万物生长靠太阳。可以毫不夸张地说,人类利用的绝大部分能量,都直接或间接地来自太阳,太阳是人间亿万生灵赖以生存的能量源泉。太阳的能量又来源于哪里呢?先人们早就对这个问题进行过探讨和研究。

燃烧说

最早有关太阳发光发热的学说是“燃烧说”。这是一种最原始,也是最朴素的猜测。燃烧说认为,太阳是燃烧内部可燃物质发出光和热的,就像是一个大煤炉,是一个不断燃烧着的巨大火球。

然而,经过测量,太阳表面温度达到6000℃,碳和氧燃烧的化学反应根本达不到这一温度。而且,根据太阳照射地球上的能量,地球和太阳距离,参考其他各种因素后,测得的太阳每秒辐射的功率为3.9×10-26瓦特,用煤燃烧的化学能难以维持这样大得惊人的天文数字。还有就是,如果是由碳和氧燃烧发出的光和热,太阳最多能够燃烧几千年。而太阳已经存在几十亿年了,并且没有发现它的光和热有明显减弱的迹象。燃烧说注定是错误的。

流星说

也还有人提出了“流星说”,认为太阳周围有无数个稠密的流星,它们以可观的宇宙速度不断撞击太阳表面。因为太阳的引力,使得流星的势能转变为动能,撞击又使得流星的动能转化为热能。但后来经人们观察,自有历史记录以来的2000多年里,没有发现太阳质量有明显增加。流星说也被否定了。

收缩说

此后,天文学家亥姆霍兹于1854年提出了“收缩说”。他认为像太阳那样发出辐射的气团,必定会因放热而冷却,因冷却而收缩。气团内的物质因收缩而向太阳中心坠落,使得自身势能转化为动能,再由动能转化为热能。但经测算,如果是靠引力收缩导致的发光放热的话,太阳的能量释放最多不超过5千万年。收缩说也失败了。

核聚变说

20世纪初叶,原子核能被发现以后,人们开始猜测,原子核反应能够产生巨大的能量,太阳的能源正好可以用核反应放出热量来解释。

科学家在分析太阳光谱时发现,在太阳表面物质中,氢占总质量的73%、氦约占25%,其它元素占2%。于是,人们推断太阳的能量来源是核聚变,是由氢元素聚合变为氦元素,释放大量热量。比如4个氢原子,通过系列核反应,聚合成一个氦原子,便能释放出20兆电子伏特以上的能量。氢聚变成为氦,质量并不能全部转化为能量,而是有极少的一部分的质量转化成了能量。按照太阳总质量,与核反应的质量亏损率,两者进行比较,便得到太阳寿命估计值为几百亿年。于是,人们恍然大悟,原来氢就是太阳中的燃料,氦则是燃烧后的“灰烬”。

热核聚变

这一观点已被普遍认同,现代理论认为,各种年龄的恒星内部发生着各种不同的热核反应。恒星演化过程中会发生一系列核聚变,轻元素逐渐向重元素转化,逐渐改变恒星的成分,改变恒星的内部状态。

理论研究到这一步,太阳的能量来源似乎终于得到了解决。但事情并没那么简单,这里还存在着不少棘手的问题。

1、观测表明,太阳表面温度约为6000℃,经科学家推算,太阳核心温度约为1500万℃。这是公认太阳温度的数值,绝大部分文献资料中都在采用这一数值。

根据有关报道,在我国中科院被俗称为“人造太阳”的新一代全超导托卡马克热核聚变装置EAST,于2010年9月28日,首次成功完成了放电实验,获得电流200千安,时间接近3秒的高温等离子体放电,实验实现了装置内部1亿℃高温运行。

2021年5月28日,该核聚变实验装置又创新的世界纪录,成功实现可重复的1.2亿℃,101秒等离子体运行。1.2亿度是人们估计的太阳内部温度1500万℃的8倍。

1967年6月17日,我国的第一颗氢弹爆炸,其爆炸瞬间的中心温度超过100亿℃,其中心温度将近是太阳中心温度的660多倍。

太阳表面温度6000℃,核心温度1500万℃。人工控制下短暂的核聚变产生的高温1.2亿℃,是太阳核心温度的8倍!不可控核聚变的形成的高温100亿℃,是太阳核心温度的660多倍!

