地球飞船能源来自核反应堆-旅行到时空边缘

2023-09-17 理论教育版权反馈

【摘要】：第31章核反应堆地球“飞船”的能源来自太阳这个巨大的核聚变反应堆如果把地球理解为一艘宇宙飞船，为它提供能量的，没有任何别的可能，只能是—太阳。1926年，爱丁顿提出：太阳的能量来自其核心的核聚变反应。实际上，太阳核心的温度只有1500万度，比爱丁顿估计的还低许多，但核聚变反应还是发生了。日核其实就是一个无比猛烈的核聚变反应堆，它的内部，每时每刻都爆炸着无数的氢原子弹—氢原子核的聚变反应。

第31章　核反应堆

地球“飞船”的能源来自太阳这个巨大的核聚变反应堆

如果把地球理解为一艘宇宙飞船，为它提供能量的，没有任何别的可能，只能是—太阳。太阳是一个巨大的核反应堆，所以我们的地球其实是一艘核能量宇宙飞船。

有必要这么大吗？

初看起来，太阳太庞大，它的直径达140万公里，体积是地球的130万倍；质量达200万亿亿亿吨，是地球质量的33万倍。人们的疑问自然是：有必要这么大吗？

当然有必要。事实上，对20世纪初的天文学家们来说，太阳的质量不是太大，而是太小，小得让他们无法理解。

因为太阳有着惊人的功率—385亿亿亿瓦，它一秒钟产生的能量，能够供地球人类使用几亿年，而它已经燃烧了好多亿年！什么样的能源让太阳可以维持如此强大而恒久的辐射呢？

如果太阳上全是煤，辐射只能维持几千年；如果全是煤油，能维持几万年；太阳还可以靠自身引力收缩产生能量，这样持续的时间也不超过1000万年，科学家们对太阳的能源非常困惑。

1905年，人类对能量的产生有了新的认识。爱因斯坦的狭义相对论表明，质量可以转化为能量，转化的效率极高—E=mc²，即一个单位的质量可以转换成9亿亿个单位的能量。

但如何转换，那时候还一无所知。1926年，爱丁顿提出：太阳的能量来自其核心的核聚变反应。在一次演讲时，爱丁顿这样开头：恒星具有相当稳定的质量，太阳的质量为—我把它写在黑板上：

2000，000，000，000，000，000，000，000，000吨

但愿没写错零的个数，我知道你们不会介意多或者少一两个零，可大自然在乎。

大自然为什么在乎呢？因为太阳的质量大小直接决定了它能否发生核聚变反应。拥有200万亿亿亿吨的质量，太阳核心的压力必定极大，那里的温度也必定极高。爱丁顿估计，对于太阳来说，它的质量能使核心温度升高到4000万摄氏度，在这个温度下，原子核会以很高的速度运动，从而会碰撞引发聚变。

爱丁顿的观点受到了物理学家的强烈质疑。在他们看来，4000万度远远不够，因为原子核都带正电，距离越接近，电斥力就越大，尤其是快要碰撞时，由于距离几乎为零，斥力几乎是无限大。电斥力如同包围在原子核外面的环形山，把别的原子核挡在外面，以确保自己的安全。那时候的物理学家们估计，太阳要想发生核聚变，核心温度需要达到几百亿度。这样看来，太阳要想发生核聚变，它的质量是有些太小了。

但爱丁顿坚持自己的看法。除了核聚变，还有什么方式能够解决太阳的能源呢？他满怀信心地写道：“我不和那些批评者们争论，他们认为恒星内部温度过低，不能发生这种过程。我只想告诉他们，去找个温度高的地方吧。”

实际上，太阳核心的温度只有1500万度，比爱丁顿估计的还低许多，但核聚变反应还是发生了。量子世界一个奇妙的自然法则起了作用，那就是量子不确定性造成的隧道效应，它使原子核电斥力的环形山在某个瞬间突然打开一个通道，使其他原子核得以进入，核聚变得以发生。

核心区的聚变反应

太阳的主要成分是氢和氦，也就是来自宇宙大爆炸的最简单的两种元素，其中氢占了71％，氦占了27％，两种元素合起来占了全部太阳质量的98％，其中氢元素就是目前太阳上最主要的核聚变原料。

太阳内部分为三层：日核、辐射层、对流层。

日核其实就是一个无比猛烈的核聚变反应堆，它的内部，每时每刻都爆炸着无数的氢原子弹—氢原子核的聚变反应。

在这个反应中，氢原子核聚变成了氦，质量损失了0.7％。这些质量按照爱因斯坦那个著名的质能方程E=mc²转化成了能量。

核聚变的产能效率是惊人的。1克氢原子核转化为氦时损失的质量是0.007克，乘以光速平方，扩大9亿亿倍，是6300亿焦耳，这相当于150吨TNT炸药的威力。一枚百万吨级的氢弹，可以轻易抹去地球上的一座城市，也只不过是把六七公斤的氢聚变成氦而已。

