太陽表面是等離子態，內部也是等離子態嗎？

答：地球人類認知太陽這麼多年來，也只是透過天文學家、科學家們計算出來太陽的表面溫度，內部的結構究竟是一種結構，無從談起。無論太陽內部是否是什麼態，只要太陽繼續發光就可以了，因為地球人類及萬物生長都離不開太陽。

太陽系中的太陽是一顆巨大無比的天體恆星，內部一直都在時刻進行著“核聚變”，它發出來的耀眼光及溫度可以達到數千萬攝氏度。透過觀察太陽表面的等離子體爆發，它的等離子環有四個地球那麼大，等離子態每時每刻都在不斷變化，還可以形成等離子噴流狀態出現；還有“等離子龍捲風”形成。在我們日常認知中，溫度決定了一個物質的狀態，固態、液態、氣態是我們日常所認知的物質三態；那麼在整個物理宇宙中，是否還存在其它物態呢？其實我們認知的太陽就是一個獨特的存在，它的溫度極高，可以融化地球上的一切物質，這裡涉及到一個問題，太陽究竟是氣態還是液態呢？其實太陽是一個高溫等離子體，而等離子體是不同於固體，液體和氣體的物質第四態；物理學中指出：物質由分子構成，分子由原子構成，原子由帶正電的原子核和圍繞它的帶負電的電子構成；當這些物質被加熱到足夠高的溫度時，外層電子擺脫原子核的束縛成為自由電子，此時電子會離開原子核，而這個過程就人們將其稱為“電離”，這時物質就變成了由帶正電的原子核，和帶負電的電子組成的一團均勻的“漿糊”，因此科學家們稱為它為“離子漿”，這些離子漿中正負電荷總量相等，它是一種接近於電中性的存在，因此被人類定義為“等離子體”。等離子體又分為高溫等離子體以及低溫等離子體；在常溫下發生的等離子體將其稱為低溫等離子體，而高溫等離子體一般發生於溫度足夠高時，例如我們所常見的恆星，就是一個高溫等離子體；它們組成了宇宙中的99%的可見物質。而我們認知的固態、液態和氣態僅僅只佔據了宇宙中極為渺小的一小部分。等離子體才是整個宇宙可見物質的主要形態；它們支配了宇宙中大部分的可見物質，主宰著整個宇宙可見物質的終極方向。

利用光學儀器與光譜分析獲得太陽觀測資料，太陽動力學還在猜想階段，比較權威的是太陽吸積盤學說。

讀者可以查閱現成文獻，筆者不再重複。本身側重談等離子體與太陽核心層的看法。

太陽的天文學引數，諸如質量M、半徑R、密度、表面溫度、日冕溫度、太陽風速，可暫且作為基本計算依據。

顯然，我們可以認為，太陽的輻射層、對流層、光球層、色球層、日冕層與太陽風，都是有不同分佈密度的等離子體與場量子（即光量子）構成。

例如，到達地球附近的太陽風速度，其實也可以理解為等離子體氣體的運動速度。

2 但是，有以下幾個疑難問題：

難點1：太陽核心密度高達160t/m³，而密度最大的鋨22.6t/m³。白矮星是鋨的10⁶倍， 中子星密度10¹³t/m³，脈衝星是10¹⁵t/m³，黑洞密度可超5×10¹⁶t/m³。

