地球/2b. 太陽能
1997 年 11 月的一個寒冷的夜晚，弗雷德·霍伊爾發現自己受了傷，他的身體被摔在英格蘭中部希普利格倫附近一個大懸崖底部像墳墓一樣的花崗岩上。他的肩骨骨折，腎臟功能障礙，頭上有血滴。他動彈不得，瀕臨死亡。他不知道自己躺在懸崖底部多久了，因為天黑了，覆蓋著苔蘚的石頭和崎嶇的樹枝在昏暗的光線下籠罩著他。但隨後它出現了。太陽。它照亮了天空，燃燒得明亮，他記起了自己是誰。
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弗雷德·霍伊爾是一位研究太陽的物理學家。在 50 年前，他寫下了他最偉大的著作，一系列發表在 1946 年至 1957 年期間的科學論文，並在過程中發現了太陽如何透過產生質量來產生能量，特別是產生不同質量的新形式原子。他建立了一個新的科學領域，稱為恆星核合成。在 20 世紀初，科學家發現，隨著放射性原子的自發衰變，可以釋放出巨大的能量。這種原子質量的損失被稱為核裂變，到 1940 年代，這種力量在原子武器和核能的開發中得到利用。然而，太陽因核聚變而釋放能量，即產生原子質量增加的原子。弗雷德·霍伊爾是這項研究的前沿人物，因為他認為宇宙中所有的原子最初是在恆星中形成的，比如太陽。
在他頭頂，受傷的弗雷德·霍伊爾觀察著太陽。它明亮的光照亮了早晨的天空，發出黃白色的光芒。它是太陽系的巨人，130 萬個地球大小的行星可以容納在太陽的體積內。它的質量是地球的 333,000 倍。它超出了人們對龐大的想象，雖然宇宙中其他地方的恆星使太陽相形見絀，但它巨大的尺寸幾乎令人難以置信。
恆星按顏色（與溫度有關）和光度（或亮度）分類，光度與恆星的大小有關。太陽位於一個稱為主序的巨大恆星群的中心，該恆星群在繪製顏色和光度的圖表中被稱為赫茨普龍-羅素圖。太陽的黃白色光譜表明其平均表面溫度為5,778 開爾文，光度為 1 個太陽單位。在主序恆星中，每顆恆星都可以根據其顏色進行分組。
安妮·坎農開發了一種稱為哈佛系統的系統，該系統使用字母表示不同的顏色，這與溫度有關。使用此係統，太陽是 G 類恆星。最熱的藍色恆星是 O 類，而最冷的紅色恆星是 M 類。該系列被用於繪製夜空，表示恆星按從最熱到最冷的順序排列（O、B、A、F、G、K 和 M）。O 類和 B 類恆星往往呈藍色，而 A 類和 F 類恆星往往呈白色，G 類更偏黃色，而 K 類和 M 類則呈粉色到紅色。90% 的恆星位於這個主序恆星上，然而一些奇特的恆星位於這個主序之外，包括高光度的巨星（超巨星、亮巨星、巨星和亞巨星）和低光度的白矮星。
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太陽的外層冠冕是它的大氣層，由一個氣體光環組成，當太陽在日食期間被月球遮擋時可以看到。作為高度動態的層，巨大的耀斑從太陽的這個區域爆發。日冕是等離子體（由高度帶電的自由電子組成）的光環，就像閃電一樣，延伸到太陽周圍的太空中。日珥是環狀結構，從太陽上升 800,000 公里，太陽耀斑則從黑暗的太陽黑子邊緣產生。太陽黑子是太陽光球層的較冷區域，比周圍氣體低幾千開爾文。這些太陽黑子已經觀測了幾百年，並遵循與太陽圍繞其核心磁軌道相關的 11 年週期。太陽黑子出現在太陽赤道上方和下方，以明顯的 11 年活動爆發形式出現。在太陽黑子活動增強期間的太陽耀斑會導致帶電粒子撞擊地球的最外層大氣，導致這些事件期間地球磁極附近的夜空中出現彩色的極光。太陽黑子活動受到密切監測，因為它會影響地球軌道衛星。（見http://www.solarham.net/）。