每一秒钟，有超过6亿吨的氢原子核参与聚变，损失的质量超过4，000，000，000，000克，用这些质量乘以光速的平方，转化成的能量相当于9000亿亿吨TNT炸药。也就是说，秒针每滴答一声，太阳上就相当于爆炸了90万亿颗百万吨级的氢原子弹！

如此巨大的能量消耗造就了太阳的辉煌。这辉煌能持续多久呢？太阳的总质量是200万亿亿亿吨，其中氢占了71％。按照这样的消耗速度，太阳内部的氢原子核全部参与核聚变，可供太阳燃烧350亿年。考虑到氢原子核不可能全部参与聚变，到了后期的太阳核反应会有大起大落很不稳定，太阳物理学家们估计，太阳稳定燃烧100亿年是没有问题的，它目前的年龄是50亿年，还可以再稳定地燃烧50亿年。对于地球这样一艘庞大而航程遥远的宇宙飞船，太阳无疑是最理想的能源供应者。

高能光子的向外传输与改造

太阳中央核反应区产生的能量是伽马射线和X射线，这些高能光子对生命有极大的杀伤力，不可以直接射向地球，需要把它加工成适宜的光子，加工过程是在光子从核心向太阳表面传输的过程中完成的。

日核的外面是辐射层，厚约38万公里，相当于地球到月球的距离。这一层太阳物质热且稠密，无法对流，只能以辐射形式向外传递能量。

辐射层外面是对流层，厚度约20万公里，太阳物质在这里急速上下翻滚，形成湍流，把热量从太阳内部深处转移出来。到达太阳表面时，物质密度变得很稀薄，大约是海平面大气密度的几千分之一。对流层顶部，有一层厚度只有500公里的一个薄层，这一层称为光球层，就是我们看到的黄色太阳圆面。

光子从日核向光球层传输的过程，就是太阳对光子再加工的过程。尤其是光子在穿越厚厚的辐射层时，因为电子的密度很大而且运行速度很快，光子往往只走几微米就会碰到电子，被电子吸收，电子再以稍低一点的能量随机辐射出去一个光子。在反复不断的吸收和再辐射中，光子的能量越来越低。这一过程经历的时间极其漫长，一个光子从太阳核心抵达表面要经过几万年以上的时间。这样，当光子最后到达光球层时，已经变得非常柔和了，以温暖的红外线和可见光为主，能量较高的紫外线和X射线比例很小，它们混合在可见光中，恰好使光线能够杀菌消毒。

光球层的温度约6000度，到达光球层的光子，走完了从日核到表面那艰难而漫长的旅途，同时也完成了自我改造的过程，它们由此出发，开始奔向太空。

日地距离与生命带

飞船的核反应堆太大，必须远远地分离开来—地球与太阳相距1.5亿公里，它们之间用万有引力联结起来，这确保了地球的安全，而且距离恰到好处。

太阳生产的能量以光辐射的形式向地球传输，和通常的电缆或管道之类的能量传输方式不同，光辐射是极为优越的能量传输方式，极为方便、安全、高效。

当太阳光穿越1.5亿公里的空间到达地球时，给地球带来了17.4亿亿瓦的照射功率，使地球维持了非常适宜的温度。这看起来似乎有些浪费，因为太阳的功率是385亿亿亿瓦，地球接收到的辐射只占太阳总辐射的22亿分之一。但这样的好处是显而易见的：地球的整个轨道都处于一个非常均匀的辐射场中，无论运行到轨道哪个位置，都能获得稳定的光照。假如不受能量与技术手段的限制，这种能源供应方案无疑是最完美的。大自然造物主除了自身的规律外不受任何限制，它的方案充满了大气之美。

地球到太阳的距离是一个非常关键的因素，必须安排得恰到好处，否则太阳的能量难以得到有效利用。1.5亿公里的日地距离恰到好处，太阳周围有一个适合生命的区域—生命带，地球轨道恰好落在那里。

如果日地距离缩小5％，那么光辐射会过于强烈，一系列连锁反应会使地球成为酷热的火海。在地球轨道以内，有两颗行星—水星和金星，水星被太阳照射的一面温度超过400摄氏度，金星由于太阳照射和自身的温室效应，整个表面都超过了400摄氏度。

相反，如果日地距离扩大超过50％，它又会变成一个冰冷的世界。地球轨道以外的行星，全都是冰冷的世界，最近的火星，平均温度比地球低了约50度。太阳系疆域辽阔，一直延伸到10万亿公里以外，在如此广阔的区域里，适宜的生命带范围也就区区1亿公里左右，仅仅是太阳系半径的1/10万，而地球轨道恰在其中。

除了日地距离要合适，地球的轨道也必须很圆才行，如果轨道偏心率大，它与太阳的距离就会时远时近，它就会忽冷忽热。所有天体轨道都是椭圆，地球也不例外，但地球轨道非常接近圆形，近日点距太阳约1.47亿公里，远日点距太阳约1.52亿公里，如果把地球轨道缩小成一个半径1.5米的圆，近地点和远地点偏离只有2.5厘米。地球的近圆轨道使它与太阳的距离相当稳定，这也是地球能够保持稳定气候的一个关键因素。