思考：超高密度是什麼物態？據說是「中子態」。中子半徑是多少？若不知，咋有密度呢？中子緊挨著嗎？緊挨著，還能動彈嗎？

那麼160t/m³是什麼物態？不久前有科學家說太陽中心是空洞（黑洞），暗示通向高維宇宙麼。這是什麼邏輯？是科幻？

難點2：在太陽本體的內空間與外空間，最主要的兩種等離子體——電子與質子，究竟是怎麼產生的？

它倆是太空固有的？還是固有的真空場縮聚而來？質子內部有高能電子嗎？為什麼夸克不能像電子一樣獨立存在？為什麼中子不能像質子一樣獨立存在？

難點3：為什麼遠離太Sunny球數百萬千米的日冕層，溫度反而高達數百萬度？而對流層到光球層到色球層的溫度只有6000度左右？

難點4：如何合理預測與計算從日冕層到核心層的等離子體的分佈密度與活動方式？

曾買南大凝聚態物理學與美國固體物理兩個版本研讀，覺得其等離子體物理章節有「g因子」等假說缺乏說服力，在此另闢蹊徑，提出個人觀點分享。

3. 離子態、等離子態的定義與分類

等離子態，是可獨立存在的物態，是極為重要的基本範疇，其必須弄清它的定義與分類。

離子態(ion state)，特指有多餘電荷的非原子核束縛態的亞原子，如核衰變釋放的α粒子與β粒子。

氣相里飄蕩的離子有：自由電子、自由質子、α粒子(氦核)。它們大量分佈在地球大氣層的電離層與地球的輻射帶。

液相里遊離的離子有：氫離子、鋰離子、氫氧根粒子、碳酸根離子等電解質離子。

等離子態(plasma,字面是血漿)，特指彼此相距不很遠的有一定約束作用的正負電荷相等的帶電粒子之存在形式。

搞清等離子態的分類，或者叫不同環境下的存在形式，對於理解與推測太陽內外空間的等離子分部狀態，是尤為重要的。

等離子態的分類，可以按它們所在空間的真空場密度為線索來劃分，而真空場密度與場溫度成正比。初步分類如下：

①極高溫等離子體，是質子所含的一對等離子體，是高能正電子與繆核負電子；

②超高溫等離子體，是中子衰變釋放的一對等離子體，是高能負電子與質子正電子。

④低溫等離子體，是高溫等離子體漸漸減速，導致其激發的電磁波漸漸降頻紅移。

4. 核子內部的【極高溫等離子體】

這部分內容，與太陽內部的等離子態一樣，是鮮為人知的，本節的奧卡姆剃刀是建設性的。

4.1 核子結構的奧卡姆剃刀

在質子內部，有夸克環電子（其實就是高能電子e⁺）、繆電子(μ⁻或e⁻)。在中子內部，有高能負電子(e⁻)與質子(p⁺)。

由於假想的夸克，不能像電子一樣獨立存在，又有諸多不自洽問題，不夠資格作為物態。

不妨用Occam"s razor簡化：核子內部只有以光速震盪的高能電子與高密度的電磁場介質。

核衰變釋放的β電子的初速度是準光速，因此可以假設，核內正電子以光速在震盪。

4.2 質子的定義與本性：

質子，是正負兩個電子在超高壓場密度環境中聚合的顯示正電荷的複合等離子體。

質子的超穩定存在，是因為內含正負電子之間的超強庫侖力與高密度場質增效應(m")。

p⁺(1836m₀)→±e(2m₀,½m₀c²)+m"...(1)

質子表現為正電荷，是因為高能正電子(e⁺)以光速繞繆核電子(μ⁻)震盪的邊際效應。

電荷的邊際效應，很像顯性基因占主導地位的遺傳效應，而繆核負電子如同隱形基因。

4.3 估算質子內場的高溫

可按場量子密度估計，核內正電子以光速震盪，急遽擠壓真空場激發極高頻光子，並導致真空場的質增效應：質子的質量方程與質增效應方程如下

mₚ(1836m₀)=e⁺(m₀)+e⁻(m₀)+m"...(2)

m"=m₀(rₚ/r)³=1834m₀...(2)

(rₚ/r)³=n，r=rₚ/³√n...(3)

質子本體的實驗半徑：

rₚ=0.84fm...(4)

質子內場的光子半徑：

r=rₚ/³√n=0.84fm÷³√1834

=0.84fm÷12.2=0.07fm

質子內場的光子波長：

λ=2πr=6.28×0.07fm=0.44fm...(5)

質子內場的光子溫度：

T=hc/1.5kλ...(6)

=6.63×10⁻³⁴c÷(1.5×1.38×10⁻²³×4.4×10⁻¹⁶)

=2.18×10¹³[K]=21.8萬億開度

4.4 中子的定義與本性：

中子，是氕原子在超高壓場密度環境中聚合的有剩餘負電子的但不顯示電性的非等離子體。

n(1840m₀)→e⁻(m₀)+p⁺(1836m₀)+m"(3m₀)

