地球/2b. 太阳能
1997 年 11 月的一个寒冷的夜晚，弗雷德·霍伊尔发现自己受了伤，他的身体被摔在英格兰中部希普利格伦附近一个大悬崖底部像坟墓一样的花岗岩上。他的肩骨骨折，肾脏功能障碍，头上有血滴。他动弹不得，濒临死亡。他不知道自己躺在悬崖底部多久了，因为天黑了，覆盖着苔藓的石头和崎岖的树枝在昏暗的光线下笼罩着他。但随后它出现了。太阳。它照亮了天空，燃烧得明亮，他记起了自己是谁。
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弗雷德·霍伊尔是一位研究太阳的物理学家。在 50 年前，他写下了他最伟大的著作，一系列发表在 1946 年至 1957 年期间的科学论文，并在过程中发现了太阳如何通过产生质量来产生能量，特别是产生不同质量的新形式原子。他创建了一个新的科学领域，称为恒星核合成。在 20 世纪初，科学家发现，随着放射性原子的自发衰变，可以释放出巨大的能量。这种原子质量的损失被称为核裂变，到 1940 年代，这种力量在原子武器和核能的开发中得到利用。然而，太阳因核聚变而释放能量，即产生原子质量增加的原子。弗雷德·霍伊尔是这项研究的前沿人物，因为他认为宇宙中所有的原子最初是在恒星中形成的，比如太阳。
在他头顶，受伤的弗雷德·霍伊尔观察着太阳。它明亮的光照亮了早晨的天空，发出黄白色的光芒。它是太阳系的巨人，130 万个地球大小的行星可以容纳在太阳的体积内。它的质量是地球的 333,000 倍。它超出了人们对庞大的想象，虽然宇宙中其他地方的恒星使太阳相形见绌，但它巨大的尺寸几乎令人难以置信。
恒星按颜色（与温度有关）和光度（或亮度）分类，光度与恒星的大小有关。太阳位于一个称为主序的巨大恒星群的中心，该恒星群在绘制颜色和光度的图表中被称为赫茨普龙-罗素图。太阳的黄白色光谱表明其平均表面温度为5,778 开尔文，光度为 1 个太阳单位。在主序恒星中，每颗恒星都可以根据其颜色进行分组。
安妮·坎农开发了一种称为哈佛系统的系统，该系统使用字母表示不同的颜色，这与温度有关。使用此系统，太阳是 G 类恒星。最热的蓝色恒星是 O 类，而最冷的红色恒星是 M 类。该系列被用于绘制夜空，表示恒星按从最热到最冷的顺序排列（O、B、A、F、G、K 和 M）。O 类和 B 类恒星往往呈蓝色，而 A 类和 F 类恒星往往呈白色，G 类更偏黄色，而 K 类和 M 类则呈粉色到红色。90% 的恒星位于这个主序恒星上，然而一些奇特的恒星位于这个主序之外，包括高光度的巨星（超巨星、亮巨星、巨星和亚巨星）和低光度的白矮星。
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太阳的外层冠冕是它的大气层，由一个气体光环组成，当太阳在日食期间被月球遮挡时可以看到。作为高度动态的层，巨大的耀斑从太阳的这个区域爆发。日冕是等离子体（由高度带电的自由电子组成）的光环，就像闪电一样，延伸到太阳周围的太空中。日珥是环状结构，从太阳上升 800,000 公里，太阳耀斑则从黑暗的太阳黑子边缘产生。太阳黑子是太阳光球层的较冷区域，比周围气体低几千开尔文。这些太阳黑子已经观测了几百年，并遵循与太阳围绕其核心磁轨道相关的 11 年周期。太阳黑子出现在太阳赤道上方和下方，以明显的 11 年活动爆发形式出现。在太阳黑子活动增强期间的太阳耀斑会导致带电粒子撞击地球的最外层大气，导致这些事件期间地球磁极附近的夜空中出现彩色的极光。太阳黑子活动受到密切监测，因为它会影响地球轨道卫星。（见http://www.solarham.net/）。