由 NASA 衛星尼姆布斯 7 號（1978 年發射）和太陽最大值任務（1980 年發射）等衛星測量到達高層大氣的太陽輻射，表明在太陽黑子活動期間，到達高層大氣的總太陽輻射略有增加。這是由於光斑，光斑是伴隨太陽黑子活動出現的更明亮的區域，導致太陽輻射總體增加，然而，當較暗的太陽黑子比更明亮的光斑區域占主導地位時，太陽黑子活動期間也出現了太陽輻射短暫下降。自這些衛星於 1978 年發射以來，對高層大氣的太陽輻射測量表明，在這些事件中，太陽到達地球高層大氣的能量僅在 1369 和 1364 瓦特/米2之間變化（Willson & Mordvinov，2003：Geophyscial Research Letters）。
太陽高層大氣中的溫度最高，因為這些等離子體爆發激發了自由粒子，產生超過 100 萬開爾文的溫度。太陽大氣層的最底層是過渡區，它可以透過對流向上凸起。對流是能量與物質一起運動的現象，可以有效地將能量從太陽內部向上輸送。過渡區下方是厚得多的色球層，那裡的溫度約為 5,778 開爾文。色球層是日食期間才能看到的紅色。色球層下方是光球層，與太陽高層大氣不同，它受太陽引力的控制，代表著密度更大的物質。雖然太陽沒有明確定義的表面，但密度更大的光球層頂端可以看作是太陽的“表面”，因為它是由密度更大的物質構成的。光球層下方是兩個區域，將能量從太陽核心向外輸送。上層區域是對流層，其中能量透過物質的運動（對流）進行傳輸，而下層區域是輻射層，其中能量透過物質不運動的方式進行傳輸，稱為傳導。在這兩個區域之間是差旋層。太陽的內部核心約佔太陽內部半徑的 25%，處於強烈的引力作用下，足以導致核聚變。
太陽的能量來自於強大的引力將稱為質子的粒子壓碎成中子。當兩個質子在太陽的核心被壓在一起時，克服了通常會使它們排斥的電磁力，一個質子將釋放亞原子粒子並轉化為中子。這種質子到中子的轉變會釋放能量，以及正電子和中微子。地球每秒都會被數十億個這些太陽中微子轟擊，這些中微子不受阻礙地穿過物質，而且常常無法探測到，因為它們已經發生中性變化，並且沒有足夠的質量與其他粒子相互作用。釋放的正電子從太陽核心向上移動，與圍繞太陽的電子相互作用，當每個正電子與電子接觸時就會湮滅。電子作為太陽極熱外層的高負電等離子體豐富存在，阻止了正電子到達地球。
在化學中，最簡單的原子只是一個被單個帶正電的質子包圍的單個帶負電的電子，化學家稱之為氫。新增一箇中子，原子就會從氫變成叫做氘的東西，它是氫的一種同位素。氘的原子質量是氫的兩倍，因為每個質子和中子的原子質量都是1，所以氘的質量是2。而電子、中微子和正電子具有微不足道的質量，或者質量接近於零。
太陽的強大引力將原子分解，電子被推向遠離太陽核心的方向，形成太陽外層自由電子的等離子體，而質子則留在太陽中心。電子帶負電荷，被帶正電荷的質子吸引。在太陽引力之外，自由的質子和電子會相互吸引形成最簡單的原子，即氫元素。然而，在太陽的核心，質子被壓在一起形成中子。這個過程被稱為質子-質子鏈反應。關於太陽核心中的質子是如何被壓在一起的，存在一些爭議，最近的實驗表明，質子被彼此靠得如此之近，以至於形成了雙質子，即兩個質子結合在一起形成了一種高度不穩定的氦同位素。元素的命名是根據它們所含的質子數量，例如，氫包含1個質子，而氦包含2個質子。在這個過程中，質子也會轉化為中子。中子的加入有助於使包含2個質子的氦原子不穩定。太陽內部的質子-質子鏈反應將自由的質子透過一系列步驟轉化為氦原子，氦原子包含2個質子和2箇中子。中子數量不同的元素被稱為同位素，因此，在太陽的核心存在以下型別的原子
- 1個質子 + 0箇中子（氫）
- 2個質子 + 0箇中子（氦-2同位素）
- 1個質子 + 1箇中子（氫-2同位素，氘）
