第一性原理：第4章 太陽為什麼是熱的
作者：[英]馬庫斯·喬恩
#第一性原理21
第4章 太陽為什麼是熱的
因為它的質量非常大。
太陽是一塊燃燒的石頭，它比希臘要大一點。
——阿那克薩哥拉(Anaxagoras)，公元前434年
太陽之所以是熱的，原因非常簡單：因為它的質量非常大。就像自行車打氣筒中的空氣會因被壓縮而變熱一樣，太陽中所有物質的龐大質量擠壓著其內核中的物質，所以太陽也就變熱了。太陽的核心溫度高達1500萬攝氏度，在如此高的溫度下，所有物質都被分解為一種被稱為等離子體的狀態。因此，雖然太陽是由大約1000億億億噸氫和氦構成的，但如果你把1000億億億噸烤豌豆罐頭或是1000億億億噸電視機堆在一起，它們也能像太陽一樣產生1500萬攝氏度的高溫。
由於太陽的溫度僅取決於其龐大的質量，因此即便完全不知道太陽的能量來源是什麼，我們也可以在探索太陽內部結構方面取得一些驚人的成果。[插圖]1920年，英國天體物理學家亞瑟·愛丁頓(Arthur Eddington)就做到了。他提出，由於太陽是一個巨大的氣體球，它既不膨脹也不收縮，因此在其內部任意位置上，向內的引力一定是與高溫氣體產生的向外的推力完全平衡的。他據此推測出太陽內部各層的性質變化，從結果上說，他“看見”了太陽的內部結構。
但是太陽的質量只能解釋為什麼它在此時此刻是熱的，而它每時每刻都在向宇宙空間釋放熱量。太陽的溫度沒有因此而下降，這意味著有什麼東西在不斷產生熱量，其速率與太陽散失熱量的速率一致。這個問題一度令科學家感到困惑。天王星的發現者威廉·赫歇爾(William Herschel)之子亨利·赫歇爾(Henry Herschel)寫道：“這個巨大的奧秘……是思考太陽這團巨大的火球是如何維持燃燒的。化學上的每個發現都令我們愈發睏惑，甚至讓原本有可能的解釋也變得希望渺茫。”
在19世紀那個蒸汽時代，物理學家們都思考過太陽是不是一堆巨大的煤炭。雖然沒人能夠解釋煤炭燃燒所需的氧氣是從哪裡來的，但是他們計算出，如果太陽的燃料是煤炭的話，它頂多只能燃燒5000年。當時，無數地質學和生物學證據都表明，地球的年齡遠不止5000年。今天，通過測定隕石——地球的建造者從它誕生之初遺留到現在的碎石，我們得知地球的年齡約為45.5億年，由此便可推測出太陽的年齡也是這個數量級，這差不多是煤炭太陽可維持燃燒時間的100萬倍。從另一個角度說，無論太陽的能量來源是什麼，它的能量密度一定是煤炭的100萬倍。直到20世紀初，人們才發現了太陽的能量來源：核能。
現在我們知道，太陽的能量來源是將最輕的元素氫原子的原子核聚合成第二輕的元素氦，而這個核聚變過程的副產物就是太陽光。
一個氫原子核只含有一個質子，而一個氦原子核含有兩個質子和兩個中子，因此，將氫聚變成氦的過程並不是一蹴而就的。在第一步中，兩個質子碰撞並結合。然而，只含有兩個質子的原子核是不穩定的，因此要完成這一步，其中一個質子必須變成中子。只有大自然的“弱”核力才能完成這種神奇的轉化，而這種力被稱為弱力也是有原因的。[插圖]在量子世界中，“弱”是“罕見”的同義詞（參見第15章）。實際上，在太陽內部，兩個質子發生撞擊，然後由弱力將其中一個質子變成中子，這個現象十分罕見，所有的質子都兩兩結合需要100億年才能完成（太陽的年齡約為50億年，因此它已經消耗了差不多一半的燃料）。
氫聚變為氦的第一步就如此難以完成，這意味著太陽產生熱量的效率很低。為了讓你對這種低效有一個直觀的認識，可以想象有一塊和你的胃大小和形狀都相同的太陽核心，相比之下你的胃產熱效率更高！你可能會問，既然太陽產熱效率這麼低，它為什麼還能保持這麼高的溫度呢？這是因為太陽並不只有這一小塊，而是由無數個和你的胃一樣大的小塊堆疊而成的。
通過拖延氫聚變為氦的第一步的發生，弱力確保太陽需要100億年才能將其內核中的氫全部轉化成氦。這是一件非常幸運的事，因為這為像我們人類這樣的複雜生命的演化提供了充足的時間。
