经历了漫长时光后,太阳逐渐接近生命的尽头。它的光芒开始增强,体积开始膨胀,表面逐渐接近原本距离太阳表面1.5亿公里的地球轨道,并将它吞没。这一幕并非杞人忧天,而是根据我们已知物理规律所得到的严谨科学结论——在未来某天,太阳会走到生命的尽头。届时,人类是不是该跑路,准备“流浪地球”了?不,现在就流浪,未免有点早。
太阳作为太阳系的中心天体,采用核聚变的方式向太空释放光和热。在此过程中,太阳将分子量为1的氢原子核,经过3步中间过程,聚变成分子量为4的氦原子核,其中损失的质量转化成了太阳发光发热的能量。
通过与太阳相同的核聚变原理,人类研发出氢弹,能够产生巨大爆炸威力,是一种不可控的核聚变装置。为了利用这种效率极高、清洁无污染的能量产生方式服务我们的生产生活,科学家们一直致力于可控核聚变装置的研究。遗憾的是,虽然各国投入大量资源开展研发,目前距离可控核聚变装置实用化,尚有很长一段距离。
而太阳已经稳定进行了约46亿年的可控核反应,持续不断地用光和热哺育整个太阳系。那么,控制太阳不变成一颗氢弹的力量来自哪里呢?
平衡使太阳没有成为氢弹
其实,控制太阳不变成一颗氢弹的力量,就是我们熟悉的重力。从感觉上,司空见惯的重力似乎很难与毁天灭地的核反应相匹敌。但量变会引起质变,聚合成质量相当于33万个地球的太阳组成物质,其所产生的重力,足以控制住核反应。可以说,重力与核反应之间的相互作用,主宰了太阳的生命印记。
太阳这样的恒星形成于原始星云,在自身重力作用下,组成原始星云的物质会不断聚集收缩,密度和压强不断增大。而在人类制造的核聚变装置中,要想像启动汽车发动机一样使核聚变开始,相当困难。因为在核聚变中,带正电荷的原子核间存在静电斥力,如同一座大山横亘在核聚变发生的道路上,必须先有足够的能量克服静电斥力,才能让发生聚变的原子核足够接近。
而太阳形成时,仅仅依靠重力的挤压就点燃了核聚变。由于物质本身压强产生的向外膨胀力,不足以抵御驱动物质向内收缩的重力,因而,星云中物质一边聚集一边向内收缩的过程可以不断持续下去;其中心的密度和压强持续增高,迫使氢原子核相互接近,进而触发了核聚变反应开始。同时,恒星中聚集的质量又决定了核反应的速率——恒星质量越大,中心会受到更大重力压迫,产生更高压强,使更多氢原子核相互接近,核反应速率也就更高。
当太阳逐步成为一颗成熟的恒星后,其核反应速率与恒星物质的重力达到了一种简洁又精巧的平衡。如果太阳从平衡态向外膨胀,中心受到的挤压减小,核反应速率会降低,产生的能量会减少,恒星中心的温度会降低。由此,恒星中心向外膨胀的力无法支撑恒星向中心收缩的重力,膨胀过程将无法持续。反过来说,如果太阳向中间收缩,将会使核反应加速,产生更大向外膨胀的力,收缩过程同样无法持续。总之,一旦步入壮年,太阳只能稳定在一个相对固定的个头上。
这种精巧的平衡并非太阳的专利,而是放之宇宙而皆准的基本原理。科学家们通过长期观测积累后发现,处于壮年的恒星几乎都处在这样一种稳定的状态中,被称之为“主序恒星”。对它们来说,质量较大的、平衡状态下的核反应速率要更高。
太阳的终结与地球的流浪
如同人有生老病死,上文所说的这种平衡也不能天长地久——太阳会在经历一系列膨胀、爆炸与脉动后,最终归于沉寂。
而在这一切开始之前,人类得想办法“跑路”,准备“流浪地球”了。由于太阳这个“大炉子”会随着时间增长越烧越旺,当炉中燃料燃尽时,应该将灰烬请出,再加入新燃料继续燃烧。然而,对太阳这样的恒星,没有外部的力量为它完成这个过程。核反应消耗氢,产生氦,都堆积在恒星内部。氦的分子数大于氢,因此恒星内部密度会随着恒星年龄的增加而增大,内部核反应速率也会逐渐增加。
研究计算表明,目前,太阳的核反应速率大概比太阳刚成为主序恒星时大30%,几十亿年后,不断加快的太阳核反应速率会使太阳辐射出的能量约为目前2倍。在如此剧烈的辐射照耀下,地球表面温度将达到上百摄氏度,海洋和湖泊中的液态水会被汽化。以我们目前的认知,包括人类在内的生物体是无法在这种环境下生存的——除非人们研发出了能够遮挡太阳剧烈辐射的装置。届时,太阳仍处于主序恒星状态。