中子不表現電性，是因為正負兩個高能電子都繞繆核電子(μ⁻)以光速震盪的對沖效應。

中子的不穩定性，是因為有過剩的負電荷，遵從泡利不相容原理，有正電子的排斥效應。

中子的受束縛性，是因為原子核的質子正電子與中子負電子有較強的庫侖力或弱力作用。

4.5 正負電子的本質區別

顯然，我們無法通直接測量電子自旋方向，但可以依據正負電子對撞機的實驗原理，按右手螺旋法則，來規定正負電子：

①任何場合的電子都是按逆時針自旋

②把核電荷固有的磁場叫正向磁場⊕B

④把⊙B中北極朝下的電子叫正電子e↓

這個規定，也可以解釋安德森雲室實驗所發現的正電子。換句話說，狄拉克假想的反向自旋的反物質電子是不存在的。正負電子湮滅，也不能充要的證明它倆就是互為反自旋。

由此可得以下的結論：

在原子核內部結構裡，只有質子的內部擁有高能正電子與繆核負電子構成的一對等離子體。

等離子體，具有同樣的質量、電量與自旋方向，只是二者的南北極取向是相反相成的。

以上這部分內容，是鮮為人知的，但對於等離子態物理學而言，也是不可或缺的。

5. 原子內部的【高溫等離子體】

此類等離子體，比較簡單。我們似乎相信，原子呈中性，其內部的正負電荷是相等的。即：

核外電子電數(ne⁻)≡核電荷數(nZe⁺)

這樣，似乎可以說：原子內部的等離子體，就是成對的核外電子與核電荷。

5.1 解釋核外電子與核電荷是對等關係

問題是，1個核外電子與1個質子是對等的等離子體，而質子質量是電子質量的1836倍，它倆怎麼是對等關係呢？

這需要2.2節提出的【電荷的邊際效應】來解釋：核電荷(Ze)的有效電荷是具有邊際效應的高能正電子(e⁺)，與核電荷的其它部分無關。

這就好比，兩個原子之間化學反應，只取決於各自外層的價電子有關，而與其它電子無關。

對於多核原子而言，根據最近與最小作用量原理，筆者認為，質子分佈在原子核的邊際帶，而不是被中子裹挾在中心區域。

這樣我們可以說，原子內部的等離子體，就是成對的核外電子與高能正電子。

5.2 計算原子內部的光子溫度

可以利用電子激發光子的光電效應原理，先求出光子波長，然後在根據熱力學第一定律，求出光子溫度。

設核外電子的平均速度v=αc=2.2×10⁶m/s，由於電子速度平方對頻率極其敏感，可以將光電效應方程

½m₀△v²=h△f...(7)

近似處理為

½m₀v²=hf=hc/λ...(8)

λ=2hc/m₀v²...(9)

=9.0×10⁻⁸[m]=90nm（遠紫外線光子）

則可以計算原子內的場介質溫度

T=m₀v²/3k...(10)

=9.1×10⁻³¹×4.84×10¹²÷(3×1.38×10⁻²³)

=1.06×10⁴≈1萬開。

這與電焊激發8000度的近紫外線是協調的。

6. 中子釋放的高溫等離子體

前文已交代，中子就是一個縮聚的氕原子。中子的核心是質子，被一個具有邊際效應的高能負電子包裹著。這裡的難點是求中子的半徑。

6.1 計算中子的半徑

根據中子質量方程與場效應質增方程，

n(1840m₀)=p(1836m₀)+e(m₀)+m"...(11)

m"=m₀(rₙ/r)³=3m₀...(12)

(rₙ/r)³=n，r=rₙ/³√n...(13)

根據中子衰變釋放β線粒子的速度幾乎為光速，可假設高能負電子的震盪速度就是光速，它的動能由它與質子之間的電磁力提供。

½m₀c²=ke²/r

r=2ke²/m₀c²

=2×9×10⁹×1.6²×10⁻³⁸÷(9.1×10⁻³¹×9×10¹⁶)

=5.63×10⁻¹⁵=5.63fm

r=λ/2π=2hc/2πm₀c²

進而可求中子的半徑

rₙ=r·³√n=5.63fm׳√3

=5.63fm×1.44

=8.1fm（大約是質子0.84fm的10倍）

6.2 中子衰變激發的初始光子溫度

T=½m₀c²/1.5k

=9.1×10⁻³¹×9×10¹⁶÷(3×1.38×10⁻²³)

