阳光是地球的主要能量来源

按照目前的主流理论,我们知道,6500万年前,有一次小行星撞地球导致了恐龙的灭绝。但实际上,恐龙不是在小行星撞击地球的那一刻就灭绝了。而是持续了很久,这是因为,小行星撞击地球激起了大量的烟尘,遮蔽了阳光,没有了阳光,植物无法光合作用,植物数量大量减少,生物能获取的能量大量减少,导致许多大型食草恐龙灭绝,由于能量大幅度减少,食肉恐龙也就灭绝了。

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由此可见,阳光对于地球生命的重要性。地球表面的主要能量来源都来自于太阳。但不知你想过一个问题没有?太阳内核达到了1500万度,表面达到了5500度,阳光可以把地球晒热,但偏偏日地之间的宇宙空间却是接近于绝对零度的,那这到底是咋回事呢?

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今天,我们就来聊一聊这个话题。

太阳核聚变反应

不知道你想过没有,太空中明明没有氧气,为什么太阳还可以持续的燃烧?

实际上,太阳的燃烧不同于我们在地球上的燃烧。太阳的燃烧说白了是“压出来的”。为什么这么说呢?

这是因为在宇宙中质量是决定一个天体的关键因素,质量达到太阳质量8%以上的天体大概率就会形成一颗恒星,小于这个质量的,基本上只能是一颗行星。而恒星一般质量都十分巨大,就拿太阳来说,太阳的质量占据了整个太阳系总质量的99.86%以上。

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质量越大,引力就越大。太阳在引力的作用下,内部的温度急剧升高,这就使得太阳内部的物质状态成为了等离子态,所谓的等离子态是指原子中的电子获得了足够大的能量,摆脱了原子核的束缚,开始自由移动。因此,太阳内部其实是一堆原子核、电子、光子到处乱串。

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这时候原子核和原子核就有可能发生合并,也就是核聚变反应。不过,这里其实还存在这个问题,那就是原子核是带正电的,同种电荷相斥。因此,想要让两个原子核发生核聚变,实际上是需要克服静电斥力的。

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说白了就是需要足够大的能量,但是太阳的温度其实不足以点燃氢原子核的核聚变反应。我们都知道氢弹也是利用氢原子核的核聚变,但要点燃一颗氢弹至少需要1亿度。而太阳内核的温度只有1500万度,这是远远低于反应条件的。

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不过好在,在微观世界中存在着一种量子隧穿效应,意思是说,即使是没有输入足够大的能量,这个反应也是可能发生的,只不过概率极其低,对于一对氢原子核而言,大概需要十亿年才能发生一次反应。

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不仅如此,只是依靠量子隧穿效应也是不够的,在这个反应中第一步就需要让两个参与反应的氢原子核,说白了就是质子,一个变成中子,这其实是需要弱相互作用参与的,而这个反应也是小概率事件。

但是太阳由于足够大,即使再小的概率能够促使反应发生。但是由于这两个原因,导致太阳不会像氢弹那样一下子全炸了。

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而是非常缓慢地进行氢原子核的核聚变反应,能量也是逐渐释放出来。而整个过程其实分为三个阶段,最终反应前后会损失一部分质量,这部分质量以能量的形式释放出来,每产生3个光子,就会伴随着2个中微子的产生。简而言之,就是4个氢原子核核聚变,产生了氦-4原子核,并释放出大量的能量。

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太阳的能量就是来自于这个核聚变反应。这些能量会向四周扩散,体量十分巨大。如果把太阳单位时间内的总辐射量比喻成钱,那太阳大概往太空中撒了70万亿人民币,但地球接到的也就是3万块左右,而被人类用上的也就是三块左右。

那太阳释放的能量如此巨大,为什么日地之间的太空还是接近于绝对零度呢?

日地之间的太空为什么如何寒冷?

要了解这个问题,我们就得先来了解一下什么是温度?

从经典物理学出发,我们从微观世界来理解温度,就能够搞懂这个问题。温度的微观解释是微观粒子热运动的剧烈程度。

我们都知道,物质都是由粒子构成,但粒子其实并不是固定不动的,而是到处乱晃的。当这些粒子热运动的越剧烈,温度越高;粒子的热运动越不剧烈,温度就越低。

这里其实涉及到统计学的问题。那其实是基于整体定义的问题,所以,我们用的是粒子的平均动能来描述。平均动能越高,温度越高,平均动能越小,温度就越低。

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但是我们要知道的是,统计是建立在足够的粒子数之上的,而如今的宇宙密度极其低,这个程度大概是一立方米当中只有不到一个氢原子的水平(近似)。这样低的密度,根本体现不出温度来,而当太阳发出的光子在宇宙传播时,这些光子并不会被太空中的粒子大量俘获,主要就是因为粒子数太少了。而地球可以接受太阳辐射,主要的原因就是地球的粒子数足够多。

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所以,日地之间的太空根本无法吸收太阳的能量,但同时由于它的粒子数实在太少,也无法体现出能量来。

宇宙微波背景辐射

我们常常认为太空的温度是绝对零度,这其实也是不准确的。实际上,太空的温度大概要比绝对零度高2.72度。这个温度其实来自于宇宙大爆炸的余温。按照目前的主流理论,宇宙起源于138亿年前的一次大爆炸。

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大爆炸早期的温度特别高,大概是1.4*10^32度(1.4亿亿亿亿度)。然后随着宇宙的膨胀,温度逐渐下降,后来到了宇宙大爆炸后的38万年,温度降到了3000度,宇宙从原本像是一锅粒子粥的等离子态,开始变得逐渐透明,电子被原子核所俘获,光子在开始在宇宙中传播。

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最早的这批在宇宙中传播的光子成为了遍布宇宙的背景辐射,被我们称为宇宙微波背景辐射,目前随着宇宙的膨胀,宇宙微波背景辐射已经下降到了2.72K。我们目前还可以利用探测器探测到宇宙微波背景辐射的存在。

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这也成为了天文学家手里的必备资料。也就是说,由于宇宙微波背景辐射的存在,宇宙并不是绝对零度的,而是略微高于绝对零度的。