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一顆恆星是否能被科學家們在地球上製造出來?


天文在線圖解:太陽內部示意圖我們太陽系的中心是一個巨大的核發電機。地球以平均萬英里(.億公里)的距離繞著這個巨大的天體旋轉。我們把這顆恆星叫...

- 2019年6月11日21時33分
- 科學文摘 / 天文在線

天文在線

圖解:太陽內部示意圖

我們太陽系的中心是一個巨大的核發電機。
地球以平均9300萬英里(1.496億公里)的距離繞著這個巨大的天體旋轉。我們把這顆恆星叫做太陽。
太陽為我們提供了生命所需的能量。
那麼,科學家們能在地球上造出小型版本的太陽嗎?


這不僅僅是可能的 - 它已經完成了。
如果你把恆星看做一個核聚變機器,那麼人類已經在地球上複製出了恆星的性質。但這個發現是有局限性的,地球上所能實現的核聚變規模很小,而且只能持續最多幾秒鐘。

要想了解科學家是如何製造恆星的,我們有必要了解恆星是由什麼構成的,以及核聚變是怎樣的一個過程。太陽的氫含量約為75%,氦含量約為24%,剩餘的質量則由較重的元素構成。太陽的核心非常炎熱 - 溫度超過1500萬開爾文(接近2700萬華氏度或略低於1500萬攝氏度)。

在這樣的溫度下,氫原子們吸收了太多的能量以至於它們會融合在一起。這不是一件小事。氫原子的核是單個質子,因為質子帶正電,將兩個質子融合在一起需要足夠的能量來克服電磁力。如果熟悉磁鐵,你就會知道相似的電荷相互排斥。
但是如果有足夠的能量來克服這種力量,就可以把兩個原子核融合成一個。

初次融合後得到的是氘,一種氫的同位素。
它是有一個質子和一個中子的原子。將氘與氫融合會產生氦-3。將兩個氦-3原子融合在一起則會產生氦-4和兩個氫原子。
如果你分離整個過程來看,它實質上意味著四個氫原子融合產生了一個氦-4原子。

這時候我們就要提到能量了。我們最終得到的氦-4原子的質量小於4個氫原子的總質量,那麼多餘的質量去哪裡了呢? 它轉化為能量了。
正如著名的愛因斯坦質能方程告訴我們的,能量等於物體的質量乘以光速的平方。
這意味著非常小的顆粒的質量都可以轉化為巨大的能量。


那麼,科學家們是怎麼造恆星的呢?

恆星的質量

圖解:普林斯頓大學等離子體物理實驗室的國家球形圓環實驗聚變反應堆。

製造足夠的能量來克服電磁力並不容易,但美國在1952年11月1日成功實現了這一目標——世界上第一顆氫彈的艾薇邁克在伊魯吉拉伯島引爆。爆炸有兩個階段。第一階段是裂變炸彈,裂變是原子核分裂的過程, 即美國在投放到長崎和廣島用於結束第二次世界大戰的炸彈類型。

艾薇邁克中的裂變炸彈組分是非常有必要的,它用來製造氫融合為氦過程中克服電磁力所需要的巨量能量。第一階段裂變炸彈產生的熱量會沿著彈體的鉛殼傳遞到裝著液態氘的長頸瓶中。瓶中會有鈽棒充當聚變反應的點火劑。

此次爆炸產生的能量相當於10.4兆噸的TNT炸藥,它完全消滅了這個島嶼,只留下了一個164英尺深(近50米)和1.2英里(1.9公里)的火山口<來源:布魯金斯學會>。在那一個短暫的時刻,人類利用了恆星的力量製造出一種威力巨大的武器。熱核時代已經開始。

現在,世界各地的實驗室正在努力尋找一種把核聚變用作能源的方法。
如果他們能夠找到一種方法來製造可持續且可控的反應,科學家們就可以使用聚變來提供足夠數百萬年使用的能量。燃料並不缺乏——氫氣充足,海洋中還有大量的氘。

但是,到達我們可以利用聚變能量的階段需要耗費數年的時間和上百萬美元的資源。引發聚變所需要的能量以及伴隨該過程產生的巨大熱量讓我們難以建設能夠承載反應的設施。一些科學家在研究用大規模雷射來引燃聚變反應,另外一些則在探索等離子體這個選項——物質的第四種狀態。但目前還沒有人解開這個謎。

所以,我們可以在地球上造恆星——至少在有限時間內可以。但是我們能否維持這個過程並利用它驚人的能量還尚待分曉。

寶貝兒,那可是冷聚變。

用熱能來克服電磁力是一種實現聚變的方法。此外,有一些科學家正在研究利用化學和核能反應等對巨大熱量沒有那麼大要求的方法的可行性。它被稱作冷聚變。但是冷聚變有一個公關難題——一個早期的(顯然成功的)實驗後來卻被奚落和指責為具有欺詐性且不可靠的課題。冷聚變依然是有可能的,但是科學家們需要做更多額外的工作來說服懷疑論者。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. JONATHAN STRICKLAND-science.howstuffworks

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1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3.原文來自:https://science.howstuffworks.com/create-star-on-earth.htm

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