=1.98×10⁹[K]≈20億開

此值，就是中子內場的溫度，是原子核衰變剛釋放（場氛圍尚未膨脹）的等離子體溫度。

中子衰變釋放等離子體後，場體積急遽膨脹，能密大大降低，溫度也要大大降低。

6.3 可見，如果把所有中子凝聚在一起叫中子態，顯然是違揹物理邏輯的。

中子態，可以看成一個氕原子的縮聚產物，但中子的邊際電子(e⁻)之間具有巨大的抗簡併壓與泡利不相容，理當有較大的場空間。

這個機制，可作為預測太陽核心層物態分佈及其溫度場梯度的基本依據。

如果相信核心溫度為有1500萬度，則可按庫侖力估算中子邊際電子之間的平均間距rₙₙ：

1.5kT=(1/4πε₀)e²/rₙₙ...(14)

rₙₙ=(1/4πε₀)e²/1.5kT...(15)

=9×10⁹×(1.6×10⁻¹⁹)²

÷(1.5×1.38×10⁻²³×1.5×10⁷)

=7.42×10⁻¹⁵[m]=7.42fm

即：在太陽中心巨大引力約束條件下，中子被壓縮到間距只有一箇中子半徑的空隙。

由此，該溫度對應的廣義中子態密度，考慮面心體堆積空隙為24%，可按下式預算：

ρ=mₙ/(76%(4π/3)(rₙₙ+rₙ)³...(16)

=1.674×10⁻²⁷÷(0.76×4.2×15.2³×10⁻⁴⁵)

=1.46×10¹⁴kg/m³=1.46×10¹¹t/m³

這個密度，可以代表太陽核心層的密度，因為在所有熱核反應中，只有中子邊際的高能負電子才是參與核裂變與核聚變的關鍵角色。

可見，太陽核心層佔據0.25倍太陽半徑或者說密度為160t/m³，顯然是不可靠的。因為與相應的1500萬度溫度不一致。現在，我們可以調整這個核心層的半徑。

●吸積盤理論的太陽本體模型是：

【太陽本體】=【對流層+輻射層+核心層】

致命瑕疵：密度160t/m³無法對應1500萬超高溫度。況且，輻射層本來就含對流粒子。

●筆者的內嵌中子星本體模型是

【太陽本體】=【等離子對流層+內嵌中子星】

假設內嵌中子星的半徑為Rₙₙ，等離子對流層的質量佔比1%。有

4.2×Rₙₙ³×1.46×10¹⁴=1.98×10³⁰

Rₙₙ=³√(1.98×10³⁰÷4.2÷1.46÷10¹⁴)

=³√(3.23×10¹⁵)

=1.48×10⁵m=148千米

故，等離子對流層的平均密度與電荷間距

ρ₊₋=2×10²⁸÷(4.2×6.958³×10²⁴)

=14.1kg/m³

質子個數密度（=電子個數）：

n=14÷(1.67×10⁻²⁷)=8.38×10²⁷/m³

等離子體的間距

2n/V=16.76×10²⁷÷10²⁷nm³

=16.76個/nm³→0.06nm³/個=60×10⁶pm³/個

d=10²pm׳√60=3.9×10⁻¹⁰米。

相當於高溫高密度的分子氣體態。這樣的等離子體結合態，相當於氫氣與氦氣。

由於受到正負電荷之間的吸引作用，大大降低了電子運動速度，按v=αc=2.2×10⁶m/s，計算等離子體對流層的平均溫度

T=m₀v²/3k

=9.1×10⁻³¹×(2.2×10⁶)²÷(3×1.38×10⁻²³)

=1.06×10⁵K≈10萬開

等離子對流層的密度，大約是地球附近空氣密度的11倍。這部分等離子體的特點是：速度都是準光速(0.1~0.99c)、濃度高，

根據中子態的溫度與密度的對應關係簡稱【溫密關係】，我們似乎完全有理由，把太陽核心層看成與太陽質量相應的內嵌中子星。

我們可以把太陽作為基準恆星，就好比把日地距作為基本天文單位，把本星系團326萬秒差距做為宇觀世界的天文單位一樣。

中子星的最大密度，不可突破邊際電子抗簡併壓半徑(rₙₙ)，進而，把rₙₙ叫內嵌中子態的臨界間距，把1500萬度作為內嵌中子星的臨界溫度，把太陽核心層半徑作為內嵌中子星的臨界半徑，即有：

rₙₙ≥7.42fm...(17)

Tₙₙ≤1.5×10⁸K...(18)

Rₙₙ≥148km...(19)

