摘要:小行星撞击扬起大量烟尘,遮蔽阳光。植物无法进行光合作用,数量锐减,食草恐龙因食物短缺走向灭绝,食肉恐龙也因能量获取大幅减少,最终消亡。
6500 万年前,一颗小行星撞击地球,导致恐龙灭绝。但恐龙并非在撞击瞬间就全部消失,而是经历了漫长过程。
小行星撞击扬起大量烟尘,遮蔽阳光。植物无法进行光合作用,数量锐减,食草恐龙因食物短缺走向灭绝,食肉恐龙也因能量获取大幅减少,最终消亡。
由此可见,阳光对地球生命至关重要,太阳是地球表面的主要能量来源。
然而,太阳内核温度高达 1500 万度,表面温度也有 5500 度,它能将地球晒热,可日地之间的宇宙空间却接近绝对零度,这究竟是怎么回事?
事实上,太阳的 “燃烧” 与地球表面的燃烧有着本质区别,它的能量源于 “重压之下” 的核聚变反应。在宇宙中,质量决定天体命运,质量达到太阳质量 8% 以上的天体,大概率会演变成恒星,低于这一标准的则多为行星。
太阳的质量占据太阳系总质量的 99.86% 以上,凭借巨大的质量,太阳内部产生了强大的引力,致使温度急剧升高,物质状态转变为等离子态。在等离子态下,原子中的电子摆脱原子核束缚,自由移动,太阳内部变成原子核、电子、光子四处穿梭的 “海洋”。
在这种环境下,原子核之间有机会发生合并,即核聚变反应。
但原子核都带正电,彼此相互排斥,要实现核聚变,就必须克服静电斥力,这需要巨大的能量。以氢弹为例,点燃氢原子核的核聚变至少需要 1 亿度的高温,而太阳内核温度仅 1500 万度,远低于这一反应条件。
幸运的是,微观世界存在量子隧穿效应,即便能量不足,反应仍有一定概率发生,只不过概率极低,一对氢原子核大约需要十亿年才可能发生一次反应。
不仅如此,氢原子核的核聚变反应的第一步,需要将一个质子转变为中子,这一过程需要弱相互作用参与,同样是小概率事件。
好在太阳质量巨大,即便反应概率低,也能持续发生核聚变。正是由于量子隧穿效应和弱相互作用的小概率特性,太阳避免了像氢弹那样瞬间爆炸,而是以缓慢、稳定的方式进行氢原子核的核聚变反应,逐步释放能量。
整个核聚变过程分为三个阶段,反应前后会损失一部分质量,这部分质量以能量形式释放出来。每产生 3 个光子,就会伴随 2 个中微子产生,具体来说,4 个氢原子核通过核聚变生成氦 - 4 原子核,并释放出大量能量。
太阳释放的能量极其庞大,若将太阳单位时间内的总辐射量比作金钱,太阳向太空中 “撒出” 约 70 万亿人民币,而地球接收到的仅约 3 万块,人类能够利用的更是只有 3 块左右。
既然太阳释放了如此多的能量,为什么日地之间的太空依然寒冷?
要解开日地之间太空寒冷的谜团,首先要理解温度的本质。
从经典物理学的微观角度来看,温度是微观粒子热运动剧烈程度的体现。物质由粒子构成,粒子并非静止不动,而是时刻处于无规则运动状态。粒子热运动越剧烈,温度越高;反之,温度越低。
这里的温度,是基于大量粒子平均动能的统计结果,平均动能越大,温度越高,反之则越低。
然而,如今的宇宙密度极低,每立方米中氢原子数量不到一个(近似值)。
如此低的密度,使得太空缺乏足够的粒子来体现温度。当太阳发出的光子在宇宙中传播时,由于太空中粒子数量稀少,光子难以被大量俘获。
相比之下,地球拥有丰富的粒子,能够吸收太阳辐射。
因此,日地之间的太空既难以吸收太阳的能量,又因粒子数过少,无法体现出相应的能量,这就是其温度接近绝对零度的原因。
尽管日地之间的太空接近绝对零度,但严格来说,太空并非处于绝对零度。
实际上,太空的温度比绝对零度高 2.72 度,这一温度源于宇宙大爆炸的余温。根据目前主流的宇宙大爆炸理论,宇宙诞生于 138 亿年前的一次大爆炸。
大爆炸初期,宇宙温度极高,达到 1.4×10³² 度(1.4 亿亿亿亿度)。随着宇宙不断膨胀,温度逐渐降低。
在宇宙大爆炸后的 38 万年,温度降至 3000 度,宇宙从等离子态逐渐变得透明,电子被原子核俘获,光子开始在宇宙中自由传播。
这些早期在宇宙中传播的光子,形成了遍布宇宙的背景辐射,即宇宙微波背景辐射。
随着宇宙的持续膨胀,宇宙微波背景辐射的温度下降到了 2.72K。科学家可以通过探测器探测到它的存在,宇宙微波背景辐射也成为天文学家研究宇宙的重要依据。
来源:宇宙怪谈