互动科普

太阳的燃料为何烧不尽？

太阳的主要成分是氢和氦。氦不会发生化学反应而燃烧，氢却可以进行燃烧甚至发生爆炸，释放出光和热。不过，太阳如果是通过其中的氢发生化学反应进行燃烧的话，它所具有的氢的数量仅能够维持燃烧数万年。那么，太阳为什么能够燃烧如此长的时间，直至今天其中的氢燃料也没有显现出即将耗尽的迹象呢？

这个问题最终是由20世纪最伟大的科学家阿尔伯特·爱因斯坦（1879〜1955）所导出的一条定律解决的。1905年，26岁的爱因斯坦提出了一个关于时间和空间的全新理论，即“狭义相对论”。这个理论开启了现代物理学的大门，具有划时代的意义。

同年，爱因斯坦根据他的狭义相对论又推导出一条重要定律，这就是那个举世闻名的公式“E＝mc²”（常称为“爱因斯坦质能公式”）。这个公式揭示出一个非常重要的事实：“质量和能量可以相互转化”。

有了这个公式，不久，物理学家终于找到了太阳为何燃烧很长时间的原因。原来，在太阳的中心部分正在进行着由4个氢原子核聚合为1个氦原子核的核聚变反应。在这种核聚变反应中，4个氢原子核失去原来具有的一部分质量，而这部分质量就转化成了巨大的能量。通过计算可以证明，太阳利用这种核聚变所产生的能量能够维持100亿年持续地发出光和热。

公式“E＝mc²”不仅能够说明太阳为何有如此长的寿命，还说明了在宇宙之初，同太阳内部发生的过程相反，正是由能量产生出了具有质量的物质。因此，公式“E＝mc²”还是探索宇宙起源的一条重要定律。

图. 这里图解显示了太阳内部进行的一种典型的核聚变反应方式。先是两组中的2个氢原子发生聚合，接着再继续聚合。反应前是两组总共4个氢原子核（反应前），反应后的最后产物是1个氦原子核、2个正电子和2个中微子。反应前后物质的总质量减少了大约0.7%。失去的这部分能量变成巨大的能量，使太阳持续发出光和热。

太阳使周围的时空弯曲

在19世纪末，物理学家知道了一个无论是用开普勒三定律还是用牛顿的万有引力定律都无法完全解释的奇怪现象，那就是天文观测所发现的“水星的近日点进动”。

离太阳最近的行星水星，根据开普勒的计算，它也是沿着一条椭圆轨道公转。可是，在19世纪末，天文观测却发现水星轨道本身也在缓慢地转动。水星在公转轨道上到太阳最近的那一点（近日点）一直在移动位置，每过100年会偏离原来位置大约0.16°。

为什么会出现这种偏离呢？在牛顿力学的框架内，用金星、地球和其他行星的影响来解释，只应该有大约0.15°的偏离，而那剩余的约0.01°却无论怎样也得不到解释。当然，当时也有科学家曾猜想过也许另外还存在着一颗未知的行星。

最后，还是爱因斯坦根据他在1915〜1916年完成的“广义相对论”成功地解释了剩余的这0.01°的奇怪偏移。

根据爱因斯坦的广义相对论，大质量天体周围的时空（时间和空间）会发生弯曲。原来，水星离太阳最近的这个事实本身就会引起它的轨道缓慢地错动而出现近日点进动。利用“爱因斯坦方程”进行计算，得到的结果正好是每100年应该偏离约0.01°。

其实，用爱因斯坦的广义相对论能够正确解释的现象远不止行星的各种运动，还有恒星、星系乃至整个宇宙的各种现象和运动。

（本文发表于《科学世界》2012年第7期）