實際上，在20世紀初，人們並不認為太陽的溫度足以引發核聚變反應。因為質子帶正電，兩個質子之間會產生強大的排斥力。要想讓它們足夠接近並克服排斥力，通過核力結合在一起，它們就必須具有極高的速度，這和具有極高的溫度是同一個意思。但是，計算表明，核聚變反應所需的溫度高達100億攝氏度，而愛丁頓所估算的太陽核心溫度為1500萬攝氏度，兩者相差約1000倍。
太陽是如何在理論值的1/1000的溫度下維持其核聚變反應的呢？要解釋這一問題，需要借助量子理論。具體來說，和其他亞微觀粒子一樣，質子也具有波的性質（參見第7章）。我們可以將質子的排斥力想象成一堵牆，而另一個接近的質子沒有足夠的能量越過這堵牆，就像讓跳高運動員挑戰5米高的橫桿一樣。這時輪到質子所具有的量子波動性質出馬了。波在本質上是可以傳播的，它可以穿過牆進行傳播，於是便存在一個很小的概率，使得質子可以自動跑到牆的另一側。
這種效應被稱為量子隧穿效應，即使太陽的溫度只有核聚變反應所需溫度理論值的1/1000，在量子隧穿效應的幫助下，質子依然可以相互靠近並結合。英國威爾士物理學家羅伯特·阿特金森(Robert Atkinson)和德國物理學家弗里茨·豪特曼斯(Fritz Houtermans)於1929年最早發現了這一點。豪特曼斯寫道：“那天晚上，我們寫完論文之後，我和一位漂亮的姑娘出去散步。夜幕降臨，星星接連出現在天空中，閃閃發光。‘星光閃耀真是太美了！’我身邊的姑娘贊嘆道。我挺起胸驕傲地說，‘就在昨天，我終於明白星星為什麼會閃耀了！’”
那天晚上，豪特曼斯一定和那位姑娘聊得很投緣，因為兩年後那位姑娘——夏洛特·里芬斯塔爾(Charlotte Riefenstahl)嫁給了他。準確地說，她總共嫁給他兩次，第二次是在1953年，此前的戰爭期間，他們曾被強制分居。
太陽產生熱量的速率和它向宇宙空間散失熱量的速率正好相等，這彷彿告訴我們它自帶一個天然的恆溫器。事實的確如此。如果產生的熱量太多，太陽的氣體就會膨脹並冷卻，使核反應速率下降；如果產生的熱量太少，太陽的氣體就會收縮並升溫，使核反應速率上升。
在氦之後，如果聚變反應還能繼續進行，那麼這一元素合成過程的下一步就應該是讓兩個氦核聚變成鈹-8。不過，鈹-8的原子核是不穩定的，所以下一個元素合成的步驟實際上是一個罕見的過程——3個氦核同時結合到一起形成碳-12。這一反應也被稱為“3α過程(triple-alpha process)”，因為氦核也被稱為α粒子(alpha particles)。這一過程需要大約1億攝氏度的高溫，只能在比太陽質量更大的恆星中才能進行。
在質量最大的恆星中，合成元素的核反應可以一直進行到鐵，鐵的原子核含有的質子和中子數量加起來超過50個。此時，恆星不再產生熱量，而是像吸血鬼一樣從內核吸收熱量，導致內核失控坍縮以及災難性的超新星爆發。
恆星是瞭解元素合成的關鍵，而元素合成又是瞭解恆星的關鍵，因為恆星發出的光正是元素合成的副產物。光在從恆星核心向外移動的過程中會遇到很大的困難，因為恆星中物質的密度很大。光會受到從原子中脫離的自由電子的阻礙（等離子體實際上就是帶電的氣體，包括帶負電的電子以及失去電子後帶正電的原子，也叫離子）。一般來說，太陽中的光子每前進1釐米就會撞到電子而發生偏轉，因此光子在離開太陽的過程中只能像醉漢一樣左搖右晃地前進。光子如果沿直線前進，只需要2秒就能到達太陽表面，但光子實際的路徑是彎彎曲曲的，它們需要花費大約3萬年才能到達太陽表面。因此，今天我們看到的太陽光，其實是在上一個冰期中產生的！另外，當光子來到太陽中溫度較低的區域時，它們的能量會降低，儘管最終它們會變成我們所看到的可見光，但其實它們一開始是能量極高的X射線。
太陽是一個氣體球，沒有固體表面，在天文學家的定義中，太陽表面就是光子結束緩行狀態，開始在宇宙空間里暢通無阻地飛行的那個界面，被稱作光球層。當光子經過3萬年的漫長旅程到達光球層後，只需要再經過500秒就能到達地球。
