恒星的能量从何而来

要理解这点，就要考虑恒星中心深处的情形。只有一颗恒星允许我们做近距离研究，那就是太阳。太阳像所有普通恒星一样，是个炽热的大气体球，是地球的130万倍。它的表面温度有5600摄氏度，而在核心产生能量的地方，温度高达1500万摄氏度。我们不能看到太阳内部较深的地方，但能够检测它的构成。我们建立的数学模型符合观测结果，所以才确信对于核心温度的预测。占太阳质量70%的物质是氢，这也是它的燃料，和原始恒星的情况一样。

我们知道氢是最简单的原子，由一个质子和一个环绕的电子组成。恒星内部是如此之热，电子从原子核边被剥离走，剩下不完整的原子称为“电离”。在恒星核心，压力和温度都特别地高，这些原子核的速度是如此之快，当它们互相碰撞时核反应就会发生。氢原子核结合成次轻的元素，即氦原子核。大家公认这一过程是间接而曲折地发生的，其最终结果是4个氢原子核结合成1个氦原子核。这个过程除了产生我们看到的恒星发出的光芒外，同时还产生另一个叫中微子的副产品，这种奇特的粒子后面还要谈到。在形成氦的过程中要损失点质量，同时释放出很多能量。正是这些释放出的能量使得恒星发光，而太阳则每秒钟要损失400万吨的质量。现在太阳的质量已经比你刚开始阅读这段话时少了许多。氢燃料不可能永远地提供下去，但现在还不要紧。太阳大约在50亿年前诞生，以恒星的标准来看正值壮年。当所有的氢耗尽后，太阳并不会简单地暗淡下去，而是会发生另一段故事。

所以至少在太阳中，能量来源于在4个氢原子核结合成为1个略轻的氦原子核时损失的质量。物理界中最著名的公式E=mc2告诉我们质量(m)等效于能量(E)，而换算系数c2是光速的平方，非常大，所以很小的一点质量消耗就会产生出巨大的能量。太阳每秒钟可将400万吨的物质转化成能量!

这些消失的质量是从哪里来的呢?氢原子是最简单的原子，只有1个电子环绕1个质子。所以4个氢核中的每个都是1个单独的质子;氦核则由2个质子和2个中子组成。但是，中子比质子稍微重一点，所以如果把这些粒子的质量直接加起来就会发现，1个氦核比4个氢核要重，质量反而增加了!但实际上，尽管氦原子核由重一些的粒子构成，然而其总质量却确实比4个质子要小。要记住这一领域是由量子力学和其关联效应所主宰的，答案也就在这里。如果我们测量单个质子的质量，那么它确实比中子轻，但这些亚原子粒子不是自由的，在氦原子核中它们被强核力束缚在一起，不能自由运动。在亚原子粒子形成这种束缚时会释放出能量，我们测量到的结果就是质量的降低。

为什么产生的原子核要有2个质子和2个中子?如果2个单独的质子之间能形成稳定的约束关系，那么天体物理学家们对于核反应的研究就会变得简单得多。因为那样的话两个质子迎头相撞就能结合成这种“轻氦核”，并释放出电磁波。然而，两个质子带有相同的正电荷，电磁力使它们互相排斥，而它们之间的作用力不足以将它们约束在一起。因此，与这种简单的结合质子的方式所不同的是，在太阳和其他恒星内部，这一过程相当错综复杂而且惊人地缓慢。

由于不能把两个质子简单地结合到一块，我们必须绕过这一阻碍形成更复杂的原子核的状态。在下面的讨论中只需要考虑原子核，而非整个原子。因为在恒星内部这样的高温下，环绕原子核并组成原子的电子早已因能量过高而无法捕获。唯一起作用的是弱核力，它会造成质子自发地衰变成中子，并释放出1个正电子和1个中微子。新产生的中子可以被一个经过的质子捕获，形成一个氘核。氘就是重氢，等于1个中子加上1个质子。弱力真是名副其实，这一步骤会耗费很长时间。在太阳中心，一个质子可能要等上50亿年才会形成一个氘核，而此后的一切就进行得快多了。

在平均1秒左右的时间里，氘核就会抓获另一个质子结合成一种有2个质子和1个中子的稳定的原子核，即氦-3，氦的一种较轻的形式。经过约50万年，这个原子核会撞上另外一个，形成我们更为熟悉的有2个质子和2个中子的氦核，同时释放出2个质子，它们会参与到下一个循环中。这个步骤要把两个带正电的原子核结合到一起，难度较大因而较为缓慢。只在极近的距离内才起作用的强力把两个原子核吸引到一起，而电磁力又抵抗强力使它们互相远离，但最终原子核会靠近到使强力发挥作用的地步。这样我们最终获得了辐射形式的能量，一个正电子——它会和它的反粒子结合并释放出能量及一个中微子。

中微子是以高速运动的微小粒子，几乎不与其他粒子发生作用。所以在从太阳中心发出后相对不受周围气体的阻碍。它们中的一些会到达地球，被我们建造的大型探测器所发现。许多年以来都有这样一个问题，即我们预计每一次产生氦核的碰撞过程中都会产生一个中微子，但探测到的中微子太少。不过中微子有一个惊人的本领，就是在途中发生变异。粒子物理学家发现存在3种中微子，而且它们能够随着时间互相转化。原来的实验都只对其中一个特定类型的中微子敏感，而无法探测到其他类型。