太阳的年龄与恒星能量产生的机理

恒星理论的发展与太阳的年龄问题密切相关。关于太阳曾有一种被广泛接受的理论，太阳是由于化学燃烧才发光的，按照这个理论，太阳将在大约一万年的时间内耗尽它的全部质量。在19世纪，上述结果受到两个理论的挑战。

其一，来自地质学家的挑战。18世纪，赫顿（James Hutton）等地质学家认为，高山和丘陵都是在非常非常长的时间里，经过风和水的侵蚀作用而形成的。

其二，来自达尔文理论的挑战。1859年达尔文出版了《物种起源》一书，书中提出自然选择的物种进化已经持续了非常久远的时间，达尔文据此估计地球的年龄为三亿年，这个数值远远超出了按照化学燃烧理论给出的太阳年龄。

为了解决太阳年龄与其他理论相矛盾这一问题，英国物理学家汤姆孙，即后来的开尔文勋爵提出了太阳形成的引力塌缩理论，这个理论认为，随着引力塌缩，引力势能逐渐转化成热能并辐射出去，根据这一理论计算的太阳年龄大大地延长了，汤姆孙估计太阳的年龄为2 000万年左右，但是，这个数值仍然小于达尔文理论给出的太阳年龄。

爱因斯坦相对论建立后，太阳的年龄问题的研究有了新的进展。英国物理学家爱丁顿是最早将爱因斯坦相对论应用于天体物理问题的科学家之一。他注意到一个氦核的质量比4个氢核的质量略小，如果引力塌缩足以将氢聚合成氦，那么，根据爱因斯坦的质量－能量转化关系，每秒钟只需要消耗4×109kg的质量，就可以获得4×1026 W的能量，这个数值等于太阳每秒钟所释放的全部能量。爱丁顿计算了如果整个太阳都以这种方式消耗的话，太阳的年龄可以达到1013年，即一万亿年，这个数值大大超出了其他理论给出的太阳年龄。于是，爱丁顿把开尔文的引力塌缩理论、爱因斯坦的相对论以及核物理学理论结合起来，研究恒星的形成机理。然而，有一个问题爱丁顿无法解决，要使两个氢核聚合，它们必须靠得足够近，使相互吸引的核力强到可以克服静电的斥力，爱丁顿用开尔文的引力塌缩模型估算太阳中心的温度，他发现尽管温度很高，但仍不足以触发核聚变反应。

这时一个新的理论——量子力学问世了，在经典物理学中，粒子在运动路径上的每一点都有确定的位置和动量，而量子力学的不确定原理指出，这些量是不确定的。根据不确定性原理，量子力学中会出现“隧道效应”，粒子可以通过隧道穿透库仑静电势垒，这意味着聚合质子的聚变反应可以在太阳的核心处发生，这个结果是在1928年伽莫夫等人得到的，虽然这个结果还不能解释氢是如何转变成氦，并给太阳提供能量的，但这毕竟是一个重要的进步。

1936年贝特提出一个理论，这个理论成功地解释了太阳中氦以及能量生成的机理问题，贝特也“因为对核反应理论的贡献，尤其是关于恒星中能量产生机理的发现”，30多年后，荣获了1967年度的诺贝尔物理学奖。

今天，有关恒星演化的理论就是在开尔文、爱丁顿、伽莫夫和贝特等人的工作基础上发展起来的。这个理论认为，恒星是从一团尘埃和气体中产生的。这团尘埃和气体转动得很慢，在自身的引力作用下，慢慢地聚集在一起。云团凝集时，它中心的温度和压力越来越高，直到最后压碎了中心部分的原子，开始了核聚变，恒星就是在这种核燃烧中产生的。

恒星的质量都是很大的，在恒星强大的引力场中，恒星中的物质被巨大的引力拉向中心，整个恒星要收缩，那么，是什么力抵抗着恒星引力收缩并维持恒星物质的力学平衡呢？通常，恒星靠着不断发生的核聚变（像氢弹爆炸一样）产生的强大的辐射压，即斥力与引力相平衡。对处于稳定态的恒星来说，使它塌缩的引力必定与核聚变产生的内部辐射压力相平衡。这种辐射压力将随恒星质量的增加而增加。如果星的质量低于太阳质量的百分之八，其中心温度太低，不能维持核聚变，因而不能形成恒星，这样的星永远也燃烧不起来。例如，木星太轻，大约只有太阳质量的百分之二，所以木星不会成为恒星。若星的质量超过太阳质量的120倍，则辐射压力太大，会使超出的部分爆炸离去，所以恒星的质量范围在0．08～120倍太阳质量之间。

通常恒星最初只含氢元素，恒星内部的氢原子时刻都在相互碰撞，发生裂变和聚变，恒星的质量很大，裂变与聚变产生的能量，与恒星的万有引力相抗衡，使恒星保持稳定。由于裂变与聚变，氢原子内部结构最终会发生改变，并组成新的元素——氦元素。接着氦原子也参与裂变和聚变，改变自身的结构，生成新的锂元素。以此类推，按照元素周期表的顺序，会依次生成铍元素、硼元素、碳元素、氮元素等，最后生成铁元素。由于铁元素相当稳定，不能参与裂变与聚变，随着时间的推移，恒星中的核燃料会逐渐减少，终会消耗殆尽，那时恒星没有能量抵抗引力，恒星将失去力学平衡，在引力的作用下形成引力塌缩。根据目前的引力塌缩理论，恒星演化的最终归宿有3种情况，下面我们分别予以介绍。