毫無疑問，太陽是一個氣體球，但如果它只是一個普通的氣體球，那將是相當無聊的。然而，有一樣東西把太陽從一個可預測的、無聊的氣體球，變成了一個不可預測的、翻騰的、爆炸性的氣體球，為我們帶來無盡驚嘆的極端物理實驗室，這個東西就是磁場。
磁場是由運動的電荷產生的。在一塊普通的條形磁鐵中，原子中電子的運動產生了磁場，原子本身則是原地不動的。但太陽並不是一團普通的氣體，而是等離子體。在太陽等離子體中，產生磁場的電荷——電子，是可以自由運動的，這種運動會改變磁場，磁場的改變又會影響電荷的運動，繼而又會影響磁場，如此往復……從黑子的磁渦旋到太陽耀斑爆發，眾多太陽磁現象都源於這種高溫等離子體和磁場之間的複雜相互作用。
實際上，還有一個因素在影響太陽磁場。太陽不是一個剛體，因此其表面和內部的自轉角速度不同，甚至其表面上不同緯度的自轉角速度也不同。於是，太陽的磁場一直處於扭曲的狀態，像橡皮筋一樣積蓄著能量。
當磁環穿過太陽表面時，我們就看到了一個黑子。黑子幾乎總是成對出現，因為磁環會從太陽的一處穿出表面，又從另一處穿入，所以當磁力線非常扭曲時，就會斷開，然後與其他磁力線發生“重聯”，此時所釋放的能量可以將上百萬攝氏度的高溫等離子體掀起數萬千米高，形成太陽耀斑。太陽甚至還會噴出時速高達幾百萬千米的颶風——太陽風，太陽風帶著太陽的磁場吹到太陽系的各個角落。從某種意義上說，地球其實是在太陽的大氣層內部公轉的，而太陽的大氣層一直延伸到遠超太陽系最外側行星的地方，在這裡，太陽風與星際物質發生猛烈的衝撞，就像鏟雪車衝進漫天飛雪一般。2012年8月25日，美國航空航天局(NASA)於1977年發射的旅行者1號空間探測器探測到顯著增強的宇宙射線，即來自銀河系的高能粒子流，這意味著它成了史上第一個離開太陽大氣層進入星際空間的人造飛行器。
瞭解太陽並不只是一種學術研究活動，搞清楚我們身邊這顆恆星所產生的“空間天氣”，關係到我們地球人類的生死存亡。通過對其他類太陽恆星的研究，人們發現它們可以爆發超級耀斑，儘管十分罕見，卻足以摧毀地球這樣的行星。此外，一個更值得擔憂的問題是日冕物質拋射(CME)，更準確的叫法應該是日冕磁爆發。CME於20世紀70年代才被發現，巨量的太陽等離子體和磁場像導彈一樣被拋射到宇宙空間中，想象一下質量幾乎相當於珠穆朗瑪峰的物體，以民航客機飛行速度500倍的速度被拋進太空的情形。
史上有記錄的最強烈的太陽活動，是發生於1859年9月1日的卡林頓事件，它就是一次CME。英國天文學家理查德·卡林頓(Richard Carrington)在倫敦南部觀測到一次太陽耀斑，與此同時，位於邱園[插圖]的磁力計發生了“爆表”。卡林頓事件永久改變了人們對太陽的看法。在1859年9月1日之前，人們認為這顆恆星對地球的影響僅限於引力和太陽光帶來的熱效應。自此之後，人們發現太陽表面的劇烈翻騰能夠向地球發射磁力炮彈，造成災難性的後果。在卡林頓事件中，全世界的電報收發員都遭遇了觸電，明亮的血紅色極光照亮了低緯度地區的夜空，人們甚至可以在夜裡看報紙。
儘管在1859年，我們尚且落後的科技已經能夠探測到CME的發生，但當時的世界對科技的依賴程度並不高，因此CME並未造成嚴重的損害。然而，今天情況卻完全不同了。磁場變化可以在電網中產生強大的感應電流，足以燒毀各種設備。這種電磁感應現象也是造成1859年電報收發員集體觸電以及1989年加拿大魁北克省大停電的罪魁禍首。但今天真正受到威脅的是地球周圍不計其數的人造衛星，我們的生活已經完全離不開它們。其中風險最大的是通信衛星、氣象衛星以及全球定位衛星（它們不僅能夠幫助我們定位，同時也在全球金融交易中扮演著關鍵性角色）。一些富裕的國家已經開始強化基礎設施以應對CME的威脅。無論如何，我們應該清醒地認識到，這顆賜予我們生命的太陽，也完全有可能在眨眼之間讓我們重回沒有電力的時代。
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