太陽のエネルギーはどこから来るのか？

エネルギーは太陽の中心に集中している

巨大な寸法を持つ巨星

太陽は巨大な恒星であり、その直径は地球の109倍、すなわち地球-月距離の3.6倍である。その体積は地球の130万倍である。

圧倒的な重力と極めて高密度な中心核

この巨大な質量（1.989×10³⁰ kg）の表面における重力（274 m/s2、地球の28倍）は、物質をその中心に収縮させる。その中心核の直径は地球-月距離に等しいが、核の体積は全体積のわずか1.5%に過ぎない。

核融合：毎秒6億2700万トンの水素

しかし、まさにそこ、約1500万ケルビンまたは摂氏度（1 k=-273.15 °C）の中心核において、毎秒6億2700万トンの水素が融合して6億2270万トンのヘリウムを生成する。質量の差（430万トン）はエネルギーに変換され、4×10²⁶ジュール、すなわち約1.5×10¹⁹キロワット時（100億の10億kWh）となる。

46億年前から、太陽は毎秒400万トンの水素を消費している。

極限の圧力と温度条件

太陽の中心部における重力圧力は26ペタパスカル（26×10¹⁵ Pa）、すなわち地球表面の大気圧の2600億倍である。この圧力では、1 m3の水素は150トンの重さがある。地球上の1 m3の水素は90グラムである。したがって、太陽中心部の1 m3には、地球上の1 m3の水素よりも160万倍多くの水素原子が存在する（それほど膨大ではない）。

核融合の開始とその計り知れない力

この圧力と温度（1500万ケルビン）で核融合が開始される。
水素核が融合してヘリウム核を形成し、膨大なエネルギーを放出する（私たちの原子力発電所で引き起こされる核分裂の15倍）。

核融合の核心における量子確率

粒子の融合確率

陽子の確率的性質

陽子の大きさや位置は、曲線で表される確率密度である。 曲線の頂点から離れるほど、陽子の存在や大きさの確率は低くなる。しかし、曲線の底では、2つの陽子が融合する確率は低いがゼロではない。

必要な条件：陽子間の接触

核反応が「点火」するには、陽子（水素核）が接触する必要がある。 すると、2つの陽子のうち1つが中性子に変換される。

放射性なしでは、この変換は不可能であろう。 2つの陽子は、接触していてもクーロン障壁を乗り越えることができず、反発し合う。

融合を引き起こす稀な事象

しかし、陽子は粒子（Wボソン）を放出することにより、一時的に中性子に変換されることがある。 このWボソンはすぐに再吸収され、中性子は再び陽子に戻る。

非常に稀に、Wボソンが陽電子とニュートリノに崩壊し、その瞬間、中性子は中性子のままとなる。 そして、もう一方の陽子と融合して重水素核を形成し、「陽子-陽子連鎖反応」を引き起こすことができる。

2つの陽子をどのように融合させるか？

クーロン障壁：電気的障害

2つの陽子が融合するには、それらを隔てる距離が非常に小さく、核のサイズ（10^-15メートル）でなければならない。そのためには、クーロン障壁（正に帯電した2つの陽子間の電気的相互作用の力）を乗り越える必要がある。この力は2つの電荷の積に比例し、2つの電荷間の距離の2乗に反比例する（2つの陽子を「くっつける」にはかなりのエネルギーが必要）。

太陽温度の不十分さ

陽子が近づくほど、それらを「くっつける」ためにより多くのエネルギーが必要となる。1500万ケルビンでも、クーロン障壁を乗り越えるにはエネルギーが不十分である。陽子間の激しい衝突は、強い核相互作用の泡を2つの陽子を「くっつける」ほど十分に押しつぶさない。
理論的には、陽子は50億ケルビンの温度に達するために20,000 km/sで移動する必要がある。1500万ケルビンでは、陽子は600 km/sで移動する。

古典物理学は核融合を否定する

しかし、1500万ケルビンの温度は平均温度である。マクスウェル=ボルツマン分布曲線によれば、陽子は20,000 km/sに達するには程遠く、したがって核融合は不可能である。

量子物理学：トンネル効果

核融合を達成するには、量子物理学を援用する必要がある。
陽子の大きさや位置は、曲線で表される確率密度である。曲線の頂点から離れるほど、陽子の存在や大きさの確率は低くなる。曲線の底では、2つの陽子が融合する確率は非常に低いがゼロではない。
量子物体が、そのエネルギーがその障壁を乗り越えるのに必要な最小エネルギーよりも低くても、ポテンシャル障壁を乗り越える特性は、トンネル効果と呼ばれる。

クーロン障壁の乗り越え

トンネル効果：1500万ケルビンでの十分な確率

クーロン障壁の乗り越えは低温では不可能であるが、1500万ケルビンの平均があれば、50億ケルビンに達することなくトンネル効果が確率的になるのに十分である。

絶え間ない衝突と融合の機会

毎秒、陽子は2×10¹⁵回の衝突を受け、トンネル効果は10⁸回の衝突ごとに1回発生する。したがって、各陽子には2000万回の融合の機会がある。

排他原理：なぜすべてが融合しないのか

では、なぜ太陽のすべての陽子が1秒で融合しないのか？
なぜなら、2つの陽子は、強い核相互作用で結ばれていても、ヴォルフガング・エルンスト・パウリ（1900 – 1958）の排他原理により共存できないからである。したがって、各陽子はトンネル効果のおかげで毎秒2000万回他の陽子と融合し、瞬時に分離する（10^-21秒）。

ヘリウム核の製造：中性子が必要

ヘリウム核を製造するには、2つの陽子と2つの中性子を融合させる必要があるが、中性子はどこから来るのか？

弱い核相互作用：陽子→中性子変換

弱い核相互作用（放射性）が私たちの融合に関与する。弱い核相互作用（強い核相互作用の10万倍弱い）は、陽子が別の陽子と接触しているときに、極めて低い確率（10²⁴分の1）で中性子に変換されることを可能にする。これが起こると、重水素核が現れ、ニュートリノと陽電子を放出し、陽電子は周囲の電子と即座に消滅して物質を純粋なエネルギーに変換する（E=mc²）。

陽子-陽子連鎖反応：ヘリウム3からヘリウム4へ

重水素は同じ原理で純粋なエネルギー（ガンマ線）を放出してヘリウム3に変換される。やはり低い確率で、次に2つのヘリウム3核が2つのヘリウム4核を与える。

46億年間維持されている脆弱な均衡

「陽子-陽子連鎖反応」と呼ばれるこのプロセスは、非常に低い融合確率のおかげで46億年間維持されている。