自转—东西方向轮流加热

恰到好处的日地距离仅仅是要素之一，地球必须旋转起来，才能使光和热均匀布散。

地球每23小时56分4秒自转一周，这是以遥远恒星为参照的自转周期，称为一个恒星日；它导致太阳光以平均24小时为周期扫过地表，使得地球表面在东西方向上轮流得到光照。

大自然对地表温度的调节过程也是匠心独具。早晨，当太阳升起地平线时，大气同时开始吸热，这就不致使温度骤然上升；傍晚，随着太阳落下地平线，大气开始缓慢放热，又不致使温度骤然下降；自然对生命是极为友好的。地球旋转的速度也恰到好处。假如地球旋转得太慢，漫长的白天会使热量累积太多，以至酷热难耐，漫漫长夜也会更加寒冷；相反，假如地球旋转太快，升温和散热都不能充分完成，地表热量分布就会过于均匀，从而导致星球没有气候变化。

沿自转轴的旋转使光和热均匀在地表布散，这是一幅多么简洁和谐的画面！但在很长的时间里，人类不能理解其中的奥妙，以为看到的斗转星移是它们在围绕地球旋转。真相虽简单而美，习惯了幻象的人却总是难以接受，直到1805年，法兰西科学院院士梅西耶还这样写道：“天文学家们要使我相信地球像一只烧鸡穿在铁棍上那样旋转，那真是枉费心机。”

公转 — 南北半球轮流加热

地球自转，昼夜交替，实现了热量沿东西方向快速布散，虽然已经很好，但还不够完美，热量还需要在南北方向进一步布散，地球公转就实现了这一点。在地球围绕太阳公转一周的过程中，太阳光交替照射地球的北半球和南半球，使得南北半球轮流加热，也就有了四季变化。

地球四季变化取决于大自然一个极为巧妙的安排。倘若地球公转的时候直立着身子—自转轴垂直于公转轨道面，那太阳光就永远直射赤道，南北半球也就不会有四季变化了。巧妙的是，大自然让地球斜着身子旋转—自转轴与公转轨道面形成23度半的夹角，而且自转轴的指向相当稳定—总是指向北极星附近，这样，在地球公转的过程中，太阳光就能以稳定的周期交替直射南北半球，这一过程如下：

春分日（3月21日前后），太阳光直射赤道，全球昼夜平分，太阳正东方升起，正西方落下。春分之后，太阳开始给北半球加热，阳光直射点从赤道向北移动，从地面看，太阳从东北方升起，西北方落下，北半球白天开始比黑夜长，气温渐渐回升。

夏至日（6月21日前后），太阳光直射到最北端—北回归线，这一天北半球白天最长，黑夜最短，南半球相反。夏至后，太阳的直射点开始返回南方。

秋分日（9月22日前后），太阳光再次直射赤道，全球昼夜平分，太阳从正东方升起，正西方落下。秋分之后，太阳开始给南半球加热，阳光直射点从赤道向南移动，从地面看，太阳从东南方升起，西南方落下，北半球的白天变得比黑夜短，气温也渐渐变冷。

冬至日（12月22日前后），太阳光直射到了最南端—南回归线，北半球白天最短，黑夜最长，南半球相反。冬至之后阳光直射点又开始返回北方，至春分时直射赤道。

太阳光直射点在南北回归线之间周期性扫过，交替给南北半球加热，使得热量在南北方向得到均匀布散，这样一个周期，称为一个回归年，长度是365日5小时48分46秒，或365.2422日。回归年是阳光照射的周期，也是季节循环的周期，决定自然现象的变化，中国的二十四节气，就基于回归年周期。

恰到好处的地轴倾斜

地球四季变化还取决于大自然另一个极为巧妙的安排—地球自转轴与公转轨道面形成23度半的倾角，而且这夹角大小相当稳定，所以地球常被形容为斜着身子公转。

如果地轴倾角过小，比如地球近乎直立着公转，四季的变化将很不明显，海洋蒸发出来的水汽就会在两极堆积成庞大的冰山；反过来，如果地轴过于倾斜，两极地区会被太阳光强烈照射到，冰山将会反复融化和冻结，地球的气候变化就会过于剧烈了。

惊人的细节？

关于四季变化，还有一个极有意思的问题，法国天文学家弗拉马里翁在他的《大众天文学》里谈到过这个问题。很多人以为，在一年当中，太阳光有一半时间直射北半球，一半时间直射南半球，其实并非如此，我们来看一下：

太阳光直射北半球的时间：

从春分到秋分，共计186天10小时。

太阳光直射南半球的时间：

从秋分到春分，共计178天20小时。

太阳光直射北半球的时间比直射南半球多了近8天。这是一个很有意思的结果，看一下世界地图就能清楚地知道，北半球的陆地面积比南半球大得多，居住的生命当然也比南半球多许多，正好北半球得到的光照时间也比南半球多。难道大自然对生命如此关爱，以至于在这样的细节上都安排得恰到好处？

地球飞船能源来自核反应堆-旅行到时空边缘

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