要认识太阳，

你得懂点儿核物理

大家还记得遨游在太空中的羲和号吗？去年8月，它向世界发布了自己的首批劳动成果，其中有5项成果获得了“世界第一”。7个月过去了，它时时刻刻都在帮助我们探索太阳的奥秘，平均每天产生1.1TB的原始科学数据。自去年羲和的首批科学成果发布以后，很多热心读者纷纷留言，希望了解更多关于太阳的科学知识。

今天，我们就特地邀请到了科普作家曲炯，为广大读者讲讲太阳背后那些你不知道的小秘密。

2023年2月6日

“羲和号”观测的超级暗条

太阳是太阳系的主宰，把太阳系的全部质量放到一起，它自己就占了99.86%。太阳也是个能源巨头，它的能量朝着四面八方发射，只有往地球这个方向来的光才能被我们接收到，这个角度很小很小，每时每刻，地球收到的能量只占太阳产能的22亿分之一，但是，这么“一丁点儿”的能量，已经足以驱动风雨雷电万物生长了。

2022年10月2日

“羲和号”对太阳活动区的多层次观测

上世纪的困惑

早在十九世纪之前，人们就完全掌握了太阳在天空中的运行规律（实为地球的运行规律），也基本察知了太阳表面呈现的种种现象：黑子、日珥、光谱、日冕、耀斑、活动周期等等，甚至通过光谱分析，在太阳大气层里发现了氦——当时在地球上都还没找到这种元素呢。

可是，直到二十世纪初，太阳的巨大能量从何而来，对现代科学都是个大难题。最多持续几千年的化学燃烧是首先被排除掉的，但即使用最持久的“引力收缩”热力学模型来解释，也只能让太阳发热2000万年，然而，当时的地质学研究却认为，地球至少3亿岁了。物理学大神开尔文的解释是：地球诞生之后的好几亿年里，太阳虽然早已存在，却还并未开始发光照亮这个世界。对于这个解释，地质学家们应该很不满意，毕竟从地层里找到了那么多生物化石呢。

亚瑟·爱丁顿

图源Library of Congress

好在科学一直在进步，太阳的秘密渐渐被揭示出来。1896年，放射性被发现，由此建立了原子核物理学。1905年，爱因斯坦提出质能方程E=mc²，为太阳能量来源提供了线索。1920年，通过对比氢核与氦核的质量，爱丁顿敏锐地指出，若把4个氢核合成1个氦核，会有0.8%的质量亏损，按照质能方程可以折算出巨大的能量，应该就是太阳的能量来源。爱丁顿的方向完全正确，但囿于当时的物理学进展（当时甚至还没发现中子呢，量子力学也刚刚起步），他还描述不出核聚变的具体过程。直到1938年，太阳内部氢核聚变的一个反应分支终于由汉斯·贝特阐明。

太阳和核物理

我们现在知道，太阳的能量来源确实是氢核到氦核的聚变反应。这个反应分为三大段、三四个分支，但如果我们只看输入输出，忽略中间产品以及特别小的质量如电子、正电子、中微子等等，那么，整个反应就是爱丁顿所猜想的：

41H →4He 能量

每个氢核（也就是质子）的质量大约1.6726×10-27千克，4个总共6.6904×10-27千克，而氦核的质量大约6.6447×10-27千克，比4个氢核的总质量轻，少了0.0457×10-27千克！

我们把这个质量按照质能方程换算成能量，就是：

E = mc²

= 0.0457×10-27 × (3×108)²

= 4.113×10-12焦耳

大家也许觉得这个能量微不足道，但这只是4个质子放出的能量。有道是“众人拾柴火焰高”，在太阳核心巨大的体量里，每秒都有3.7×1038个氢核发生9.2×1037个这样的反应，每秒总产能3.8×1026焦耳！

这是个什么概念呢？三峡大坝2020年的全年发电量是1118亿度，太阳发光5秒钟，产生的能量就相当于三峡大坝从地球诞生运行至今了。

看到这个巨大的数字，大家可能又要担心起来：如此挥霍，燃料够用么？不怕不怕，太阳非常大，3.7×1038个氢核只是其可用粒子的240亿亿分之一。从太阳诞生至今的46亿年里，它才刚刚损失了万分之三的质量，还能安安静静地再烧50亿年。可以说，这座核电站非常平稳安静，运行的是天然受控核聚变。

长舒一口气的同时，你也许又会好奇，为什么太阳这么俭省节约呢？那么多的氢核挤在一起，也没有什么缓释设备，为什么不会一下子全部聚变成氦呢？

其实，缓释设备是有的，这就是氢核之间巨大的电磁斥力。氢核的本质是带正电的质子，同性相斥，并且斥力随着距离的减小呈平方反比骤升。只有它们侥幸飞到相距1.7×10-15米以内时，才会有另一种作用力——核力——战胜电磁斥力，把它们拉到一起，合成新型原子核。