- 2個質子 + 1箇中子（氦-3同位素）
- 2個質子 + 2箇中子（氦-4同位素）
透過這個過程，只有一個質子的氫被轉化為有兩個質子和兩個中子的氦-4，隨著時間的推移，太陽核心中會形成更大的原子。
太陽是如何形成更大的元素的
[edit | edit source]太陽核心內這種質子-質子鏈反應的理論最早是由一群物理學家在1938年提出的，他們共同努力解決太陽如何產生能量的問題。在參加華盛頓理論物理學會議的年度會議時，與會者研究了可能的反應路徑。這個小組中的一員，是一位名叫漢斯·貝特的德裔猶太移民，他是紐約州康奈爾大學的教授。
從會議回來後，漢斯·貝特和查爾斯·克里奇菲爾德開始研究更大的元素，以及它們在太陽和更大的恆星中可能產生的方式。他們發現了一件非凡的事情：當太陽核心內融合的原子獲得6個或更多個質子時，它們可以像催化迴圈一樣，加速氫轉化為氦-4的程序。催化劑是一種在反應中不會消耗的物質，它會在反應中反覆多次地起作用。貝特和克里奇菲爾德發現，在存在6個、7個和8個質子的原子的情況下，這些原子可以促進氫的融合形成氦，速度更快，充當催化劑的作用。這個過程被稱為碳氮氧迴圈，因為它需要太陽核心存在更大的原子，即碳、氮、氧元素。我們自己的太陽是一顆比較小的恆星，因此，透過碳氮氧迴圈產生的能量較少。據估計，太陽能量只有大約1.7%是由碳氮氧迴圈產生的，然而，在更大的恆星中，碳氮氧迴圈是能量產生的一個重要過程，尤其是在溫度更高的恆星中。
貝特在太陽和其他恆星中發現碳氮氧迴圈，卻被20世紀30年代末阿道夫·希特勒在德國的崛起所矇蔽。漢斯·貝特仍然是德國公民，但他有猶太血統，在那段時間裡，他致力於幫助他的母親和家人離開德國。事實上，描述碳氮氧迴圈的論文贏得了該期刊的現金獎勵，這筆錢幫助他母親移民到美國。漢斯·貝特在理解核聚變和核裂變物理學方面的才能得到了美國軍方的認可，他們任命他領導洛斯阿拉莫斯實驗室的理論部門，負責在二戰期間設計和建造第一批核武器。
即使在20世紀40年代設計和製造裂變核彈之後，科學家們仍在努力弄清楚，更大的原子是如何在恆星的核心透過原子融合自然形成的。
超新星
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當弗雷德·霍伊爾躺在懸崖腳下時，所有這些都在他的腦海中盤旋。他知道這一切。在二戰期間，他只擔任雷達研究專家，他感到自己被排除在核研究之外。直到戰後，他才對太陽的核聚變產生了濃厚的興趣。更大的原子是如何在更大的恆星內部形成的。受到戰爭期間美國進行的研究的啟發，弗雷德·霍伊爾發展了恆星核合成的概念，來解釋比氦-4更大的元素的存在。我們自己的太陽主要是透過質子-質子鏈反應產生能量，換句話說，燃燒氫形成氦-4。隨著碳、氮、氧的出現，這個過程可以加速，但是，弗雷德·霍伊爾思考著，比氦-4更大的元素是如何存在的，以及是如何透過相同的過程形成的。他稱這個二級過程為氦燃燒，這是一個將原子融合在一起產生更大原子的過程，即元素週期表中列出的眾多元素。 弗雷德·霍伊爾、威廉·福勒以及瑪格麗特和傑弗裡·伯比奇夫婦在1957年起草了一篇著名的論文，這篇論文證明了更大的原子實際上可以在非常大的恆星中產生，而且那些元素在周圍行星中的自然丰度，讓我們對在恆星的一生中產生這些元素所採取的步驟有了更深入的瞭解。這些步驟向上延伸到產生包含26個質子的原子，這個過程是將較小的原子融合成更大的原子，但是包含超過26個質子的原子需要一種特殊情況：它們幾乎是瞬間在一個叫做超新星的巨大爆炸中形成的。