由 NASA 卫星尼姆布斯 7 号（1978 年发射）和太阳最大值任务（1980 年发射）等卫星测量到达高层大气的太阳辐射，表明在太阳黑子活动期间，到达高层大气的总太阳辐射略有增加。这是由于光斑，光斑是伴随太阳黑子活动出现的更明亮的区域，导致太阳辐射总体增加，然而，当较暗的太阳黑子比更明亮的光斑区域占主导地位时，太阳黑子活动期间也出现了太阳辐射短暂下降。自这些卫星于 1978 年发射以来，对高层大气的太阳辐射测量表明，在这些事件中，太阳到达地球高层大气的能量仅在 1369 和 1364 瓦特/米2之间变化（Willson & Mordvinov，2003：Geophyscial Research Letters）。
太阳高层大气中的温度最高，因为这些等离子体爆发激发了自由粒子，产生超过 100 万开尔文的温度。太阳大气层的最底层是过渡区，它可以通过对流向上凸起。对流是能量与物质一起运动的现象，可以有效地将能量从太阳内部向上输送。过渡区下方是厚得多的色球层，那里的温度约为 5,778 开尔文。色球层是日食期间才能看到的红色。色球层下方是光球层，与太阳高层大气不同，它受太阳引力的控制，代表着密度更大的物质。虽然太阳没有明确定义的表面，但密度更大的光球层顶端可以看作是太阳的“表面”，因为它是由密度更大的物质构成的。光球层下方是两个区域，将能量从太阳核心向外输送。上层区域是对流层，其中能量通过物质的运动（对流）进行传输，而下层区域是辐射层，其中能量通过物质不运动的方式进行传输，称为传导。在这两个区域之间是差旋层。太阳的内部核心约占太阳内部半径的 25%，处于强烈的引力作用下，足以导致核聚变。
太阳的能量来自于强大的引力将称为质子的粒子压碎成中子。当两个质子在太阳的核心被压在一起时，克服了通常会使它们排斥的电磁力，一个质子将释放亚原子粒子并转化为中子。这种质子到中子的转变会释放能量，以及正电子和中微子。地球每秒都会被数十亿个这些太阳中微子轰击，这些中微子不受阻碍地穿过物质，而且常常无法探测到，因为它们已经发生中性变化，并且没有足够的质量与其他粒子相互作用。释放的正电子从太阳核心向上移动，与围绕太阳的电子相互作用，当每个正电子与电子接触时就会湮灭。电子作为太阳极热外层的高负电等离子体丰富存在，阻止了正电子到达地球。
在化学中，最简单的原子只是一个被单个带正电的质子包围的单个带负电的电子，化学家称之为氢。添加一个中子，原子就会从氢变成叫做氘的东西，它是氢的一种同位素。氘的原子质量是氢的两倍，因为每个质子和中子的原子质量都是1，所以氘的质量是2。而电子、中微子和正电子具有微不足道的质量，或者质量接近于零。
太阳的强大引力将原子分解，电子被推向远离太阳核心的方向，形成太阳外层自由电子的等离子体，而质子则留在太阳中心。电子带负电荷，被带正电荷的质子吸引。在太阳引力之外，自由的质子和电子会相互吸引形成最简单的原子，即氢元素。然而，在太阳的核心，质子被压在一起形成中子。这个过程被称为质子-质子链反应。关于太阳核心中的质子是如何被压在一起的，存在一些争议，最近的实验表明，质子被彼此靠得如此之近，以至于形成了双质子，即两个质子结合在一起形成了一种高度不稳定的氦同位素。元素的命名是根据它们所含的质子数量，例如，氢包含1个质子，而氦包含2个质子。在这个过程中，质子也会转化为中子。中子的加入有助于使包含2个质子的氦原子不稳定。太阳内部的质子-质子链反应将自由的质子通过一系列步骤转化为氦原子，氦原子包含2个质子和2个中子。中子数量不同的元素被称为同位素，因此，在太阳的核心存在以下类型的原子
- 1个质子 + 0个中子（氢）
- 2个质子 + 0个中子（氦-2同位素）
- 1个质子 + 1个中子（氢-2同位素，氘）