在经典物理学中，要想把两颗质子挤压到这个距离，太阳核心的1500万度是远远不够的。好在“遇事不决，量子力学”，在量子力学里有个叫做“隧道效应”的机制，允许质子在温度不够的情况下突破斥力的壁垒，强行合并。这个概率非常低，有多低呢？每颗质子平均要等90亿年，才能等到它的真命天子。

一切都刚刚好啊，我们的太阳既能点火成功，又不至于一点就崩，感谢量子力学。

阿尔伯特·爱因斯坦

图源Library of Congress

深解质能方程 

这就是故事的全部吗？能量真的是从质量亏损兑换出来的吗？我们再来看这个反应式：

41H →4He 能量

为什么氦核比4个氢核轻？质量亏损在哪里？大家可能会这样拆解：氦核是由两颗质子和两颗中子构成的，明白了，一定是因为质子变成了中子，而中子比质子轻，所以出现了质量亏损。

那么大家搜一搜“质子”和“中子”，看看它们的质量，会不会大跌眼镜？中子的质量是1.6749×10-27千克，比质子还要重一些！

这是怎么回事呢？其实，并不是什么物质消失了变成了能量，而是能量本来就是能量，它被释放之后，表现为质量亏损。这个能量释放得如此之多，以至于质子变成更重的中子，都没抵偿过来。

（但我们还是要说爱丁顿是对的，他在尚不知中子为何物的年代一枪命中十环，非常了不起。）

这个本来就是能量的能量是什么呢？它的名字叫“结合能”，可以这样理解它：假如我们把一个氦核分成4个单独的核子，就要注入能量，使劲掰开。把这个过程倒放，4个核子合成1个氦核，等量的能量就会释放出来。这个分离原子核时所需提供的能量，或者等价叙述中合成原子核时释放的能量，就是结合能。

我们再打一个不太精确的比方：如果把氢核想象成1颗裹满糖衣的山里红，把4个山里红团在一起时，我们并不需要满满4份糖衣，多余的这部分丢出来的糖衣，就是结合能。它虽然是能量，却是可以按质量称量的。扔出这份糖衣时，即使有两个山里红稍微大一些，整体质量还是变轻了。

我们中学学习化学时，对拉瓦锡质量守恒定律印象很深，会误认为常规化学反应里的质量是守恒的，而E=mc²这么高大上的方程，只属于核反应独家尊享。其实不是这样，质能方程适用于一切情况。

氢气在氧气里燃烧，所得水分子的质量实际上略小于参与反应的氢分子和氧分子的质量和，这个质量亏损体现的就是燃烧放出的热能，来源于反应前后的键能之差（也是一种结合能）。我们通过电解水的方式，注入能量，就重新获得氢气和氧气，把丢失的质量归还了。

烧红的铁块，由于原子具有更高动能，会比常温下的重一些；处于紧张状态的弹簧，因为具有势能，会比放松状态的重一些。

只是这些“常规”的能量差异实在渺小得很，所对应的质量差异无法测得，忽略也无大碍。核结合能之所以不可忽略，是因为它来源于强相互作用，是宇宙四大相互作用中最强的。

还能愉快地晒太阳吗？ 

现在大家了解太阳是个不带罩的核电站，可能会有点恐慌：以后还能愉快地晒太阳吗？不用担心，它没罩，咱们有罩，地球的磁场和大气层能够很好地抵御太阳发出的高能射线或高能粒子，到达地表的主要还是温柔的电磁辐射，平时做好紫外线防护就足够了。不过，空间站里的航天员们，就有较高风险面对来自太阳或宇宙空间的高能电离辐射，必须认真对待。空间站和航天服都有防辐射保护措施，也备有舱内和航天员个人专用的辐射监测设备，这些都是改善航天员空间飞行条件的切实措施。

2022年10月9日，咱们的“夸父一号”先进天基太阳天文台发射升空，就是为了观测“一磁两暴”：太阳磁场和太阳上两类剧烈的爆发现象——耀斑和日冕物质抛射，为空间天气预报提供支持。

国家博物馆 中国载人航天工程三十年成就展上的空间站模型 （张高翔摄）

最近，《逐梦寰宇问苍穹——中国载人航天工程三十年成就展》正在中国国家博物馆举办，中国空间站的模型、环控生保设备、中国自主研发的“飞天”舱外航天服以及新一代载人飞船和未来载人登月设备正在展览中，大家不妨去现场了解一下咱们的辐射防护新科技呢！