第4章 太陽為我們工作(4)(1 / 3)

科學上矛盾的發現往往是科學發展的起點。科學上的難點促使人們去思考,去探索,應當說是一件大好事。太陽中微子之謎一旦被人們揭開,人們就會拋棄一些陳舊的觀點,引導出嶄新的理論。

太陽不過是一顆平凡的恒星,天上千千萬萬顆恒星都是中微子發射源。一些超新星以及演化到晚期的恒星也都是強大的中微子發射源。而中微子是人們研究天體結構、能量平衡、演化途徑的必不可少的助手,因而解開太陽中微子之謎具有十分廣泛的意義。雖然要解開太陽中微子失蹤之謎還需要一段時間,需要付出辛勤的勞動,但是人們仍然十分重視它。目前,已經形成天文學的一個新分支——中微子天文學。我們相信,中微子天文學今後將獲得豐富的成果。

太陽能的源泉

光輝燦爛的太陽,一刻不停地發射著極大的能量。太陽輻射的總額是38×1026焦耳/秒,或121×1034焦耳/年。太陽的壽命長達幾十億年,在它的“一生”中要貢獻出何等浩大的能量啊!1克優質煤完全燒掉,隻能放出836千焦的熱。如果整個太陽是一大團煤球,它按目前的功率發射能量,那麼不到1500年,太陽就燒得精光了。太陽的能量是如何產生的?這是太陽物理學的一個重大問題。

太陽能源探索經曆了一個漫長的途程。曾經提出過流星學說,即大量流星墜落到太陽上,由摩擦生熱而燃燒。但是計算表明,這樣得到的能量太少了。這個說法很早已被揚棄。後來又有人提出收縮學說,即太陽不斷在縮小,位能減少,熱能增加。假定太陽本來至少有現在太陽係那樣大,那麼由收縮而釋放能量,頂多隻能維持5千萬年。這比起由地質和古生物探索得出的地球年齡還小100倍。此外,用天然放射性來說明太陽能源,也以失敗而告終。

一直到相對論問世後,這一難題才得到比較可靠的解決。根據相對理論,通過原子核反應,質量可能轉化為能量。按照愛因斯坦的公式:能量E=mc2,m表示質量,c表示光速。由此公式不難算出,一克質量可以變成9×1013焦耳的能量,這相當於1萬噸煤全部燃燒所放出的熱量。既然太陽是一個擁有2×1033克質量的龐然大物,它可以算是取之難盡,用之不竭的能源了。

在什麼場合下,質量才能變成為能量呢?要說明這個問題,讓我們作一點曆史回顧。早在1895年,法國物理學家貝克勒耳發現了鈾(U)的放射性。鈾礦石發出的輻射可以穿透紙張和金屬片,並使照相底片感光。後來居裏夫婦經過繁重的實驗和辛勤的探索,發現了釙(Po)、鐳(na)等放射性元素。它們在不斷蛻變的過程中發射出能量和粒子流。例如鐳放出。射線(即氦原子核)、射線(即電子)和射線(與X射線相似,是波長更短的輻射)。這些蛻變都是自然而然地進行的,人們既不能阻止它,也無法促進它。但到了20世紀上半期,物理學工作者實驗室裏用加速器等工具實現人工的核反應。通過核反應,可以使一種物質轉變成另一種物質,並獲得大量的能量。在一定意義上說,中世紀煉金術土夢寐以求的“點石成金”終於實現了。人類開始掌握原子核能,並建立了一整套核反應的理論。

在30年代末期,科學家才明確認識到有兩種核反應可以解釋太陽的能源。一種是所謂的“碳-氮循環”。它包括6個步驟,周而複始地循環進行。經過一整套六步反應,碳和氮的總量都不變,真正受到損耗的隻是氫。好在太陽上氫原子多極了,足夠長期維持這種核反應。

還有一種是“質子—質子循環”。

仔細考慮一下可以看出,這兩套循環的總效果都是使四個氫原子核合成為一個氦原子核。

而碳、氮、重氫等原子核隻起觸媒的作用。請注意,在這個核反應中質量是有損耗的。

一個氫核的質量(原子單位)是1008,而氦核是4004,因此每次反應的質量損耗是△m=4×1008-4004=0028。由此可知,每克氫原子轉化為氦時釋放出能量E=0007×(3×1010)2=63× 1011焦耳。於是不難算出太陽輻射的“成本賬”:為了維持每秒4×1026焦耳的輻射,太陽每1秒要耗費62X1曠噸的氫核“燃料”!需要說明,我們講的是有這樣多的氫核聚變成為氦核,實際損耗的質量隻是其中的一小部分,即62×108噸×0007=43×106噸。

即便如此,每秒430萬噸的代價確也不小了。但是太陽的家底極為雄厚,總質量達2×1033克,並且絕大部分是氫。因此太陽上隻要有2%的氫轉變為氦,”就可釋放 25×1043焦耳的巨額能量。這已經足以使太陽按現在的產能率維持2億年了。下麵要談到,太陽的壽命是幾十億年。因此我們有根據說,核反應可以充分供應太陽的能源。

對太陽來說,上述兩種核反應中哪一種起主要作用呢?在這個問題上,天文學家反複動搖了好幾次。有時認為碳—氮循環是主要的,過些年又說質子—質子循環更要緊。總的說來,它們都在發揮作用。不過由於前一種核反應所需要的溫度比後一種高,並且受溫度變化的影響要大得多,一般認為太陽的能量主要是質子-質子循環供給的。順便談到,比太陽更亮、也就是更熱的恒星基本上由碳—氮循環獲得能量,而比太陽溫度低的恒星,卻是靠質子-質子反應“過日了”。因此就能源來說,太陽在恒星世界中也是比較適中的代表。