地球/2b. 太阳能

地球
2b. 太阳能

一位陨落的科学家

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，他的身体撞击了英格兰中部希普利格伦附近一座大悬崖底部墓穴般的花岗岩上。他的肩骨骨折，肾脏功能失常，头部流血。他无法移动，濒临死亡。他不知道自己躺在这座悬崖底部多久了，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。但它来了。太阳。它照亮了天空，燃烧得明亮，他记起了自己是谁。

弗雷德·霍伊尔是一位太阳物理学家。50 年前，他写下了他最伟大的作品，一系列发表在 1946 年至 1957 年间的科学论文，并在此过程中发现了太阳如何通过质量的产生产生能量，特别是产生不同质量的新原子形式。他创立了一个名为恒星核合成的新科学领域。在 20 世纪初，科学家们发现，放射性原子自发衰变可以释放出巨大的能量。这种原子质量损失被称为核裂变，到 1940 年代，这种能量被用于开发原子武器和核能。然而，太阳释放能量是由于核聚变，即原子质量不断增加。弗雷德·霍伊尔是这项研究的最前沿，因为他提出宇宙中所有的原子最初是在恒星（如太阳）中形成的。

在他上方，受伤的弗雷德·霍伊尔观察着太阳。它的明亮的光芒照亮了早晨的天空，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。它超出了想象的巨大，尽管宇宙中其他地方的恒星比太阳大得多，但它巨大的体积几乎无法理解。

恒星按颜色（与温度相关）和光度（或亮度）分类，光度与恒星的大小相关。太阳位于一个名为主序星的大星团的中心，在一个绘制颜色和光度关系的图中称为赫兹sprung-罗素图。太阳的黄白色光谱表明其表面平均温度为5,778 开尔文，光度为 1 个太阳单位。沿着主序星，每颗恒星都可以根据其颜色进行分组。

安妮·坎农发展了所谓的哈佛系统，该系统使用字母表示不同的颜色，与温度相关。使用此系统，太阳是 G 类恒星。最热的蓝色恒星是 O 类，最冷的红色恒星是 M 类。该系列用于绘制夜空，表示按从最热到最冷的顺序排列的恒星（O、B、A、F、G、K 和 M）。O 和 B 类恒星往往是蓝色的，而 A 和 F 类恒星往往是白色的，G 类是黄色的，而 K 和 M 类是粉红色的到红色的。90% 的恒星都位于这个主序星序列上，然而，一些奇特的恒星位于这个主序星序列之外，包括高度发光巨星（超巨星、亮巨星、巨星和亚巨星）以及较低光度白矮星。

太阳的解剖

太阳的外层冠状层是其大气层，由气体光环组成，在日食期间月球遮挡太阳时可见。作为高度动态的层，巨大的耀斑从太阳的这个区域爆发。日冕是一种等离子体光环（由高度带电的自由电子组成），类似于闪电，延伸到太阳周围的空间。日珥是环状特征，高出太阳表面 800,000 公里，太阳耀斑从黑暗太阳黑子的边缘产生。太阳黑子是太阳光球层的较冷区域，比周围的气体低几千开尔文。这些太阳黑子已经被观测了数百年，并遵循 11 年周期，与太阳绕其核心旋转的磁轨道有关。太阳黑子出现在太阳赤道上方的区域，并以 11 年的活动爆发周期出现。在太阳黑子活动增强期间发生的太阳耀斑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夜空中出现多彩的极光。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/）。美国国家航空航天局卫星Nimbus 7（1978 年发射）和太阳最大值任务（1980 年发射）等卫星对照射到高层大气的太阳辐射进行了测量，这些卫星自那时以来一直测量着太阳辐射，结果表明，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，它们是伴随太阳黑子活动出现的更亮的区域，导致太阳辐射总体增加，然而，当较暗的太阳黑子占主导地位时，比明亮的光斑区域更明亮，在太阳黑子活动期间也会出现较低的太阳辐射的短暂下降。自这些卫星于 1978 年发射以来，对高层大气进行的太阳辐射测量表明，太阳照射到地球高层大气的能量仅在这些事件期间在 1369 和 1364 瓦/米² 之间变化（Willson & Mordvinov，2003：地球物理研究通讯）。

