核聚变和氢弹爆炸（为什么太阳能燃烧100亿年）

氢弹，迄今为止威力最大的人造物，利用核聚变的原理，氢弹能够在一瞬间释放出非常巨大的能量，可惜的是，氢弹核聚变的速度极快，其能量是以爆炸的方式释放出来的，人类根本就无法控制。

然而我们都知道，太阳的能量来源同样也是核聚变，却能够以一种稳定且温和的方式持续燃烧。

（注：我们说太阳“燃烧”只是为方便讨论，实际上，基于化学反应的燃烧现象与太阳的核聚变有本质上的不同，请大家注意区分）

根据科学家的估算，太阳的这种状态一共可以维持大约100亿年的时间，所以问题就来了，同样是核聚变，为什么太阳能燃烧100亿年，氢弹却一下子就炸了呢？下面我们就来聊一聊这个话题。

要点燃核聚变反应，高温是必不可少的条件，氢弹所用的核聚变原料是“氘”和“氚”这两种氢的同位素，在标准大气压下，其发生核聚变反应的条件大概是1亿度（摄氏度，下同）。

为了实现这个温度，人们采用的方法是，在氢弹的外层安装一颗小型原子弹（以核裂变为原理），当其引爆后，就可以产生上亿度的温度，进而使氢弹内部的原料在极短的时间内完成核聚变反应，于是氢弹就一下子就炸了。

可能有人会认为，太阳的核聚变反应只会在其核心区产生，而太阳又那么大，因此太阳只需要将自己的核燃料一点一点地放入核心，就可以稳定燃烧100亿年了，但事实却并非如此。

如上图所示，太阳的核心区的半径大约是太阳半径的4分之1，在这个区域中的核燃料都可以发生核聚变，而位于核心区之外的辐射区，却阻止了太阳外层的物质进入太阳核心区，也就是说，太阳所有的核燃料都在核心区中，并没有“一点一点地放入核燃料”。

据此我们可以推测出，太阳之所以不会炸，应该是因为它核聚变的速度处于某种受控状态，能够以非常缓慢的速度进行。

太阳核心的核聚变反应主要是“质子-质子链反应”（如下图所示），其基本原料是氢原子核，也就是质子。相对于氢弹所用的“氘”和“氚”，质子发生聚变的条件要高得多，在标准大气压下，需要数十亿甚至上百亿度的高温。

然而太阳核心的温度却只有1500万度左右，这根本就不够啊，那太阳是怎么产生核聚变的呢？是因为太阳核心的压强非常巨大吗？

答案是否定的，虽然太阳核心的压强可以高达标准大气压的大约3000亿倍，但是这也只能让质子的密度大幅度增加，依然无法达到产生核聚变的条件。

由于质子都带正电荷，因此当质子相互靠近时，彼此之间就会产生强大的排斥力，这被称为“库伦势垒”，而质子的动能必须要能够克服“库伦势垒”，才可以彼此碰撞，进而产生核聚变。

温度其实就是微观粒子热运动的集体表现，温度越高，微观粒子的热运动就越激烈，其动能就越高，根据科学家的计算，太阳核心区的质子平均动能约为1000eV（电子伏特），而质子之间的“库伦势垒”却有大约1000000eV。

也就是说，太阳核心区的质子平均动能仅为“库伦势垒”的千分之一，从理论上来讲，这根本就无法克服质子之间的排斥力，核聚变也就无从谈起了。

然而事实却是，太阳似乎无视了这种理论，这是怎么回事呢？其实这个问题曾经让科学家头疼了很久，直到他们发现了“量子隧穿”。

如果把“库伦势垒”比作一个山头，那么在经典物理中，粒子必须要有足够的能量翻越它才可以通过，但在量子物理中，粒子却有一定的概率在“自身的能量不足以翻越这个山头”的情况下直接穿过，这就是“量子隧穿”。

根据量子力学，发生“量子隧穿”的概率非常低，即使在太阳核心区高温高压的环境中，质子也只有大约10^（-20）的概率发生隧穿，这个概率直观点来看，就是1万亿亿分之1。

需要注意的是，就算某个质子通过“量子隧穿”与其它的质子发生了碰撞，也很难发生核聚变，因为在质子碰撞实验中，科学家发现两个撞在一起的质子有超过99.999%的概率不会发生核聚变，它们会重新衰变成两个单独的质子。

总而言之，由于上述的原因，太阳核心区中的质子发生核聚变的概率是非常非常低的，低到什么程度呢？根据科学家的计算，在太阳的核心区，一个质子平均需要几十亿年的时间才能另外的质子发生核聚变。

尽管这个概率低得令人发指，但太阳核心区依然会发生核聚变，原因就是太阳占据了整个太阳系大约99.86%的质量，其中大约有73.46%都是氢，它拥有的质子实在是太多了。

从概率学的角度来看，在相同的条件下，对于某种发生概率不为零的事件而言，只要基数足够大，那么它就必然会发生。

这就好比我们把3枚硬币同时抛出，出现“所有硬币在落地之后全部都是正面朝上”这种情况的概率是很低的，所以一般都不会出现这种情况，但如果我们抛硬币的次数非常多，那么这种情况就必定会多次出现，只不过相对于抛硬币的总次数而言，出现这种情况的次数要少得多。

同样的道理，虽然太阳核心区的质子发生核聚变的概率极低，但由于太阳拥有的质子数量非常巨大，因此在太阳的核心区，随时都有质子在发生核聚变，但相对于质子总量而言，发生核聚变的质子数量微乎其微。

到此我们就可以做个总结了，综上所述，太阳之所以不会像氢弹那样一下子就炸了，其实是因为在极低概率的控制下，太阳的核燃料只能以极为缓慢的速度消耗，而这也是太阳能燃烧100亿年的原因。

好了，今天我们就先讲到这里，欢迎大家关注我们，我们下次再见。

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