,四个氢原子的总质量要比一个氦原子的质量略大。阿斯顿在准确性方面的声誉非常高,以至于科学界很快就被他的结果所说服。

 

第三位科学家是英国天体物理学家爱丁顿,他根据爱因斯坦和阿斯顿的结果于1920年左右提出:如果太阳中能够让四个氢原子能够结合成一个氦原子,则亏损质量转换成的能量就足以使太阳维持数百亿年。可是,根据当时的物理学理论,太阳核心的温度仅有1600万度,原子在该温度下的热运动能量还远低于库仑位垒,不足以让核反应发生。

 

第四位科学家就是那位风趣幽默的科学家伽莫夫,他首先把量子力学引入核反应计算。指出即使在入射能量低于库仑位垒的情况下,入射粒子也能通过量子隧道效应接近靶核,并与靶核发生反应。但是,他在解决由四个氢原子转变成一个氦原子的途径时遇到了计算困难。

 

第五位科学家就是那位计算能力超强的科学家汉斯·贝特。1938年,伽莫夫盛情邀请贝特参加自己主办的恒星能源研讨会,硬生生把贝特从核物理圈拉人天体物理圈。从后来的结局来看,就如同将本该属于自己的诺贝尔物理学奖拱手相让。贝特不负众望,不但解决了氢和氢这个有弱相互作用参与的核反应计算难题,还提出了通过pp反应链和CNO循环能够使恒星中的四个氢原子转变成一个氦原子的难题。

 

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 太阳核心发生的pp链反应


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恒星中的CNO循环反应


根据贝特的计算结果,太阳中的氢燃烧能够持续100亿年,支撑太阳长期放光发热的能源来自核反应,也只有核反应能维持太阳长达数十亿年的辐射。这些研究结果不但解决了太阳能的来源之谜,也为恒星演化,元素起源,恒星的命运和结局研究奠定了基础。


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