對(duì)于一個(gè)生活在18世紀(jì)的科學(xué)家來說，最有可能將太陽(yáng)的工作原理與壁爐里的木頭進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)像木頭之類的東西燃燒時(shí)，它會(huì)與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，從而以熱和光的形式產(chǎn)生能量。當(dāng)一根木頭燃燒時(shí)，每個(gè)原子會(huì)釋放出大約10^-19焦的能量。但是，這種燃燒可能是太陽(yáng)光的機(jī)制嗎？

我們已經(jīng)很好地理解了太陽(yáng)地質(zhì)量，因?yàn)樗梢允褂玫厍蚝推渌行堑能壍酪约芭ｎD的萬有引力定律來計(jì)算?；诖?，我們可以計(jì)算出太陽(yáng)的質(zhì)量約為2x10^30kg，這相當(dāng)于大約10^57個(gè)原子。太陽(yáng)釋放出大量能量，如果地球上每個(gè)人都打開100萬個(gè)100的燈泡，它仍然比太陽(yáng)的光度小100 億倍。太陽(yáng)實(shí)際上每秒產(chǎn)生大約3.84x10^26焦的能量，于是我們利用太陽(yáng)上原子的數(shù)量來計(jì)算它會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生這種能量多久，最終算出它可以持續(xù)燃燒20000年。

因此，這種燃燒不可能是太陽(yáng)亮度的機(jī)制，因?yàn)榘凑者@個(gè)速度，它早就燒完了。隕石是太陽(yáng)最初形成的殘余物，我們從隕石的放射性測(cè)年得知，太陽(yáng)的年齡至少有45億年。那么是什么讓太陽(yáng)在如此高的能量下發(fā)光這么長(zhǎng)時(shí)間呢？這種能量從哪里來？

它來自你可能熟悉的一個(gè)小方程：E=mc^2。這個(gè)來自愛因斯坦狹義相對(duì)論的方程，告訴我們能量和質(zhì)量是等價(jià)的，一點(diǎn)點(diǎn)質(zhì)量就等于大量的能量。那么，根據(jù)太陽(yáng)的質(zhì)量，它可以釋放多少能量呢？在這些計(jì)算中要小心，因?yàn)樘?yáng)并沒有將它所有的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量。在稱為聚變的過程中，它只轉(zhuǎn)換了大約 0.7%質(zhì)量。使用這個(gè)過程，我們可以計(jì)算得知太陽(yáng)將持續(xù)大約100 億年。

請(qǐng)記住，聚變不像原子結(jié)合在一起形成分子的化學(xué)過程，而是通過改變質(zhì)子數(shù)將一個(gè)元素轉(zhuǎn)化為另一個(gè)元素。一般來說，這不是我們?cè)诘厍蛏峡梢杂^察到的過程，因?yàn)樗枰獦O端的壓力和溫度。由于構(gòu)成四個(gè)氫原子核的質(zhì)子帶正電，它們會(huì)互相排斥，這可以防止原子自發(fā)聚變。為了聚變質(zhì)子必須克服能壘，一旦它們?cè)竭^這個(gè)障礙，強(qiáng)力就會(huì)接管并將它們粘合在一起。強(qiáng)力比電磁力強(qiáng)約100倍，但它的作用距離很短，大約是一個(gè)質(zhì)子的寬度。

那么質(zhì)子如何接近到足以發(fā)生這種情況呢？在像太陽(yáng)這樣的恒星中，有幾個(gè)因素可以讓這種合并發(fā)生。首先，大約1500萬攝氏度的極端高溫將原子分解成它們的組成部分；其次，巨大的壓力迫使這些組件彼此靠近。但要讓聚變發(fā)生下去，太陽(yáng)還有另外一個(gè)重要的技巧，這個(gè)技巧被稱為量子隧穿。

根據(jù)科學(xué)家的力量計(jì)算，如果單靠它的溫度和壓力，那么太陽(yáng)核聚變的效率是非常低的，只有少數(shù)的質(zhì)子才有足夠的能量越過勢(shì)壘。但是，有了量子隧穿效應(yīng)，它可以直接穿過庫(kù)侖勢(shì)壘，就好像它不存在一樣。量子隧穿顯著提高了太陽(yáng)聚變的可持續(xù)性。

在氫氦聚變的過程中，首先是兩個(gè)質(zhì)子聚變。通常，它會(huì)立即再次分裂，但有時(shí)其中一個(gè)質(zhì)子會(huì)轉(zhuǎn)變成中子，這是由稱為β衰變的過程中的弱核力引起的。質(zhì)子通過發(fā)射一個(gè)正電子和一個(gè)中微子變成一個(gè)中子，由此產(chǎn)生的質(zhì)子-中子對(duì)是氘，它是氫的同位素。

當(dāng)β衰變發(fā)射的正電子遇到它的反粒子（電子）時(shí)，這對(duì)電子湮滅形成伽馬射線，這是光子中能量最高的形式。伽馬射線最終從太陽(yáng)核心以陽(yáng)光的形式進(jìn)入太空。但這只是陽(yáng)光的一小部分，氘核還可以聚變形成氦核(He-4) ，或者它可以與其他質(zhì)子反應(yīng)形成另一種氦同位素（He-3）。兩個(gè) He-3原子核可以融合形成不穩(wěn)定的鈹 (Be-6) 原子核，然后分解產(chǎn)生He-4和兩個(gè)質(zhì)子。這里的每一個(gè)步驟都釋放能量。

此時(shí)，您可能會(huì)問，能量從何而來？這就是愛因斯坦質(zhì)能方程出現(xiàn)的地方，質(zhì)量變成能量。如果我們看一下4個(gè)氫原子的原子量，我們會(huì)注意到它等于 4.032，而氦原子的原子量為 4.0026。也就是說，四個(gè)氫原子的質(zhì)量比一個(gè)氦原子略大：差異約為0.0294或約0.7%。而這個(gè)微小的差異幾乎是你看到的來自太陽(yáng)的所有能量的原因，這是我們?cè)诖蠖鄶?shù)教程中聽到的解釋范圍。

事實(shí)上，我們對(duì)此還能解釋得更深入一點(diǎn)。我們知道能量來自于質(zhì)量的減少，但是這種質(zhì)量減少是從哪里來的呢？一個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量為938.3MeV，一個(gè)中子的質(zhì)量是 939.6MeV。由于氦-4由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成，如果將它們加在一起，總質(zhì)量為3755.8MeV。但實(shí)際上，氦-4的測(cè)量質(zhì)量實(shí)際上是3728.41 MeV，存在27.48MeV的差異。

首先了解質(zhì)量的來源，大多數(shù)質(zhì)量不是來自希格斯場(chǎng)，只有大約1%的質(zhì)量是由希格斯場(chǎng)引起的。質(zhì)子和中子由3個(gè)夸克組成，例如質(zhì)子有兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克。希格斯場(chǎng)賦予這些夸克質(zhì)量，但如果把這些夸克的質(zhì)量相加，得到總的質(zhì)量也才9.1MeV，是質(zhì)子實(shí)際質(zhì)量的1%左右。

那么，剩下的質(zhì)量來自哪里？它來自宇宙的基本力之一——強(qiáng)力。這種力不僅使夸克保持在核子之中，它還使多個(gè)核子之間緊密相連。當(dāng)你想把氦-4中的核子分離開來，你需要投入能量來克服強(qiáng)力。與之相反，核子聚在一起則釋放能量。