地球/2b. 太陽能

地球
2b. 太陽能

一位隕落的科學家

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，他的身體撞擊了英格蘭中部希普利格倫附近一座大懸崖底部墓穴般的花崗岩上。他的肩骨骨折，腎臟功能失常，頭部流血。他無法移動，瀕臨死亡。他不知道自己躺在這座懸崖底部多久了，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。但它來了。太陽。它照亮了天空，燃燒得明亮，他記起了自己是誰。

弗雷德·霍伊爾是一位太陽物理學家。50 年前，他寫下了他最偉大的作品，一系列發表在 1946 年至 1957 年間的科學論文，並在此過程中發現了太陽如何透過質量的產生產生能量，特別是產生不同質量的新原子形式。他創立了一個名為恆星核合成的新科學領域。在 20 世紀初，科學家們發現，放射性原子自發衰變可以釋放出巨大的能量。這種原子質量損失被稱為核裂變，到 1940 年代，這種能量被用於開發原子武器和核能。然而，太陽釋放能量是由於核聚變，即原子質量不斷增加。弗雷德·霍伊爾是這項研究的最前沿，因為他提出宇宙中所有的原子最初是在恆星（如太陽）中形成的。

在他上方，受傷的弗雷德·霍伊爾觀察著太陽。它的明亮的光芒照亮了早晨的天空，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。它超出了想象的巨大，儘管宇宙中其他地方的恆星比太陽大得多，但它巨大的體積幾乎無法理解。

恆星按顏色（與溫度相關）和光度（或亮度）分類，光度與恆星的大小相關。太陽位於一個名為主序星的大星團的中心，在一個繪製顏色和光度關係的圖中稱為赫茲sprung-羅素圖。太陽的黃白色光譜表明其表面平均溫度為5,778 開爾文，光度為 1 個太陽單位。沿著主序星，每顆恆星都可以根據其顏色進行分組。

安妮·坎農發展了所謂的哈佛系統，該系統使用字母表示不同的顏色，與溫度相關。使用此係統，太陽是 G 類恆星。最熱的藍色恆星是 O 類，最冷的紅色恆星是 M 類。該系列用於繪製夜空，表示按從最熱到最冷的順序排列的恆星（O、B、A、F、G、K 和 M）。O 和 B 類恆星往往是藍色的，而 A 和 F 類恆星往往是白色的，G 類是黃色的，而 K 和 M 類是粉紅色的到紅色的。90% 的恆星都位於這個主序星序列上，然而，一些奇特的恆星位於這個主序星序列之外，包括高度發光巨星（超巨星、亮巨星、巨星和亞巨星）以及較低光度白矮星。

太陽的解剖

太陽的外層冠狀層是其大氣層，由氣體光環組成，在日食期間月球遮擋太陽時可見。作為高度動態的層，巨大的耀斑從太陽的這個區域爆發。日冕是一種等離子體光環（由高度帶電的自由電子組成），類似於閃電，延伸到太陽周圍的空間。日珥是環狀特徵，高出太陽表面 800,000 公里，太陽耀斑從黑暗太陽黑子的邊緣產生。太陽黑子是太陽光球層的較冷區域，比周圍的氣體低幾千開爾文。這些太陽黑子已經被觀測了數百年，並遵循 11 年週期，與太陽繞其核心旋轉的磁軌道有關。太陽黑子出現在太陽赤道上方的區域，並以 11 年的活動爆發週期出現。在太陽黑子活動增強期間發生的太陽耀斑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夜空中出現多彩的極光。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/）。美國國家航空航天局衛星Nimbus 7（1978 年發射）和太陽最大值任務（1980 年發射）等衛星對照射到高層大氣的太陽輻射進行了測量，這些衛星自那時以來一直測量著太陽輻射，結果表明，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，它們是伴隨太陽黑子活動出現的更亮的區域，導致太陽輻射總體增加，然而，當較暗的太陽黑子占主導地位時，比明亮的光斑區域更明亮，在太陽黑子活動期間也會出現較低的太陽輻射的短暫下降。自這些衛星於 1978 年發射以來，對高層大氣進行的太陽輻射測量表明，太陽照射到地球高層大氣的能量僅在這些事件期間在 1369 和 1364 瓦/米² 之間變化（Willson & Mordvinov，2003：地球物理研究通訊）。