顯然，由於內嵌中子態的邊際電子，可以認為是【完全均質化】的並以光速遊離於所有中子態的高密度場空間。

因為，如果不是均質化，就必然破壞邊際電子的抗簡併壓與泡利不相容原理，尤其是會導致質心密度無窮大的荒謬演繹。

而且，更為重要的是，在內嵌中子態的臨界帶，電磁輻射的是最高頻率的伽瑪光子：

fₙₙ=1.5kTₙₙ/h...(20)

=1.5×1.38×10⁻²³×1.5×10⁸÷(6.63×10⁻³⁴)

=4.68×10¹⁸Hz

這個頻率，比正負電子湮滅的伽瑪光子，約低一個數量級，

f₊₋=½m₀c²/h...(21)

=0.5×9.11×10⁻³¹×9×10¹⁶÷(6.63×10⁻³⁴)

=6.5×10¹⁹Hz

筆者認為，宇宙中的最高頻率，應該是質子的徹底毀滅而釋放出1834倍的伽瑪光子頻率，

f*=1834·f₊₋...(22)

=1834×6.5×10¹⁹=1.19×10²³Hz

7. 分析太陽內外等離子體的分佈情況

本節重點解釋核心層、日冕層與太陽風的等離子體所在的分佈密度與對應溫度。另外，探討兩個超難問題：

①電子與質子兩種等離子體究竟如何產生的，並且它們倆又何以匯聚造就了太陽。可參考吸積盤理論，不在話下。

②為什麼日冕層遠離太陽本體約百萬千米，反而有數百萬超高溫問題。

7.1 目前已有的觀測資料有：

▲這張表中所列核心層的引數，顯然是不可靠的，應按本文第6.3節調整為臨界引數集。

7.2 作為參考，計算氕原子的凝聚態密度

ρʜ¹=1.67×10⁻²⁷÷(4.2×5.3³×10⁻³³)

=2670kg/m³

這顯然大大超出太陽的平均密度，這就意味著，太陽從等離子對流層起直到日冕層的密度梯度是比較陡峭的。

7.4 太陽核心層的等離子體分佈情況

據6.3節【溫度與密度的對應關係】與【邊際電子抗簡併壓】的，回答如下：

其一：由於太陽質量巨大帶來的超大約束力，核心層的等離子體均質化分佈，處於臨界半徑為38千米的內嵌中子星狀態。

所有的氕原子態被縮聚為中子態，中子間的最小距離7.42費米，也就意味著，內嵌中子星完全是有質子與電子兩種等離子體之間的距離統一為7.42費米，全然分別不出中子態。

與此同時，該臨界中子態處於熱力學動態平衡態，其平衡恆溫為1500萬度。其臨界光子的極限頻率為4.68×10¹⁸赫茲。

7.5 等離子對流層的分佈情況

太陽，由於超大質量，周圍有超強引力場，會不斷大量吸積附近的等離子體，導致核心層吸積有超臨界質量，進而在邊際電子的抗簡併壓作用下，大量釋放等離子體，進入輻射層。

其初始速度可以看成原子核裂變時的釋放速度。大致為：β線電子為準光速(v≈c)，α線氦核速度為v≈0.1c，質子線為v≈0.3c。

上文第6.3節已經估算了對流層分子氣態，密度14.1kg/m³是空氣密度1.29kg/m³的11倍。大約在對流層的中部，溫度約10萬度。

7.6 為什麼日冕層的溫度高達數百萬度？

對流層主要有高密度的氣態分子，分子內的約束性等離子體震盪速度大大降低。

但是，還有不少等離子體，由於被內嵌中子星以準光速發射出來，極速穿越對流層，在經歷100萬千米左右到達日冕層時，速度也會因為大機率發生康普頓散射效應而大大衰減，

假設衰減到v=0.05c=1.5×10⁷米/秒，則其衝壓附近的場介質，激發的光溫度為：

T=m₀v²/3k

=9.1×10⁻³¹×2.25×10¹⁴÷(3×1.38×10⁻²³)

=4.9×10⁶K=490萬開。

這裡的難點是：不知道等離子體也會像核外電子一樣衝壓附近場介質而激發電磁波。尤其執迷於電子躍遷與勢阱的駐波理論。

7.7 太陽風的本質是等離子體氣流

地球附近太陽風速度為460千米/秒，其實這主要是自由的電子與質子兩種離子的速度。

從太陽核心層釋放的速度是0.3c~0.99c，而後漸漸減速到對流層外緣，速度降至0.05c為30000千米/秒，歷經近1.5億千米的長途跋涉，速度不斷衰減，最後到達地球。

（完）