6500 萬年前,一顆小行星撞擊地球,導(dǎo)致恐龍滅絕。但恐龍并非在撞擊瞬間就全部消失,而是經(jīng)歷了漫長過程。
小行星撞擊揚(yáng)起大量煙塵,遮蔽陽光。植物無法進(jìn)行光合作用,數(shù)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(duì)地球生命至關(guān)重要,太陽是地球表面的主要能量來源。
然而,太陽內(nèi)核溫度高達(dá) 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(duì)零度,這究竟是怎么回事?

事實(shí)上,太陽的 “燃燒” 與地球表面的燃燒有著本質(zhì)區(qū)別,它的能量源于 “重壓之下” 的核聚變反應(yīng)。在宇宙中,質(zhì)量決定天體命運(yùn),質(zhì)量達(dá)到太陽質(zhì)量 8% 以上的天體,大概率會(huì)演變成恒星,低于這一標(biāo)準(zhǔn)的則多為行星。

太陽的質(zhì)量占據(jù)太陽系總質(zhì)量的 99.86% 以上,憑借巨大的質(zhì)量,太陽內(nèi)部產(chǎn)生了強(qiáng)大的引力,致使溫度急劇升高,物質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子態(tài)。在等離子態(tài)下,原子中的電子擺脫原子核束縛,自由移動(dòng),太陽內(nèi)部變成原子核、電子、光子四處穿梭的 “海洋”。

在這種環(huán)境下,原子核之間有機(jī)會(huì)發(fā)生合并,即核聚變反應(yīng)。
但原子核都帶正電,彼此相互排斥,要實(shí)現(xiàn)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(diǎn)燃?xì)湓雍说暮司圩冎辽傩枰?1 億度的高溫,而太陽內(nèi)核溫度僅 1500 萬度,遠(yuǎn)低于這一反應(yīng)條件。

幸運(yùn)的是,微觀世界存在量子隧穿效應(yīng),即便能量不足,反應(yīng)仍有一定概率發(fā)生,只不過概率極低,一對(duì)氫原子核大約需要十億年才可能發(fā)生一次反應(yīng)。
不僅如此,氫原子核的核聚變反應(yīng)的第一步,需要將一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶?,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(zhì)量巨大,即便反應(yīng)概率低,也能持續(xù)發(fā)生核聚變。正是由于量子隧穿效應(yīng)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(wěn)定的方式進(jìn)行氫原子核的核聚變反應(yīng),逐步釋放能量。
整個(gè)核聚變過程分為三個(gè)階段,反應(yīng)前后會(huì)損失一部分質(zhì)量,這部分質(zhì)量以能量形式釋放出來。每產(chǎn)生 3 個(gè)光子,就會(huì)伴隨 2 個(gè)中微子產(chǎn)生,具體來說,4 個(gè)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(shí)間內(nèi)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(tuán),首先要理解溫度的本質(zhì)。
從經(jīng)典物理學(xué)的微觀角度來看,溫度是微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度的體現(xiàn)。物質(zhì)由粒子構(gòu)成,粒子并非靜止不動(dòng),而是時(shí)刻處于無規(guī)則運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。粒子熱運(yùn)動(dòng)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(dòng)能的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,平均動(dòng)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(shù)量不到一個(gè)(近似值)。
如此低的密度,使得太空缺乏足夠的粒子來體現(xiàn)溫度。當(dāng)太陽發(fā)出的光子在宇宙中傳播時(shí),由于太空中粒子數(shù)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(shù)過少,無法體現(xiàn)出相應(yīng)的能量,這就是其溫度接近絕對(duì)零度的原因。
盡管日地之間的太空接近絕對(duì)零度,但嚴(yán)格來說,太空并非處于絕對(duì)零度。
實(shí)際上,太空的溫度比絕對(duì)零度高 2.72 度,這一溫度源于宇宙大爆炸的余溫。根據(jù)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(dá)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(tài)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(xù)膨脹,宇宙微波背景輻射的溫度下降到了 2.72K??茖W(xué)家可以通過探測(cè)器探測(cè)到它的存在,宇宙微波背景輻射也成為天文學(xué)家研究宇宙的重要依據(jù)。
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