- 2个质子 + 1个中子（氦-3同位素）
- 2个质子 + 2个中子（氦-4同位素）
通过这个过程，只有一个质子的氢被转化为有两个质子和两个中子的氦-4，随着时间的推移，太阳核心中会形成更大的原子。
太阳是如何形成更大的元素的
[edit | edit source]太阳核心内这种质子-质子链反应的理论最早是由一群物理学家在1938年提出的，他们共同努力解决太阳如何产生能量的问题。在参加华盛顿理论物理学会议的年度会议时，与会者研究了可能的反应路径。这个小组中的一员，是一位名叫汉斯·贝特的德裔犹太移民，他是纽约州康奈尔大学的教授。
从会议回来后，汉斯·贝特和查尔斯·克里奇菲尔德开始研究更大的元素，以及它们在太阳和更大的恒星中可能产生的方式。他们发现了一件非凡的事情：当太阳核心内融合的原子获得6个或更多个质子时，它们可以像催化循环一样，加速氢转化为氦-4的进程。催化剂是一种在反应中不会消耗的物质，它会在反应中反复多次地起作用。贝特和克里奇菲尔德发现，在存在6个、7个和8个质子的原子的情况下，这些原子可以促进氢的融合形成氦，速度更快，充当催化剂的作用。这个过程被称为碳氮氧循环，因为它需要太阳核心存在更大的原子，即碳、氮、氧元素。我们自己的太阳是一颗比较小的恒星，因此，通过碳氮氧循环产生的能量较少。据估计，太阳能量只有大约1.7%是由碳氮氧循环产生的，然而，在更大的恒星中，碳氮氧循环是能量产生的一个重要过程，尤其是在温度更高的恒星中。
贝特在太阳和其他恒星中发现碳氮氧循环，却被20世纪30年代末阿道夫·希特勒在德国的崛起所蒙蔽。汉斯·贝特仍然是德国公民，但他有犹太血统，在那段时间里，他致力于帮助他的母亲和家人离开德国。事实上，描述碳氮氧循环的论文赢得了该期刊的现金奖励，这笔钱帮助他母亲移民到美国。汉斯·贝特在理解核聚变和核裂变物理学方面的才能得到了美国军方的认可，他们任命他领导洛斯阿拉莫斯实验室的理论部门，负责在二战期间设计和建造第一批核武器。
即使在20世纪40年代设计和制造裂变核弹之后，科学家们仍在努力弄清楚，更大的原子是如何在恒星的核心通过原子融合自然形成的。
超新星
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当弗雷德·霍伊尔躺在悬崖脚下时，所有这些都在他的脑海中盘旋。他知道这一切。在二战期间，他只担任雷达研究专家，他感到自己被排除在核研究之外。直到战后，他才对太阳的核聚变产生了浓厚的兴趣。更大的原子是如何在更大的恒星内部形成的。受到战争期间美国进行的研究的启发，弗雷德·霍伊尔发展了恒星核合成的概念，来解释比氦-4更大的元素的存在。我们自己的太阳主要是通过质子-质子链反应产生能量，换句话说，燃烧氢形成氦-4。随着碳、氮、氧的出现，这个过程可以加速，但是，弗雷德·霍伊尔思考着，比氦-4更大的元素是如何存在的，以及是如何通过相同的过程形成的。他称这个二级过程为氦燃烧，这是一个将原子融合在一起产生更大原子的过程，即元素周期表中列出的众多元素。 弗雷德·霍伊尔、威廉·福勒以及玛格丽特和杰弗里·伯比奇夫妇在1957年起草了一篇著名的论文，这篇论文证明了更大的原子实际上可以在非常大的恒星中产生，而且那些元素在周围行星中的自然丰度，让我们对在恒星的一生中产生这些元素所采取的步骤有了更深入的了解。这些步骤向上延伸到产生包含26个质子的原子，这个过程是将较小的原子融合成更大的原子，但是包含超过26个质子的原子需要一种特殊情况：它们几乎是瞬间在一个叫做超新星的巨大爆炸中形成的。