太阳上层大气温度最高，因为这些等离子体爆发激发了自由粒子，产生的温度超过100万开尔文。太阳大气层的最低层是过渡区，它可以通过对流向上隆起。对流是能量与物质一起运动的过程，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。色球层是只有在日食期间才能看到的红色。色球层下方是光球层，与太阳上层大气层不同，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的顶部可以被视为太阳的“表面”，因为它是由密度更大的物质组成的。光球层下方是两个区域，它们将能量从太阳的核心向外输送。上层区域是对流区，其中能量通过物质运动（对流）传递，而下层区域是辐射区，其中能量通过物质运动的传递，称为传导。这两个区域之间是差转层。太阳的内部核心占太阳内部半径的约25%，承受着强烈的引力，足以导致核聚变。

太阳的核聚变反应堆

太阳的能量来自强大的引力将被称为质子的粒子压碎成中子。当两个质子在太阳核心被压在一起时，克服了通常将它们排斥的电磁力，一个质子将释放亚原子粒子并转化为中子。这种从质子到中子的变化释放了能量，以及正电子和中微子。地球每秒都被数十亿个这样的太阳中微子轰击，它们不受阻碍地穿过物质，并且常常无法被探测到，因为它们是中性变化的，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，并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。电子在太阳极热外层充当负电等离子体，大量存在，阻止了正电子到达地球。

在化学中，最简单的原子只是一个带负电的电子，周围环绕着一个带正电的质子，化学家称之为氢。加上一个中子，原子就从氢变成了氘，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都有1个原子质量，所以氘的质量为2。而电子、中微子和正电子几乎没有质量，或者质量接近于零。

太阳的巨大引力将原子分解，电子被向上推离太阳核心，在太阳外层形成自由电子的等离子体，而质子则留在太阳中心。电子带负电，被带正电的质子吸引。在太阳引力之外，自由质子和电子会相互吸引，形成最简单的原子，即元素氢。然而，在太阳核心，质子被压在一起，形成了中子。这个过程被称为质子-质子链反应。关于太阳核心质子是如何压在一起的，存在一些争议，最近的实验表明，质子被挤压得非常近，以至于它们形成了二质子，两个质子结合在一起形成一种高度不稳定的氦同位素。元素根据其包含的质子数量命名，例如氢包含1个质子，而氦包含2个质子。在这个过程中，质子也被转化为中子。中子的加入帮助使包含2个质子的氦原子不稳定。太阳内部的质子-质子链反应将自由质子通过一系列步骤转化为包含2个质子和2个中子的氦原子。具有不同数量中子的元素被称为同位素，因此，在太阳的核心有以下类型的原子

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，具有单个质子的氢被转化为具有两个质子和两个中子的氦-4，导致随着时间的推移，太阳核心内部形成更大的原子。

太阳是如何形成较大元素的

关于太阳核心内部发生质子-质子链反应的想法，最初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大会的年会上，参与者们计算出了可能的反应路径。这个团队中的一位成员，是一位名叫汉斯·贝特的德国犹太移民，他是纽约康奈尔大学的教授。

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如何产生。他们发现，当太阳核心内的融合原子获得6个或更多个质子时，它们可以像催化循环一样，促进氦-4从氢的产生。催化剂是一种在反应中不会被消耗的物质，它将在反应中反复起作用。贝特和克里奇菲尔德发现，在含有6、7和8个质子的原子的存在下，这些原子可以促进氢的融合成氦的速度更快，充当催化剂。这个过程被称为CNO循环，因为它需要更大的原子，碳-氮-氧元素存在于太阳核心。我们自己的太阳是一颗相当小的恒星，因此通过CNO循环产生的能量更少。据估计，只有大约1.7%的太阳能量是由CNO循环产生的，然而，在更大的恒星中，CNO循环是产生能量的重要过程，尤其是在温度更高的恒星中。

贝特发现的太阳和其他恒星中的CNO循环，被20世纪30年代后期阿道夫·希特勒在德国的崛起所破坏。汉斯·贝特仍然是德国公民，但他是犹太人，在这段时间里，他努力将母亲和家人从德国带出来。事实上，描述CNO循环的论文获得了该杂志的现金奖励，这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机制方面的天才，得到了美国军方的认可，他们任命他领导秘密的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年代设计和实施裂变核弹之后，科学家们还在争先恐后地弄清楚如何通过原子的融合在恒星的核心自然形成更大的原子。

