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以两个质子为例
此时它们周围没有电子
因此我们不能把它们融合起来形成氢分子
在不施加干扰的情况下
它们因都带有正电荷而朝相反的方向分开
因此
表面上看来
把它们硬推到一起是没有意义的
不过
我们硬着来尝试下
看看能发生什么
一种方法是以更快的速度把它们扔向彼此
质子之间的斥力随着距离越来越近而变得越来越大
事实上
每缩短一半的距离
赤力就会翻倍
因此
如果电斥力是自然界中唯一的力的话
那么质子注定要相互分离
好像这是必然
但是事实上
强力和弱力会加入进来与之抗衡
当质子靠得很近
几乎接触到彼此时
质子不是实心求
我们可以认为他们是可以重叠的
会有一些不同寻常的事情发生
当我们把两个质子像这样拿到一起时
其中一个质子会通过释放出一个多余的正电子而自发的把自己变成一个中子
中子是电中性的
因此得名
但并不总是这样
正电子与电子相同
只是它们带正电荷
这个过程同时还释放出一种叫做中微子的粒子
与质量相近的质子和中子相比
电子和中微子非常轻
他们嗖的远离
把质子和中子抛在身后
采用二十世纪下半叶粒子物理学家提出的弱相互作用理论
我们可以很好的理解这种善变过程的细节
我们将在下一章展示它是如何发生的
这里我们需要记住的是
这个过程能够发生
而且确实发生了
在不受电斥力的影响下
质子和中子在强力的作用下依偎在了一起
一个质子和一个中子就这样结合在了一起
形成了刀合
质子随着正电子的发射变成中子的过程
反之亦然
随着一个电子的发射
中子也可以变成质子
叫做放射性贝塔衰变
然而
这些与我们对能源的理解有什么关系呢
这两个原初的质子
每一个的质量都是九百三十八点三MEV除以c平方
其中一MEV等于一百万EVM代表百万MEV除以c平方
转换成千克很容易
九百三十八点三MEV除以c平方相当于一点六七三乘以十的负二十七次方千克
因此
两个原始质子的总质量为一千八百七十六点六MEV除以c平方
而刀盒的质量为一千八百七十五点六MEV除以c平方
减少的EMEV的能量被正电子和中微子带走
其中大约一半被用来制造正电子
因为它的质量约为二分之一MEV除以c平方
中微子几乎没有质量
因此
当两个质子转化为一个刀核时
总质量的一小部分
大约百分之一的四十分之一被破坏
并转化为正电子和中微子的动能
把两个质子挤压在一起
形成一个刀核
可以释放出强力束缚的能量
这是一个核聚变的例子
聚变用来描述两个或者两个以上原子核融合在一起释放能量的过程
与化学反应释放的能量由电磁力引起的不同
强力的结合能非常巨大
例如刀合形成时释放二分之一MEV的能量
而氢氧爆炸才释放六EV
有一点是确定的
核反应释放的能量通常是化学反应释放能量的一百万倍
通常情况下
核聚变不可能发生
原因是强大的核力是短聚相互作用
它只有在核子非常接近时才起作用
并且当距离在非米
大约相当于一个质子的大小之外
急剧下降
由于质子之间的电磁排斥力
要把质子挤压到这么小的距离并不容易
有一种方法可以实现这一点
不过需要质子以极快的速度运动
然而这意味着非常高的温度
因为温度本质上不过是衡量粒子平均速度的手段
一杯茶的水分子比一瓶冷咖啡的水分子运动更为剧烈
要发生核聚变
至少一千万度的温度是必要的
温度越高越好
幸运的是
宇宙中温度在某些地方达到并超过了聚变所需要的温度
星河深处
让我们回到宇宙黑暗时代
那时距宇宙大爆炸不到五亿年
宇宙中只有氢氦和少量较氢的化学元素
慢慢的
随着宇宙的膨胀和冷却
原始气体在重力的作用下开始聚集成团
同时在冲向对方时
它们不断加速
就像书本如果丢开手
它便朝向地面加速一样
氢和氦运动的越快
它们越热
结果是这一大团气体变得越来越热
越来越密集
当温度达到一万度
电子被从它环绕原子核的轨道上扯下来
形成一种由质子和电子混合而成的气体
等离子体
当单个电子和质子在一起时
它们将势不可挡的奔向彼此
以极快的速度加速结合在一起
等离子体这个看似无法挽回的坍缩可以被拯救
因为当温度接近一千万度时
一些非常重要的事情发生了
这是把质子和电子转化为宇宙的生命和光
庞大的核能
一颗恒星单个质子融合在一起
形成一个刀合刀核与另一个质子融合产生害
同时释放出宝贵的结合能
通过这种方式
新星慢慢的将质量的一小部分转化为能量
从而加热星河
阻止并抵抗着恒星由于引力导致的坍缩
它可以坚持至少数十亿年的时间
这足够让寒冷多盐的行星变暖
让水流动
让动物进化
文明崛起
太阳就是一颗恒星
目前它正处在一个舒适的中年阶段
正燃烧着氢
制造着氦
这个过程中
太阳每秒燃烧四百万吨的质量
将六亿吨氢转化为氦
这种质量的挥霍尽管是我们生存的基础
不能永远持续下去
即便是这个足以容纳一百万个地球的等离子球也是如此
那么
当星河的氢燃料耗尽时
会发生什么呢
如果没有核原料向外释放压力
恒星将再次开始坍缩
并且随着坍缩变得越来越热
当温度升高到大约一亿度时
氦开始燃烧
这样恒星的坍缩被再次阻止
这里使用燃烧这个词并不很准确
我们的本意是
核聚变最终产品的净鱼质量小于核变材料的质量
这种因质量的损失产生的能量符合e等于MC平方
氦燃烧的过程值得进一步研究
两个氦核的融合会产生一种特殊的皮
它由四个质子和四个中子组成
被称为皮杷
皮杷只能存活一百万亿分之一秒
之后会分裂成两个氦原子核
皮杷的寿命非常的短暂
它停留的时间不够长
以至于它不能与附近的其他任何物体融合
事实上
如果没有人为干预
多数情况如此
恒星内部合成较重元素的途径将被阻断
一九五三年
科学家对恒星核物理过程的理解还处于初级阶段
天文学家弗雷德
霍伊尔意识到
无论核物理学家如何解释
碳都必须是在恒星内部被制造出来的
因为他坚信宇宙中没有其他地方可以制造碳
基于持之以恒的天体观察
他推测只有假定存在一种较重的碳原子核时
碳元素才能从短寿命p八和第三个核原子核的融合过程中高效生产出来
为了确立这个理论
霍伊尔计算出重碳应该比普通碳重七点七MEV除以c平方
一旦这种新形式的碳在恒星中被制造出来
通往更重元素的途径就打开了
当时这种碳还没有被发现
在霍伊尔预测的推动下
科学家们争分夺秒的寻找着他
在霍伊尔做出预测的几天后
加州理工学院凯洛格实验室的核物理学家就证实了这一预测
这个故事非常了不起
他不只是帮我们在理解恒星是如何工作的过程中树立了信心
对一个精美理论的最好证明
莫过于对他预测的实验的验证