因此，人們推測，我們太陽系中元素的基本分佈是透過一顆巨大的恆星中的逐步融合過程形成的，這顆恆星最終達到臨界狀態，並在一場超新星事件中爆炸，將各種大小的原子噴射到星雲中，星雲是一團被炸入太空的氣體和塵埃。這種氣體和塵埃，即星雲，在數千年的時間裡緩慢地形成原恆星-原行星盤，最終導致了我們太陽系的形成，以及它內部的每一個原子。 卡爾·薩根經常用一句格言來引用這個奇怪的事實：“我們都是由星塵構成的！”
太陽會死亡嗎？
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我們的太陽系誕生於一顆爆炸的巨星，這引出了一個問題：我們的太陽隨著時間的推移會發生什麼？太陽的燃料是氫原子，也就是單個質子。隨著時間的推移，質子會轉化為中子，更準確地說，會形成包含 2 個質子和 2 箇中子的氦-4 原子。最終，太陽核心將不再有氫，因為這種燃料將被氦-4 原子取代。此時，太陽會收縮，向內壓縮，變得越來越緻密。在某個時刻，不斷增強的重力會導致氦-4 聚變形成更大的原子，太陽將開始燃燒氦-4 作為燃料，這將導致太陽向外膨脹，遠遠超過其當前的大小，形成一顆紅巨星。在演化的這個階段，太陽會吞噬水星、金星，甚至地球，儘管它會以更低的溫度燃燒。地球最終會毀滅，太陽也是如此。
最終，氦-4 會耗盡，太陽會進行最後一次收縮，其能量輸出大幅下降，直到形成一個微弱的行星狀星雲。這個星雲由燃燒殆盡的碳、氮、氧以及其他殘餘原子的較大原子構成，最終會縮小到地球的大小。科學家估計，這個過程將持續 60 億年。今天，地球的年齡為 46 億年，這意味著我們還有大約 60 億年的時間，直到我們星球在太陽即將到來的紅巨星階段被摧毀。
當弗雷德·霍伊爾試圖從懸崖下伸展的位置站起來時，他痛得齜牙咧嘴，這讓他想起了他最著名的引言，這是他在 1949 年的一次廣播採訪中提到的一個詞語。這句話暗示了不僅太陽系起源於一次猛烈的爆炸，而且更古老的一次爆炸誕生了整個宇宙。霍伊爾強烈反對宇宙起源於爆炸的說法，他更傾向於一個觀點，即宇宙一直存在，沒有起源。在 1949 年的廣播採訪中，霍伊爾解釋了他的穩態假說，他透過將自己的想法與“大爆炸”的概念進行對比來闡述了自己的觀點，大爆炸是宇宙爆炸誕生的理論。這是一個新的理論，引起了其他科學家的興趣，但霍伊爾拒絕了它。在 20 世紀 60 年代，霍伊爾開始拒絕任何看起來與他自己的觀點相矛盾的想法，並因其反主流的科學觀點而聞名。1962 年，一位名叫史蒂芬·霍金的年輕學生申請在劍橋大學跟隨弗雷德·霍伊爾學習，但他被另一位教授選中作為他的導師。這是一件好事，因為霍伊爾對宇宙沒有起源的觀點十分執著，以至於在 1972 年，由於與同事就招聘問題發生激烈爭執，霍伊爾辭去了他在大學的教職，退隱到鄉下。同年，他獲得了爵士稱號，並獨自創業。
然而，這段時期的記憶可能給他的心帶來了痛苦的感覺。在學術殿堂之外，弗雷德·霍伊爾成為了當時已故科學家的眼中釘，他草擬了越來越有爭議和奇怪的想法，並與他的兒子一起在出版科幻小說方面取得了一些成功。1983 年，他被諾貝爾獎委員會排除在外，該委員會將獎項頒給了他的合著者威廉·福勒和蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡，以表彰他們在恆星核合成的研究。受到冷落，弗雷德·霍伊爾漸漸被人遺忘。然而，“大爆炸”的概念將繼續定義未來理論物理學的探索，並將史蒂芬·霍金推上了家喻戶曉的人物。
儘管弗雷德·霍伊爾從懸崖上墜落後被救出並送往醫院，但他從未從科學界的跌落中恢復過來。如果他能觀察到關於光本質的不斷湧現的突破性進展，以及證明宇宙確實有起源的令人震驚的發現，他本可以避免這場災難。
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