太阳表面一秒钟散发出来的能量总和，能够支持地球人所需能量用多久？
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发布时间：2022-04-24 13:36
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时间：2023-10-14 16:20
太阳的重要性之一在于，它为生物的存在提供能量。例如，地球上的生命，无论植物或者动物，完全依赖于太阳的能量。假如离开了太阳，地球将是一个黑暗寒冷的不毛之地，一片死寂。
既然我们如此依赖太阳，我们就应该弄清其工作机制和结构。太阳的能量从何而来？它一秒钟散发出的能量究竟有多少？100年前，科学家们还不知道这些问题的答案。毕竟，人类没有办法在实验室里研究太阳，也不能从太阳上提取分析的样本。
一、太阳由什么构成
欧洲工业*初期，一些人认为太阳是由类似煤炭的物质组成的。理由是将黑色的煤加热到足够的温度，就会看到其开始发光。19世纪的科学家推断，太阳可能会慢慢缩小，或者连续受到陨石的撞击，其过程都会释放出能量。
然而他们错了。太阳不但不会缩小，实际上它还在逐渐增大，当然这种变化缓慢得难以察觉。陨石或者彗星撞击太阳，即便发生，也是极低概率的天文事件，无法解释太阳发出的热与光。我们现在知道，如果太阳是个燃煤电厂，那么它仅能维持大约6000年。
1925年，美籍英国天文学家塞西莉亚·佩恩（Cecilia Payne-Gaposchkin）首次提出，太阳主要由氢元素组成。而且，由于其他恒星的主要成分也是氢元素，这就意味着佩恩从本质上发现了宇宙的成分，但令人尴尬的是这与当时主流的看法相抵触。大多数人都从未听说过她。后来进一步的光谱分析充分证实了佩恩的发现。
如今我们已经知道，太阳是由71%的氢（自然界中最简单的元素）、27%的氦（第二简单的元素）和2%的重元素构成的。所以太阳不过是一个庞大的热气态球体。
太阳非常之大，直径横跨140万公里，是地球直径的100倍。假如太阳是空心的，那么能够装得下130多万个地球，令人叹为观止。
二、太阳的能量从哪里来
一个巨大的充斥着氢和氦的热气球是如何产生恒定的能量输出的呢？答案很简单：核聚变（nuclear fusion）。
直到20世纪30年代末，美国物理学家汉斯·贝特（Hans Bethe）找到了科学答案。在太阳的核心，由于引力作用气体被外层的重量强烈压缩，密度达到铅的13倍。在这样的极端条件下，原子核聚合在一起，这就是核聚变反应。
上世纪50年代美国第一次小型氢弹试验表明，核聚变释放的能量，多到难以想象。
设想将太阳核心的核聚变反应点燃一秒钟，再将它熄灭，在那一秒钟里会发生什么呢？
在短短的一秒钟里，有5.7亿吨氢气参与了核聚变反应，这相当于40个杭州西湖蓄水量的质量。如果用数学表达这个大数字，相当于3.4x10^38个氢原子，而且是在一秒钟内。这些小质量的氢原子核（实际上是单个质子）聚变成更大质量的氦原子核。一个氦原子核大约是一个质子质量的4倍，因此4个氢原子核发生核聚变，就会产生一个氦原子。也就是说，一秒钟之内产生氦原子的数量依然很大，即3.4x10^38除以4得到8.5x10^37个氦原子。
因此，在一秒钟内，巨大数量的质子（氢原子）聚变成氦原子核。而每5.7亿吨的氢参与核聚变反应，就会生成5.66亿吨的氦——少了0.7%。那么剩下的400万吨质量去了哪里？
著名的物理学家爱因斯坦告诉我们，这400万吨质量转化为了能量，E=mc^2。
太阳大约诞生于46亿年前。如果在这46亿年（1.45x10^17秒）的寿命里，质量的流失是稳定的，那么今天的太阳要比它诞生时的质量少了6x10^23吨，这仅是太阳总质量（2x10^27吨）的万分之三，实在是微不足道。
三、一秒钟内有多少能量输出
太阳的核聚变过程中，并不是所有的质量都会变成能量。从4个氢原子核到一个氦原子核的聚变还产生了2个正电子和2个中微子。但是，2个正电子的质量之和小于1个氢原子核质量的千分之一，而中微子几乎没有质量。我们完全可以暂时不考虑这些粒子。
所以，太阳一秒钟之内会将400万吨质量转化为纯粹的能量。根据爱因斯坦的质能公式E=mc^2，这些能量十分巨大，大约3.6x10^26焦耳，约是我们地球人每年能源消耗总量的100万倍。
也就是说，如果我们能够利用这些能量的话，一直到公元1002000年，我们都不会遭遇能源危机。
四、太阳能量如何传到地球
太阳核聚变产生的能量以高能伽马射线的形式释放出来，但却被紧紧地锁在了太阳内部。由于太阳核心处的密度巨大，1500万开氏度的气体几乎完全不透明。伽马射线光子无法传播得很远，它们与气体粒子发生剧烈的反应。结果是，在那一秒钟内释放的能量在太阳内部各个方向上被重复吸收、重复发射以及散射，循环往复。
在真空中，光以每秒30万公里的速度传播。而实际上，由于太阳内部气体的不透明性，太阳内部发生的辐射到达太阳表面需要花费10万年的时间，尽管这段路程只有70万公里（太阳半径）。换言之，每秒3.6x10^26焦耳的核能10万年以后，才能到达太阳表面。在那之后，仅需再花8分20秒的时间，光就能穿越空间到达地球。
五、结束语
现在我们知道了太阳的成分，以及它是如何产生能量的。它在一秒钟内产生的能量，理论上足以支持地球人100万年的能量需求。
另外，我们今天接受到的太阳能量产生于10万年前。从某种意义上说，我们正沐浴着古智人时期的阳光。我们在夜空中看到的恒星都有着与太阳同样的故事，它们也都是氢与氦的核电厂，每一秒都在释放令人难以置信的巨大能量。
