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都是核聚变,为什么氢弹瞬间就爆炸,太阳却能持续100亿年?

1952年,美国试爆了人类第一颗氢弹,用氢元素核聚变释放出了1000万吨TNT的威力,相当于500颗广岛原子弹。

此时此刻,远在1.5公里之外的太阳,也在用氢元素核聚变释放能量,每秒都会把430万吨的氢元素转化成光和热,地球仅接收了其中的20亿分之一就演化出了万千生命,而如此庞大的能量释放过程,太阳已经持续了46亿年。根据科学家的计算,太阳还需要至少50亿年,才会将自身的氢元素消耗殆尽。

那么问题来了:都是核聚变,为什么氢弹瞬间就会爆炸,太阳却能持续“燃烧”100亿年呢?

核聚变的本质

核聚变是指高温高压状态下,质量较轻的原子核相互发生碰撞,最终结合成重原子核,并在此期间因质量亏损释放出而巨大能量的一种核反应,相较于强辐射的核裂变链式反应,核聚变本身不会产生有害辐射,且需要的燃料也仅仅是氢或者氕氘氚,从海水中就能轻易获得,因此可控核聚变一直被认为是人类文明的“终极能源”。

氢弹

人类其实并未制造出“纯粹”的氢弹,因为真正的氢元素核聚变是不会产生核废料和强辐射的,但由于目前只有原子弹爆炸瞬间产生的高温高压,才能让氢元素发生核聚变反应,所以人类现在的氢弹其实是一个连环炸弹,首先由普通炸药引爆原子弹,再让原子弹爆炸瞬间的高温高压,引爆氢弹本身。

而原子弹是具有辐射性的,所以现在的氢弹爆炸之后,也会像原子弹一样产生辐射危害。目前科学家正在研究的“可控核聚变”,就是要用强激光和托卡马克装置来代替原子弹,实现无污染且可持续的核聚变反应。

太阳

虽然很多人都知道太阳的质量很大,但很少有人知道太阳质量占太阳系总质量的99.86%,八大行星和所有其他天体加起来和太阳比,就是九牛身上的一根毛。

得益于巨大的质量,太阳核心区域温度高达1500万℃,压强为地球的3000亿倍,氢元素在这个高温高压高密度的环境中,会持续不断发生聚变反应并释放能量,截至到这一步,太阳和氢弹的核聚变流程都完全一致,而爆炸与不爆炸的直接原因,在于接下来的流程。

氢元素核聚变的能量爆发在太阳内部后,理论上太阳是会因为辐射压而由内而外发生膨胀的,但由于其巨大质量带来的巨大引力,太阳的外壳其实是在不断向心收缩的,因此内部核反应的“外向力”和恒星外壳在引力作用下坍塌的“内向力”刚好形成了平衡。

正是这种平衡,让太阳既不会像氢弹一样瞬间爆炸,也不会因为自身巨大的质量在引力作用下坍塌,辐射压与引力的平衡,以及太阳自身氢元素的丰富,最终造就了这颗1.5亿千米之外,能带给地球光和热的黄矮星。

但平衡不会永久存在

虽然太阳的氢元素占比很高,但当50亿年后绝大部分氢元素都化作能量消散在宇宙中时,已经持续了100亿年的“由内而外辐射压”,就会因为氢元素的不足而减少,所以到时候引力将超过辐射压,让太阳外壳发生坍塌引起体积变小。

当外壳的氢元素因为坍塌,又进入内侧的高温高压环境后,辐射压就又会超过引力,引起太阳本身的膨胀,根据恒星物理学家的研究,太阳内部辐射压和外部万有引力的“拉锯战”,会在太阳生命的最后10亿到20亿年里反复发生。

最后的最后,引力不再是辐射压的对手,太阳将开始极速膨胀,由一颗黄矮星变成一颗红巨星,到时候太阳的最外侧会逼近火星轨道,水星,金星,地球到时候将在太阳内部运行,并最终迎来自己的结局。

短暂的红巨星时代

由于红巨星时代的太阳内部已经没有多少氢元素,所以很快引力就又会超过辐射压,让红巨星的体积收缩,当所有的可供聚变的元素都消耗完后,红巨星就会消散成行星状星云,并在核心区域留下一颗由原子核与原子核”排列“成的白矮星。

无法继续核聚变的白矮星,会成为太阳存在过的唯一证据,恒久存在于宇宙中,虽然天文学家认为白矮星最后也会因为辐射冷却而变成黑矮星,但以白矮星的辐射释放速度,数百亿上千亿年后它才能完全冷却,而宇宙目前只有138.2亿年,因此现在的宇宙里,是不可能存在黑矮星的。

其实放眼宇宙,以氢弹为代表的核聚变并不是最强大的能源,宇宙中还有黑洞,还有反物质,它们的威力足以毁灭太阳系,或者在一击之间粉碎地球,和它们相比, 人类的核武器就像一支温柔的蜡烛。