在太陽的內部發現的證明：上帝在宇宙中擲骰子

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在太陽的光球層可以觀察到太陽最外層的性質、元素和光譜特徵。但正是這些過程發生在核心提供了它的真正力量。圖片版權：NASA』s Solar Dynamics Observatory / GSFC

【博科園-科學科普】在太陽內部深處將較輕的原子核融合成較重的核，導致微小的質量損失，在400萬K或以上的溫度下通過著名的E = mc2轉化為能量；太陽的中心所有的能量高達1500萬K，氫和氦的同位素組成了更多穩定的元素，釋放出能量並提供了所有在太陽系中所有行星的能量。然而儘管有這些不可思議的能量，如果宇宙是完全確定的那麼太陽核心的質子將永遠無法開始這種鏈式反應。它要求量子力學的波動性質證明愛因斯坦的名言「上帝不與宇宙擲骰子」是錯誤的。

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尼爾斯·玻爾和阿爾伯特·愛因斯坦，在1925年的保羅·厄倫菲斯特的家中討論了許多話題。在量子力學的發展過程中，愛因斯坦-愛因斯坦的辯論是最具影響力的事件之一。圖片版權：Paul Ehrenfest

在20世紀20年代物理學的世界被兩個主要的革命所席捲：廣義相對論提出了時空，物質和能量使它成為引力的原因，量子力學詳細說明宇宙中的所有粒子也像波一樣運動。由於量子物理的一些基本性質，它本質上是一個非確定性理論，這意味著你只能談論某些結果的概率，而不是知道特定的設置會產生什麼結果。當時兩位最重要的物理學家，阿爾伯特·愛因斯坦和尼爾斯·玻爾有很多著名的(和公開的)關於宇宙是否天生決定論的爭論。

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氫原子是物質中最重要的組成部分之一，它存在於一個具有特殊磁量子數的激發量子態中。即使它的屬性是明確定義的，某些問題比如這個原子中的電子在哪裡，只有有概率決定的答案。圖片版權：Wikimedia Commons user Berndthaller

直到20世紀50年代他去世之前，愛因斯坦一直拒絕相信「上帝與宇宙的關係」。他推，一定有一些潛在的法則決定了哪些粒子會以某種特定的方式表現出來，而這只是我們實驗或觀測能力的失敗，使我們無法看清事實真相。然而當量子物理學最早在20世紀20年代發展起來的時候，只有兩種基本的作用力:重力和電磁。核力量仍然是未知的，這幾乎意味著太陽的能量來源——核聚變也不為人所知。如果愛因斯坦知道這一點，他就會意識到他是多麼的錯誤（誠然在一百多年前還有太多未知，愛因斯坦不知道這一點也是正常的）。

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這個剖面圖展示了太陽表面和內部的不同區域，包括核心，也就是核聚變發生的地方。然而核心中的單個粒子沒有量子物理學導致核聚變的特性。圖片版權：Wikimedia Commons user Kelvinsong

總之,通過觀察太陽的輸出功率，我們測量,它發出一個連續4×1026瓦，這意味著在太陽的核心，高達4×1038個質子融合成氦- 4每一秒。如果你認為在整個太陽中有1057個粒子，其中略低於10%的粒子在核心，這聽起來可能不那麼牽強。

即：

1、這些粒子以巨大的能量四處移動：每個質子的速度大約在太陽核心的中心的500千米/秒

2、密度巨大，因此粒子碰撞非常頻繁：每一個質子每秒與另一個質子碰撞數十億次

3、因此它只需要這些質子質子相互作用的一小部分，從而產生氘大約10^28來產生太陽所需的能量

所以即使太陽中的大多數粒子沒有足夠的能量把送到那裡，我們看到太陽的時候只需要一個很小的百分比的聚變。計算一下，我們計算出太陽核心中的質子是如何分配能量的，給出了質子與質子碰撞的數，有足夠的能量進行核聚變。

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質子與質子鏈最直接和最低能量的版本，從最初的氫燃料中產生氦- 4。圖片：Wikimedia Commons user Sarang

兩個正電荷粒子之間的相互排斥作用太大，甚至連一對質子都無法克服，並與太陽核心的能量融合在一起。當你認為太陽本身比宇宙中95%的恆星更大(更熱)時，這個問題只會變得更糟。事實上每四顆恆星中就有三顆是m級紅矮星，它們的溫度不到太陽最大核心溫度的一半。

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星的顏色和大小的分類系統是非常有用的。通過測量我們的宇宙區域發現只有5%的恆星比我們的太陽質量大(或更多)。圖片版權：Kieff/LucasVB of Wikimedia Commons / E. Siegel

只有5%的恆星產生熱或熱，就像我們的太陽在內部一樣。然而核聚變的發生太陽和所有的恆星都會釋放出巨大的能量，氫被轉化成氦。秘密在於在一個基本的層面上這些原子核並不僅僅表現為粒子本身而是作為波。每一個質子都是一個量子粒子，包含一個描述其位置的概率函數，使相互作用的粒子的兩個波函數之間的交疊變得如此微小，即使當排斥力將它們完全分開的時候。

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當兩個質子在太陽中相遇時，它們的波函數重疊，從而暫時產生氦- 2：一個雙質子。幾乎總是它只會分裂成兩個質子，但在極少數情況下，會產生一個穩定的氘(氫- 2)。圖片：E. Siegel / Beyond The Galaxy

這些粒子總有可能經歷量子隧穿，並最終形成一個更穩定的狀態，氘導致這種聚變能的釋放，並允許鏈式反應繼續進行。儘管量子隧穿的概率是非常小，任何特定的與質子間的交互，在10^28年或與你的強力球彩票的中獎連續三次的機率，交互足以解釋整個太陽的能量和幾乎所有恆星的能量來源。

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這是太陽的25幅圖像的合成，在365天的時間裡顯示出太陽的爆發/活動。如果沒有核聚變的力量，這是通過量子力學得以實現的，那麼我們所認識的「太陽能輸出」就不可能實現。圖片版權：NASA / Solar Dynamics Observatory / Atmospheric Imaging Assembly / S. Wiessinger; post-processing by E. Siegel

如果不是宇宙中每一個粒子的量子性質，以及它們的位置被波函數描述為固有的量子不確定性，那麼這種重疊就不會發生核聚變。今天宇宙中絕大多數的恆星都不會被點燃，包括我們的太陽。我們的宇宙將會是荒涼和冰凍的，絕大多數的恆星和太陽系都沒有被其他任何東西照亮，除了一個寒冷的、罕見的、遙遠的星光。

量子力學的力量使太陽發光。從根本上說如果上帝不與宇宙玩骰子，那麼那些擁有恆星的核火焰將永遠不會發光，而在我們太陽核心中發生的生命的融合將永遠不會到來。然而在這種隨機性的情況下一直贏得了宇宙彩票的勝利。由於宇宙中固有的量子不確定性，我們獲得了生存的機會。

作者：Ethan Siegel（天體物理學家）

來自：Forbes science

編譯：光量子

審校：博科園

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