因此，人们推测，我们太阳系中元素的基本分布是通过一颗巨大的恒星中的逐步融合过程形成的，这颗恒星最终达到临界状态，并在一场超新星事件中爆炸，将各种大小的原子喷射到星云中，星云是一团被炸入太空的气体和尘埃。这种气体和尘埃，即星云，在数千年的时间里缓慢地形成原恒星-原行星盘，最终导致了我们太阳系的形成，以及它内部的每一个原子。 卡尔·萨根经常用一句格言来引用这个奇怪的事实：“我们都是由星尘构成的！”
太阳会死亡吗？
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我们的太阳系诞生于一颗爆炸的巨星，这引出了一个问题：我们的太阳随着时间的推移会发生什么？太阳的燃料是氢原子，也就是单个质子。随着时间的推移，质子会转化为中子，更准确地说，会形成包含 2 个质子和 2 个中子的氦-4 原子。最终，太阳核心将不再有氢，因为这种燃料将被氦-4 原子取代。此时，太阳会收缩，向内压缩，变得越来越致密。在某个时刻，不断增强的重力会导致氦-4 聚变形成更大的原子，太阳将开始燃烧氦-4 作为燃料，这将导致太阳向外膨胀，远远超过其当前的大小，形成一颗红巨星。在演化的这个阶段，太阳会吞噬水星、金星，甚至地球，尽管它会以更低的温度燃烧。地球最终会毁灭，太阳也是如此。
最终，氦-4 会耗尽，太阳会进行最后一次收缩，其能量输出大幅下降，直到形成一个微弱的行星状星云。这个星云由燃烧殆尽的碳、氮、氧以及其他残余原子的较大原子构成，最终会缩小到地球的大小。科学家估计，这个过程将持续 60 亿年。今天，地球的年龄为 46 亿年，这意味着我们还有大约 60 亿年的时间，直到我们星球在太阳即将到来的红巨星阶段被摧毁。
当弗雷德·霍伊尔试图从悬崖下伸展的位置站起来时，他痛得龇牙咧嘴，这让他想起了他最著名的引言，这是他在 1949 年的一次广播采访中提到的一个词语。这句话暗示了不仅太阳系起源于一次猛烈的爆炸，而且更古老的一次爆炸诞生了整个宇宙。霍伊尔强烈反对宇宙起源于爆炸的说法，他更倾向于一个观点，即宇宙一直存在，没有起源。在 1949 年的广播采访中，霍伊尔解释了他的稳态假说，他通过将自己的想法与“大爆炸”的概念进行对比来阐述了自己的观点，大爆炸是宇宙爆炸诞生的理论。这是一个新的理论，引起了其他科学家的兴趣，但霍伊尔拒绝了它。在 20 世纪 60 年代，霍伊尔开始拒绝任何看起来与他自己的观点相矛盾的想法，并因其反主流的科学观点而闻名。1962 年，一位名叫史蒂芬·霍金的年轻学生申请在剑桥大学跟随弗雷德·霍伊尔学习，但他被另一位教授选中作为他的导师。这是一件好事，因为霍伊尔对宇宙没有起源的观点十分执着，以至于在 1972 年，由于与同事就招聘问题发生激烈争执，霍伊尔辞去了他在大学的教职，退隐到乡下。同年，他获得了爵士称号，并独自创业。
然而，这段时期的记忆可能给他的心带来了痛苦的感觉。在学术殿堂之外，弗雷德·霍伊尔成为了当时已故科学家的眼中钉，他草拟了越来越有争议和奇怪的想法，并与他的儿子一起在出版科幻小说方面取得了一些成功。1983 年，他被诺贝尔奖委员会排除在外，该委员会将奖项颁给了他的合著者威廉·福勒和苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡，以表彰他们在恒星核合成的研究。受到冷落，弗雷德·霍伊尔渐渐被人遗忘。然而，“大爆炸”的概念将继续定义未来理论物理学的探索，并将史蒂芬·霍金推上了家喻户晓的人物。
尽管弗雷德·霍伊尔从悬崖上坠落后被救出并送往医院，但他从未从科学界的跌落中恢复过来。如果他能观察到关于光本质的不断涌现的突破性进展，以及证明宇宙确实有起源的令人震惊的发现，他本可以避免这场灾难。
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