跟胖哥學物理 太陽膨脹前後的聚變反應

一部《流浪地球》帶火同學們對科技興趣。有很多同學問，在《流浪地球》中太陽膨脹以後，太陽就不會發光了麼？

首先我們來看看目前太陽，同學們在初中都學過，太陽地球的直徑是地球的110倍，質量也比地球大得多，正是它的引力才會讓它的八顆行星繞著它轉動。在太陽內部，有三層結構:太陽核心、輻射層和對流層。太陽的核心區域雖然很小，半徑只佔太陽半徑的1/4，但卻是產生核聚變反應之處，是太陽的能源所在地。輻射層輻射區約佔太陽體積的一半。太陽核心產生的能量，透過這個區域以輻射的方式向外傳輸。對流區處於輻射區的外面。由於巨大的溫度差引起對流，內部的熱量以對流的形式在對流區向太陽表面傳輸。除了透過對流和輻射傳輸能量外，對流層的太陽大氣湍流還會產生低頻聲波擾動，這種聲波將機械能傳輸到太陽外層大氣，從而產生加熱和其他作用。

太陽與地球一樣，也有大氣層，它包括光流層、色流層、日冕和太陽黑子。

太陽之所以發光，被人類成為“核聚變火爐”，是因為太陽核心是具有大量的氫原子，這些氫原子在幾百萬超高溫條件下發送核聚合反應，生成氦原子核和正電子。

很多同學非常敢興趣是太陽的熱核反應與我們人類傳送氫彈都屬於核聚變反應，他們有沒有區別，其實我們在教材書上學習氫彈裡氘原子和氚原子要發生聚變生產氦原子和中子，有一個很重要前提是必須有幾百萬超高溫。這麼高的溫度，人類沒有辦法容易得到。所有引燃氫彈還是原子彈。也就是利用原子彈來獲得高溫。

同時，原子彈爆炸將所有的氫原子擠壓到了一起，從而發生聚變反應，繼而引起氫彈爆炸，在這一過程中，也並不是所有的氫原子都會參與爆炸，而當核聚變爆炸發生之後，從發射的極高輻射壓就會將沒有參與爆炸的氫原子推向外部。所以氫原子也就不會再繼續爆炸，核聚變反應也就停止，氫彈的爆炸也就僅存於一瞬間。到目前為止，人類還無法減慢核聚變反應，如果能有效控制核聚合，因為反應前後物質都沒有放射性，因為清潔無汙染，能量還巨大。而且氘和氚在海水可以得到，提煉成本比鈾低。

人類無法辦到事，太陽卻很好控制氫原子聚變速度，從而與氫彈不同是，氫彈只在瞬間，而太陽確實80億年，為什麼呢？

太陽的核聚變是，由本身本身所引起的，因為太陽的質量非常的強大，所以它的引力也非常的強，從而導致太陽本身內部的溫度和壓力都很高，氫原子在這裡面就會壓縮，最終就會發生撞擊，然後就會發生核聚變。

我們每天看見太陽的光，是不是來自太陽核聚變反應呢？其實不盡然，核聚變只在恆星中心的一小塊區域內進行，這些光子是很難到達恆星表面的，因為他們一經產生，又會立刻被周圍的原子吸收，平均自由程不到1釐米。而吸收光子的原子處於激發態，由於恆星內部活動劇烈，所以處於激發態的原子，又會立刻隨機從一個方向釋放光子。於是，恆星內部的光子就是這樣，走一步被吸收，然後又被釋放，隨機遊走模型可以估算，一個光子在恆星中心產生，大約需要1000萬年才能遊走到恆星表面。

另外，恆星中心的核聚變釋放大量能量，這些能量的很大一部分會轉變為內能；另外一部分轉變為高能粒子的動能，並向四周丟擲形成太陽風。

這就是正常時候太陽情況，《流浪地球》所說是太陽最後十億年。那是，太陽膨脹成為紅巨星時，其半徑大約會是現在的200倍，按照現在的天體距離，紅巨星的太陽膨脹到現在地球的軌道位置。由於金星河水星距離太陽近，，他們會落入太陽軌道而被燒燬。

不過，那是地球也許並不想大劉在科幻裡說，將落入太陽軌道里，與金星和水星共生死。因為金水星被吸引時，地球與這兩個行星相互吸引力會減小，用時金星和水星被燒燬是爆炸產生能量，也可能把地球推向更遠離地球地方，因為力可以改變物體運動狀態。所有也可能不會出現大劉所說那樣，但是地球表面就沒有大氣層了，用時地球上水會在劇烈高溫下，突然汽化而逃離了地球，這樣地球也無法滿足人類生存。(其實也可能人類在這個階段之前已經消失了)。此時，木星以為行星獲得太陽輻射能量增強，可能變成新的“地球”，但是，即使人類存在，也無法進行移民了。

因為太陽此時已經從主序星進入紅巨星階段，整個太陽系平衡打亂，太陽系處於一個危險時期。大劉在《流浪地球》裡稱太陽要變為紅巨星，就是太陽體積的快速膨脹。之所以會這樣這是因為太陽內部氫元素燃燒殆盡，太陽質量巨大損失造成其引力迅速減小太陽的外層物質就會被剝離“噴射”出來，讓太陽看起來體積變大的同時，因為溫度的降低而變成暗紅色。

太陽變成紅巨星後會不會熄滅了呢？其實，這個擔心是多餘的。隨著太陽核心的不斷收縮，壓力和溫度迅速升高，直到前期由氫轉化成的氦再次被點燃聚變，氦聚變的能量要比氫聚變大的多得多，在氦聚變被點燃的那一刻，才是太陽系的噩夢。

氦燃燒把三個氦原子核聚合成一個碳原子核，為28MeV。由此生成的碳原子核又可吸收一個氦原子核，生成氧原子核。氦的燃燒速度是氫的11—14倍，對於太陽，當氦進入恆定燃燒階段，太陽系再次進入穩定期，但它的壽命就只有大約10億年，因為太陽體積太小，無法形成更多的聚變，太陽將最終熄滅。

太陽熄滅後形成環狀星雲，它將會失去外層氣體物質，中心形成一顆熾熱的緻密白矮星。白矮星發出的輻射能夠激發環繞在其周圍的氣體物質發出多彩的光線。隨著氣體物質的逐漸遠離，就會變得越來越暗淡。

同學發現沒，任何事物都有一個發生發展過程，人類企圖改變是很困難的。不過，太陽也挺有一種不屈精神，直到把所有光和熱都貢獻完了才最終熄滅。不過，人類對太陽認知也很膚淺，努力學習又可能在將來你們有新的發現。

2019年3月6日於宜昌夷陵吾同齋

當太陽內部氫元素耗盡，沒有足夠的質量發生超新星爆發，會進入紅巨星階段，它的半徑會膨脹到現在的200倍，太陽表面會到達現在的地球軌道，在進入白矮星後的數十億年中逐漸冷卻黯淡。