最后更新：2021年7月15日

太阳的能量来自哪里？

太阳的层次结构 — *太阳的不同层次，包括核心、辐射区、对流区、光球层、色球层，以及最后的日冕。在核心，一克氢的聚变释放的能量相当于300吨石油。*

能量集中在太阳的中心

太阳是一颗巨大的恒星，其直径是地球的109倍，相当于地月距离的3.6倍。它的体积是地球的130万倍。这个巨大质量（1.989×10³⁰千克）表面的引力（274米/秒²，是地球的28倍）压缩了其中心的物质。尽管其核心的直径与地月距离相当，但核心体积仅占总体积的1.5%。正是在核心处（温度约1500万开尔文或摄氏度，1开尔文 = -273.15摄氏度），每秒有6.27亿吨氢聚变成6.227亿吨氦。质量差（430万吨）转化为能量，即4×10²⁶焦耳，约合1.5×10¹⁹千瓦时（100亿亿千瓦时）。在过去45.7亿年间，太阳每秒消耗400万吨氢。

太阳中心的引力压强为26拍帕斯卡（26×10¹⁵帕），是地球表面大气压的2600亿倍。在此压强下，1立方米氢气的重量达150吨。而地球上1立方米氢气仅重90克。因此太阳中心每立方米所含氢原子数量是地球上的160万倍（这个数字其实并不算惊人）。在这种压强与温度（1500万开尔文）条件下，核聚变得以启动。氢原子核会聚变成氦原子核，释放出巨大能量（其能量是核电站核裂变反应的15倍以上）。

粒子融合的概率 — 质子的大小或位置是由一条曲线表示的概率密度。距离曲线峰值越远，质子存在或具有该大小的可能性就越低。然而，在曲线底部，两个质子发生聚变的概率极低，但并非为零。要使核反应“点燃”，质子（氢原子核）必须相互接触。随后，其中一个质子转变为中子。没有放射性，这种转变就不可能发生。即使两个质子接触，也无法克服库仑势垒——它们相互排斥。但一个质子可以通过发射粒子（W玻色子）短暂地转变为中子。这个W玻色子会立即被重新吸收，中子变回质子。极少数情况下，W玻色子会衰变为一个正电子和一个中微子，此时中子保持为中子。它随后能与另一个质子聚变形成氘核，并启动“质子-质子链反应”。

如何融合两个质子？

要使两个质子发生聚变，它们之间的距离必须极小，达到原子核尺寸的量级（10⁻¹⁵米）。这需要克服库仑势垒（两个带正电质子之间的电相互作用力）。该力与两个电荷的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比（需要巨大能量才能将两个质子“粘合”在一起）。质子越靠近，所需的“粘合”能量就越大。即使在1500万开尔文的高温下，能量仍不足以克服库仑势垒。质子间的剧烈碰撞无法充分压缩强核相互作用“气泡”，从而无法将两个质子“粘合”在一起。理论上，质子需要以每秒2万公里的速度运动，才能达到50亿开尔文的温度。而在1500万开尔文时，质子运动速度仅为每秒600公里。然而，1500万开尔文只是平均温度。根据粒子速度随温度变化的麦克斯韦-玻尔兹曼分布曲线，质子远未达到每秒2万公里的速度，因此聚变不可能发生。要实现聚变，必须借助量子物理学。质子的尺寸或位置是由一条曲线表示的概率密度。离曲线峰值越远，质子存在或尺寸的概率越低。在曲线底部，两个质子发生聚变的概率极低，但并非为零。量子物体即使能量低于跨越势垒所需的最小能量，仍能穿越势垒的特性，被称为隧穿效应。

跨越库仑势垒

在低温下跨越库仑势垒是不可能的，但1500万开尔文的平均温度足以使量子隧穿效应变得可能，而无需达到50亿开尔文。每秒每个质子经历2×10¹⁵次碰撞，而每10⁸次碰撞中发生一次隧穿。因此，每个质子有2000万次机会发生聚变。那么，为什么太阳中所有质子不在同一秒内全部聚变？因为两个质子即使被强核力束缚，也无法共存——这源于沃尔夫冈·恩斯特·泡利（1900-1958）的泡利不相容原理。因此，每个质子每秒通过隧穿效应与另一个质子聚变2000万次，随后瞬间分离（10⁻²¹秒）。要形成氦原子核，需要将2个质子和2个中子聚变。中子从何而来？弱核力（放射性）将在我们的聚变中发挥作用。弱核力（比强核力弱10万倍）使质子在与其他质子接触时，以极低概率（10²⁴分之一）转化为中子。当这种情况发生时，会形成氘核，同时释放中微子和正电子，正电子立即与周围电子湮灭，将物质转化为纯能量（E=mc²）。氘将进一步转化为氦-3，并以相同方式释放纯能量（伽马射线）。两个氦-3核随后以低概率形成两个氦-4核。这一被称为"质子-质子链"的过程，因聚变概率极低，已持续了46亿年。