6500 萬年前,一顆小行星撞擊地球,導致恐龍滅絕。但恐龍并非在撞擊瞬間就全部消失,而是經歷了漫長過程。
小行星撞擊揚起大量煙塵,遮蔽陽光。植物無法進行光合作用,數量銳減,食草恐龍因食物短缺走向滅絕,食肉恐龍也因能量獲取大幅減少,最終消亡。
由此可見,陽光對地球生命至關重要,太陽是地球表面的主要能量來源。
然而,太陽內核溫度高達 1500 萬度,表面溫度也有 5500 度,它能將地球曬熱,可日地之間的宇宙空間卻接近絕對零度,這究竟是怎么回事?
事實上,太陽的 “燃燒” 與地球表面的燃燒有著本質區別,它的能量源于 “重壓之下” 的核聚變反應。在宇宙中,質量決定天體命運,質量達到太陽質量 8% 以上的天體,大概率會演變成恒星,低于這一標準的則多為行星。
太陽的質量占據太陽系總質量的 99.86% 以上,憑借巨大的質量,太陽內部產生了強大的引力,致使溫度急劇升高,物質狀態轉變為等離子態。在等離子態下,原子中的電子擺脫原子核束縛,自由移動,太陽內部變成原子核、電子、光子四處穿梭的 “海洋”。
在這種環境下,原子核之間有機會發生合并,即核聚變反應。
但原子核都帶正電,彼此相互排斥,要實現核聚變,就必須克服靜電斥力,這需要巨大的能量。以氫彈為例,點燃氫原子核的核聚變至少需要 1 億度的高溫,而太陽內核溫度僅 1500 萬度,遠低于這一反應條件。
幸運的是,微觀世界存在量子隧穿效應,即便能量不足,反應仍有一定概率發生,只不過概率極低,一對氫原子核大約需要十億年才可能發生一次反應。
不僅如此,氫原子核的核聚變反應的第一步,需要將一個質子轉變為中子,這一過程需要弱相互作用參與,同樣是小概率事件。
好在太陽質量巨大,即便反應概率低,也能持續發生核聚變。正是由于量子隧穿效應和弱相互作用的小概率特性,太陽避免了像氫彈那樣瞬間爆炸,而是以緩慢、穩定的方式進行氫原子核的核聚變反應,逐步釋放能量。
整個核聚變過程分為三個階段,反應前后會損失一部分質量,這部分質量以能量形式釋放出來。每產生 3 個光子,就會伴隨 2 個中微子產生,具體來說,4 個氫原子核通過核聚變生成氦 - 4 原子核,并釋放出大量能量。
太陽釋放的能量極其龐大,若將太陽單位時間內的總輻射量比作金錢,太陽向太空中 “撒出” 約 70 萬億人民幣,而地球接收到的僅約 3 萬塊,人類能夠利用的更是只有 3 塊左右。
既然太陽釋放了如此多的能量,為什么日地之間的太空依然寒冷?
要解開日地之間太空寒冷的謎團,首先要理解溫度的本質。
從經典物理學的微觀角度來看,溫度是微觀粒子熱運動劇烈程度的體現。物質由粒子構成,粒子并非靜止不動,而是時刻處于無規則運動狀態。粒子熱運動越劇烈,溫度越高;反之,溫度越低。
這里的溫度,是基于大量粒子平均動能的統計結果,平均動能越大,溫度越高,反之則越低。
然而,如今的宇宙密度極低,每立方米中氫原子數量不到一個(近似值)。
如此低的密度,使得太空缺乏足夠的粒子來體現溫度。當太陽發出的光子在宇宙中傳播時,由于太空中粒子數量稀少,光子難以被大量俘獲。
相比之下,地球擁有豐富的粒子,能夠吸收太陽輻射。
因此,日地之間的太空既難以吸收太陽的能量,又因粒子數過少,無法體現出相應的能量,這就是其溫度接近絕對零度的原因。
盡管日地之間的太空接近絕對零度,但嚴格來說,太空并非處于絕對零度。
實際上,太空的溫度比絕對零度高 2.72 度,這一溫度源于宇宙大爆炸的余溫。根據目前主流的宇宙大爆炸理論,宇宙誕生于 138 億年前的一次大爆炸。
大爆炸初期,宇宙溫度極高,達到 1.4×1032 度(1.4 億億億億度)。隨著宇宙不斷膨脹,溫度逐漸降低。
在宇宙大爆炸后的 38 萬年,溫度降至 3000 度,宇宙從等離子態逐漸變得透明,電子被原子核俘獲,光子開始在宇宙中自由傳播。
這些早期在宇宙中傳播的光子,形成了遍布宇宙的背景輻射,即宇宙微波背景輻射。
隨著宇宙的持續膨脹,宇宙微波背景輻射的溫度下降到了 2.72K。科學家可以通過探測器探測到它的存在,宇宙微波背景輻射也成為天文學家研究宇宙的重要依據。
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