在太阳的光球层可以观察到太阳最外层的性质、元素和光谱特征。但正是这些过程发生在核心提供了它的真正力量。图片版权：NASA’s Solar Dynamics Observatory / GSFC
【博科园-科学科普】在太阳内部深处将较轻的原子核融合成较重的核，导致微小的质量损失，在400万K或以上的温度下通过著名的E = mc2转化为能量；太阳的中心所有的能量高达1500万K，氢和氦的同位素组成了更多稳定的元素，释放出能量并提供了所有在太阳系中所有行星的能量。然而尽管有这些不可思议的能量，如果宇宙是完全确定的那么太阳核心的质子将永远无法开始这种链式反应。它要求量子力学的波动性质证明爱因斯坦的名言“上帝不与宇宙掷骰子”是错误的。
尼尔斯·玻尔和阿尔伯特·爱因斯坦，在1925年的保罗·厄伦菲斯特的家中讨论了许多话题。在量子力学的发展过程中，爱因斯坦-爱因斯坦的辩论是最具影响力的事件之一。图片版权：Paul Ehrenfest
在20世纪20年代物理学的世界被两个主要的革命所席卷：广义相对论提出了时空，物质和能量使它成为引力的原因，量子力学详细说明宇宙中的所有粒子也像波一样运动。由于量子物理的一些基本性质，它本质上是一个非确定性理论，这意味着你只能谈论某些结果的概率，而不是知道特定的设置会产生什么结果。当时两位最重要的物理学家，阿尔伯特·爱因斯坦和尼尔斯·玻尔有很多著名的(和公开的)关于宇宙是否天生决定论的争论。
氢原子是物质中最重要的组成部分之一，它存在于一个具有特殊磁量子数的激发量子态中。即使它的属性是明确定义的，某些问题比如这个原子中的电子在哪里，只有有概率决定的答案。图片版权：Wikimedia Commons user Berndthaller
直到20世纪50年代他去世之前，爱因斯坦一直拒绝相信“上帝与宇宙的关系”。他推，一定有一些潜在的法则决定了哪些粒子会以某种特定的方式表现出来，而这只是我们实验或观测能力的失败，使我们无法看清事实真相。然而当量子物理学最早在20世纪20年代发展起来的时候，只有两种基本的作用力:重力和电磁。核力量仍然是未知的，这几乎意味着太阳的能量来源——核聚变也不为人所知。如果爱因斯坦知道这一点，他就会意识到他是多么的错误（诚然在一百多年前还有太多未知，爱因斯坦不知道这一点也是正常的）。
这个剖面图展示了太阳表面和内部的不同区域，包括核心，也就是核聚变发生的地方。然而核心中的单个粒子没有量子物理学导致核聚变的特性。图片版权：Wikimedia Commons user Kelvinsong
总之,通过观察太阳的输出功率，我们测量,它发出一个连续4×1026瓦，这意味着在太阳的核心，高达4×1038个质子融合成氦- 4每一秒。如果你认为在整个太阳中有1057个粒子，其中略低于10%的粒子在核心，这听起来可能不那么牵强。
即：
1、这些粒子以巨大的能量四处移动：每个质子的速度大约在太阳核心的中心的500千米/秒
2、密度巨大，因此粒子碰撞非常频繁：每一个质子每秒与另一个质子碰撞数十亿次
3、因此它只需要这些质子质子相互作用的一小部分，从而产生氘大约10^28来产生太阳所需的能量
所以即使太阳中的大多数粒子没有足够的能量把送到那里，我们看到太阳的时候只需要一个很小的百分比的聚变。计算一下，我们计算出太阳核心中的质子是如何分配能量的，给出了质子与质子碰撞的数，有足够的能量进行核聚变。
质子与质子链最直接和最低能量的版本，从最初的氢燃料中产生氦- 4。图片：Wikimedia Commons user Sarang
两个正电荷粒子之间的相互排斥作用太大，甚至连一对质子都无法克服，并与太阳核心的能量融合在一起。当你认为太阳本身比宇宙中95%的恒星更大(更热)时，这个问题只会变得更糟。事实上每四颗恒星中就有三颗是m级红矮星，它们的温度不到太阳最大核心温度的一半。
星的颜色和大小的分类系统是非常有用的。通过测量我们的宇宙区域发现只有5%的恒星比我们的太阳质量大(或更多)。图片版权：Kieff/LucasVB of Wikimedia Commons / E. Siegel
只有5%的恒星产生热或热，就像我们的太阳在内部一样。然而核聚变的发生太阳和所有的恒星都会释放出巨大的能量，氢被转化成氦。秘密在于在一个基本的层面上这些原子核并不仅仅表现为粒子本身而是作为波。每一个质子都是一个量子粒子，包含一个描述其位置的概率函数，使相互作用的粒子的两个波函数之间的交叠变得如此微小，即使当排斥力将它们完全分开的时候。
当两个质子在太阳中相遇时，它们的波函数重叠，从而暂时产生氦- 2：一个双质子。几乎总是它只会分裂成两个质子，但在极少数情况下，会产生一个稳定的氘(氢- 2)。图片：E. Siegel / Beyond The Galaxy
这些粒子总有可能经历量子隧穿，并最终形成一个更稳定的状态，氘导致这种聚变能的释放，并允许链式反应继续进行。尽管量子隧穿的概率是非常小，任何特定的与质子间的交互，在10^28年或与你的强力球彩票的中奖连续三次的机率，交互足以解释整个太阳的能量和几乎所有恒星的能量来源。
这是太阳的25幅图像的合成，在365天的时间里显示出太阳的爆发/活动。如果没有核聚变的力量，这是通过量子力学得以实现的，那么我们所认识的“太阳能输出”就不可能实现。图片版权：NASA / Solar Dynamics Observatory / Atmospheric Imaging Assembly / S. Wiessinger; post-processing by E. Siegel
如果不是宇宙中每一个粒子的量子性质，以及它们的位置被波函数描述为固有的量子不确定性，那么这种重叠就不会发生核聚变。今天宇宙中绝大多数的恒星都不会被点燃，包括我们的太阳。我们的宇宙将会是荒凉和冰冻的，绝大多数的恒星和太阳系都没有被其他任何东西照亮，除了一个寒冷的、罕见的、遥远的星光。
量子力学的力量使太阳发光。从根本上说如果上帝不与宇宙玩骰子，那么那些拥有恒星的核火焰将永远不会发光，而在我们太阳核心中发生的生命的融合将永远不会到来。然而在这种随机性的情况下一直赢得了宇宙彩票的胜利。由于宇宙中固有的量子不确定性，我们获得了生存的机会。
作者：Ethan Siegel（天体物理学家）
来自：Forbes science
编译：光量子
审校：博科园
发表于 2017-9-24 04:18
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