太陽上層大氣溫度最高，因為這些等離子體爆發激發了自由粒子，產生的溫度超過100萬開爾文。太陽大氣層的最低層是過渡區，它可以透過對流向上隆起。對流是能量與物質一起運動的過程，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。色球層是隻有在日食期間才能看到的紅色。色球層下方是光球層，與太陽上層大氣層不同，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的頂部可以被視為太陽的“表面”，因為它是由密度更大的物質組成的。光球層下方是兩個區域，它們將能量從太陽的核心向外輸送。上層區域是對流區，其中能量透過物質運動（對流）傳遞，而下層區域是輻射區，其中能量透過物質運動的傳遞，稱為傳導。這兩個區域之間是差轉層。太陽的內部核心佔太陽內部半徑的約25%，承受著強烈的引力，足以導致核聚變。

太陽的核聚變反應堆

太陽的能量來自強大的引力將被稱為質子的粒子壓碎成中子。當兩個質子在太陽核心被壓在一起時，克服了通常將它們排斥的電磁力，一個質子將釋放亞原子粒子並轉化為中子。這種從質子到中子的變化釋放了能量，以及正電子和中微子。地球每秒都被數十億個這樣的太陽中微子轟擊，它們不受阻礙地穿過物質，並且常常無法被探測到，因為它們是中性變化的，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，並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。電子在太陽極熱外層充當負電等離子體，大量存在，阻止了正電子到達地球。

在化學中，最簡單的原子只是一個帶負電的電子，周圍環繞著一個帶正電的質子，化學家稱之為氫。加上一個中子，原子就從氫變成了氘，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都有1個原子質量，所以氘的質量為2。而電子、中微子和正電子幾乎沒有質量，或者質量接近於零。

太陽的巨大引力將原子分解，電子被向上推離太陽核心，在太陽外層形成自由電子的等離子體，而質子則留在太陽中心。電子帶負電，被帶正電的質子吸引。在太陽引力之外，自由質子和電子會相互吸引，形成最簡單的原子，即元素氫。然而，在太陽核心，質子被壓在一起，形成了中子。這個過程被稱為質子-質子鏈反應。關於太陽核心質子是如何壓在一起的，存在一些爭議，最近的實驗表明，質子被擠壓得非常近，以至於它們形成了二質子，兩個質子結合在一起形成一種高度不穩定的氦同位素。元素根據其包含的質子數量命名，例如氫包含1個質子，而氦包含2個質子。在這個過程中，質子也被轉化為中子。中子的加入幫助使包含2個質子的氦原子不穩定。太陽內部的質子-質子鏈反應將自由質子透過一系列步驟轉化為包含2個質子和2箇中子的氦原子。具有不同數量中子的元素被稱為同位素，因此，在太陽的核心有以下型別的原子

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，具有單個質子的氫被轉化為具有兩個質子和兩個中子的氦-4，導致隨著時間的推移，太陽核心內部形成更大的原子。

太陽是如何形成較大元素的

關於太陽核心內部發生質子-質子鏈反應的想法，最初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大會的年會上，參與者們計算出了可能的反應路徑。這個團隊中的一位成員，是一位名叫漢斯·貝特的德國猶太移民，他是紐約康奈爾大學的教授。

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如何產生。他們發現，當太陽核心內的融合原子獲得6個或更多個質子時，它們可以像催化迴圈一樣，促進氦-4從氫的產生。催化劑是一種在反應中不會被消耗的物質，它將在反應中反覆起作用。貝特和克里奇菲爾德發現，在含有6、7和8個質子的原子的存在下，這些原子可以促進氫的融合成氦的速度更快，充當催化劑。這個過程被稱為CNO迴圈，因為它需要更大的原子，碳-氮-氧元素存在於太陽核心。我們自己的太陽是一顆相當小的恆星，因此透過CNO迴圈產生的能量更少。據估計，只有大約1.7%的太陽能量是由CNO迴圈產生的，然而，在更大的恆星中，CNO迴圈是產生能量的重要過程，尤其是在溫度更高的恆星中。

貝特發現的太陽和其他恆星中的CNO迴圈，被20世紀30年代後期阿道夫·希特勒在德國的崛起所破壞。漢斯·貝特仍然是德國公民，但他是猶太人，在這段時間裡，他努力將母親和家人從德國帶出來。事實上，描述CNO迴圈的論文獲得了該雜誌的現金獎勵，這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機制方面的天才，得到了美國軍方的認可，他們任命他領導秘密的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年代設計和實施裂變核彈之後，科學家們還在爭先恐後地弄清楚如何透過原子的融合在恆星的核心自然形成更大的原子。