超新星

所有这些都萦绕在弗雷德·霍伊尔的脑海中，他躺在悬崖脚下。他知道这一切。在第二次世界大战期间，他只担任雷达研究专家，感到自己被排除在核研究之外。战后，他对太阳的核聚变产生了浓厚的兴趣。更大的原子如何在更大的恒星内部形成。受二战期间美国进行的研究的启发，弗雷德·霍伊尔提出了恒星核合成的概念，以解释比氦-4更大的元素的存在。我们自己的太阳主要通过质子-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，以及如何通过相同过程形成的。他称这个次要过程为氦燃烧，一个原子融合在一起形成更大原子的过程，即元素周期表上命名的众多元素。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，证明了更大的原子实际上可以在非常大的恒星中产生，并且那些元素在周围行星中的自然丰度使人们对在恒星的一生中产生它们的步骤有了更深入的了解。这些步骤向上导致产生具有 26 个质子的原子，通过将较小的原子融合成更大的原子，但具有超过 26 个质子的原子需要一个特殊情况：它们几乎在一次被称为超新星的巨大爆炸中瞬间形成。

因此，人们推测，我们太阳系的元素基本分布是通过一颗巨大恒星中的逐步融合过程形成的，这颗恒星最终变得临界并在一场超新星事件中爆炸，将各种大小的原子注入星云，一股气体和尘埃云被炸入外太空。这种气体和尘埃，即星云，在数千年内缓慢地形成原恒星-原行星盘，最终导致我们太阳系的形成，以及其中存在的每一个原子。卡尔·萨根经常引用这个奇怪的事实，并用一句谚语来概括：“我们都是由星尘组成的！”

太阳会死亡吗？

我们的太阳系是由一颗爆炸的巨大恒星形成的这一事实，引发了关于我们的太阳随着时间的推移会发生什么的问题？太阳的燃料是氢原子，换句话说，是单个质子，随着时间的推移，它们转化为中子，或者更准确地说是包含 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 取代。此时，太阳将收缩，向内压缩，变得越来越致密。在某个时刻，不断增强的引力将导致氦-4 融合成更大的原子，太阳将开始燃烧氦-4 作为燃料源，这将导致太阳向外膨胀，远超其目前的尺寸，形成一颗红巨星。在演化的这个阶段，尽管燃烧温度较低，但太阳将吞噬水星、金星，甚至地球。地球最终将毁灭，但太阳也是如此。

最终，氦-4 将被耗尽，太阳将最后一次收缩，其能量输出急剧下降，直到它形成一个微弱的行星状星云，由燃烧殆尽的余烬中的碳、氮、氧以及这个曾经的能量熔炉中剩下的原子组成，直到它被压缩到地球大小。科学家估计，这个过程将需要 60 亿年才能完成，而地球目前的年龄为 46 亿年，这意味着我们星球在太阳未来红巨星阶段毁灭之前大约还剩那么多年。

大爆炸

当弗雷德·霍伊尔试图从悬崖下伸展的姿势中站起来时，他疼得龇牙咧嘴，回忆起他最著名的名言，他在 1949 年的一次广播采访中提到的一个短语。这个短语表明，不仅太阳系起源于一次剧烈的爆炸，而且一次更古老的爆炸诞生了整个宇宙。霍伊尔强烈反对宇宙起源于爆炸的观点，他更倾向于宇宙一直存在的观点，认为它没有开始。在 1949 年的广播采访中，霍伊尔解释了他的稳态假说，通过将他自己的想法与“大爆炸”的概念形成对比，即宇宙的爆炸性诞生。这是一个新想法，正在引起其他科学家的兴趣，但霍伊尔却拒绝了它。在 20 世纪 60 年代，霍伊尔开始拒绝任何似乎与他自己的想法相矛盾的观点，并因其反传统的科学观点而闻名。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，但被另一位教授选中，担任他的导师。这是件好事，因为霍伊尔坚信宇宙没有开始，以至于在 1972 年，在与同事就招聘实践发生激烈争执后，霍伊尔辞去了他在大学的教学职位，退休到乡下。同年，他被封为爵士，并独自一人开始了新的生活。

然而，这段时期的记忆可能会让他心中感到一阵刺痛。在学术殿堂之外，弗雷德·霍伊尔成为当时已建立的科学家们的一个刺，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，该委员会将奖项授予了他的合著者威廉·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方面的研究。弗雷德·霍伊尔遭到冷落，逐渐被人遗忘。然而，“大爆炸”的概念将定义未来对理论物理学的探索，并使史蒂芬·霍金家喻户晓。

虽然弗雷德·霍伊尔从悬崖上坠落中获救并被送往医院，但他从未从科学界坠落中恢复过来。如果他能观察到关于光性质的不断涌现的突破，以及证明宇宙确实有一个开端的令人震惊的发现，那么这场坠落本可以避免。

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