按照通常说法,太阳中心连续不断进行着核聚变反应,但温度不仅达不到氢弹爆炸时的100亿℃,居然连短暂的,人工控制核聚变反应堆中的1.2亿℃都远达不到。太阳内部为什么会“不温不火”地保持1500万℃低温运行呢?

2、自然界存在的氢有三种同位素,它们分别是氕(氢)、氘(重氢)和氚(超重氢)。其中氘和氚是最容易发生核聚变的燃料,点燃核聚变所需的温度压力条件比较低,制造氢弹必须使用氘和氚。在海水里的氘大约占氢元素的1/6500,制造氢弹所用的氘是从自然界存在的氢元素中,经过一系列工艺浓缩提炼出来的。氚在自然界里存量微乎其微,制造氢弹所用的氚是在核裂变反应堆里,使锂元素吸收中子后,人工制造出来的。我们通常所说的所谓氢(氕),核聚变所需的温度和压力,远大于氘和氚聚变所需的温度和压力,人类目前根本就无法点燃它,如果太阳燃烧的是普通的氢,太阳是如何点燃它的?

3、众所周知,核聚变反应速度是不可控的,氢弹就是利用氢的同位素聚合反应制成的。氢弹爆炸是瞬间完成的,制造1吨或者1千万吨的氢弹,反应时间也应该是短短的一瞬间。太阳相当于放大版氢弹,但却没有瞬间爆炸,而是持续不断、相对恒定地燃烧了几十亿年。并且,自有历史记录以来,没有发现太阳温度有大的起伏变化。究竟什么样的“内控机制”控制着太阳内部核聚变持续缓慢进行呢?

对于这个问题,有人提出太阳本身有着对核聚变反应速度调节机制。认为太阳的核聚变反应维持长久的原因,是在核聚变反应过程中,太阳能够根据自身温度的高低调节核聚变反应的快慢。当太阳产生的温度过高时,就会导致太阳内部物质膨胀,导致氢原子间距离增大,太阳因此就会调慢核聚变反应速度,反之就会加快核聚变反应的速度。这种自我调节功能使得太阳上核燃烧能够持续、长久、平稳地进行。

凡是存在的必定是合理的,太阳相对匀速燃烧是事实,它也一定存在自我调节机制控制着核燃烧的进程,但是不是就是热膨胀这么简单,就另当别论了。

4、1843年,德国天文爱好者施瓦布通过自己在1826年至1843年间对太阳黑子观测,首次发现日面上黑子数量的多少,存在11年左右的周期变化。此后经过长期对太阳黑子相对数记录可见,黑子相对数的平均值明显的表现出11年左右的周期性,最短为9.0年,最长为13.6年。从黑子数的多寡以及太阳10.7厘米射电流量的变化,就能很容易看出太阳活动的这种周期变化。

太阳活动为什么会有这种带有很强规律的波动变化呢?

5、观测表明,太阳大气的温度具有反常的分布。太阳大气可分为几个圈层,可观测的最内层是光球层,往外是色球层,再往外是日冕层,日冕层又分为內冕和外冕。太阳大气层的温度从光球层底部的5,770K慢慢降到光球顶部(光球与色球交界处)的4,600K,这是正常的。但在此后,温度反其道而行之,越往外部温度反而越高,缓慢上升到光球之上约2,000公里处的几万度,再向上延伸约1,000公里形成了色球-日冕过渡层,温度陡升至几十万度,到达日冕区已是百万度以上的高温区了。一般情况下,距离热源近的地方会更热,距离热源较远的地方会较冷。但究竟是什么原因造成这种在远离太阳中心的地方却出现反常增温呢?太阳核心有没有什么蹊跷呢?

原始星核

据2016年7月,英国伦敦大学皇家霍洛威学院的斯蒂芬·韦斯特博士领导的研究小组,对“暗物质”活动与太阳核心温度进行模拟,认为暗物质应参与到吸收太阳核心热量,影响核心热量向表层传递,从而降低了核心温度。他们宣称,太阳内部中心不但潜伏了暗物质,并且这些暗物质还在逐渐冷却太阳的核心温度。