超新星

所有這些都縈繞在弗雷德·霍伊爾的腦海中，他躺在懸崖腳下。他知道這一切。在第二次世界大戰期間，他只擔任雷達研究專家，感到自己被排除在核研究之外。戰後，他對太陽的核聚變產生了濃厚的興趣。更大的原子如何在更大的恆星內部形成。受二戰期間美國進行的研究的啟發，弗雷德·霍伊爾提出了恆星核合成的概念，以解釋比氦-4更大的元素的存在。我們自己的太陽主要透過質子-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，以及如何透過相同過程形成的。他稱這個次要過程為氦燃燒，一個原子融合在一起形成更大原子的過程，即元素週期表上命名的眾多元素。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，證明了更大的原子實際上可以在非常大的恆星中產生，並且那些元素在周圍行星中的自然丰度使人們對在恆星的一生中產生它們的步驟有了更深入的瞭解。這些步驟向上導致產生具有 26 個質子的原子，透過將較小的原子融合成更大的原子，但具有超過 26 個質子的原子需要一個特殊情況：它們幾乎在一次被稱為超新星的巨大爆炸中瞬間形成。

因此，人們推測，我們太陽系的元素基本分佈是透過一顆巨大恆星中的逐步融合過程形成的，這顆恆星最終變得臨界並在一場超新星事件中爆炸，將各種大小的原子注入星雲，一股氣體和塵埃雲被炸入外太空。這種氣體和塵埃，即星雲，在數千年內緩慢地形成原恆星-原行星盤，最終導致我們太陽系的形成，以及其中存在的每一個原子。卡爾·薩根經常引用這個奇怪的事實，並用一句諺語來概括：“我們都是由星塵組成的！”

太陽會死亡嗎？

我們的太陽系是由一顆爆炸的巨大恆星形成的這一事實，引發了關於我們的太陽隨著時間的推移會發生什麼的問題？太陽的燃料是氫原子，換句話說，是單個質子，隨著時間的推移，它們轉化為中子，或者更準確地說是包含 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 取代。此時，太陽將收縮，向內壓縮，變得越來越緻密。在某個時刻，不斷增強的引力將導致氦-4 融合成更大的原子，太陽將開始燃燒氦-4 作為燃料源，這將導致太陽向外膨脹，遠超其目前的尺寸，形成一顆紅巨星。在演化的這個階段，儘管燃燒溫度較低，但太陽將吞噬水星、金星，甚至地球。地球最終將毀滅，但太陽也是如此。

最終，氦-4 將被耗盡，太陽將最後一次收縮，其能量輸出急劇下降，直到它形成一個微弱的行星狀星雲，由燃燒殆盡的餘燼中的碳、氮、氧以及這個曾經的能量熔爐中剩下的原子組成，直到它被壓縮到地球大小。科學家估計，這個過程將需要 60 億年才能完成，而地球目前的年齡為 46 億年，這意味著我們星球在太陽未來紅巨星階段毀滅之前大約還剩那麼多年。

大爆炸

當弗雷德·霍伊爾試圖從懸崖下伸展的姿勢中站起來時，他疼得齜牙咧嘴，回憶起他最著名的名言，他在 1949 年的一次廣播採訪中提到的一個短語。這個短語表明，不僅太陽系起源於一次劇烈的爆炸，而且一次更古老的爆炸誕生了整個宇宙。霍伊爾強烈反對宇宙起源於爆炸的觀點，他更傾向於宇宙一直存在的觀點，認為它沒有開始。在 1949 年的廣播採訪中，霍伊爾解釋了他的穩態假說，透過將他自己的想法與“大爆炸”的概念形成對比，即宇宙的爆炸性誕生。這是一個新想法，正在引起其他科學家的興趣，但霍伊爾卻拒絕了它。在 20 世紀 60 年代，霍伊爾開始拒絕任何似乎與他自己的想法相矛盾的觀點，並因其反傳統的科學觀點而聞名。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，但被另一位教授選中，擔任他的導師。這是件好事，因為霍伊爾堅信宇宙沒有開始，以至於在 1972 年，在與同事就招聘實踐發生激烈爭執後，霍伊爾辭去了他在大學的教學職位，退休到鄉下。同年，他被封為爵士，並獨自一人開始了新的生活。

然而，這段時期的記憶可能會讓他心中感到一陣刺痛。在學術殿堂之外，弗雷德·霍伊爾成為當時已建立的科學家們的一個刺，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，該委員會將獎項授予了他的合著者威廉·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方面的研究。弗雷德·霍伊爾遭到冷落，逐漸被人遺忘。然而，“大爆炸”的概念將定義未來對理論物理學的探索，並使史蒂芬·霍金家喻戶曉。

雖然弗雷德·霍伊爾從懸崖上墜落中獲救並被送往醫院，但他從未從科學界墜落中恢復過來。如果他能觀察到關於光性質的不斷湧現的突破，以及證明宇宙確實有一個開端的令人震驚的發現，那麼這場墜落本可以避免。

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