太阳核聚变:魔鬼物理学中的迷人力学

在物理学家乔恩·奥斯特曼之前，科幻故事中出现过另一位物理学家——菲利普·索拉尔。在1986年的DC漫画《守望者》中，奥斯特曼在吉拉公寓的实验室内因其本征场被意外移除而分崩离析，之后他将自己重构为拥有超能力的曼哈顿博士。在1962年的金钥匙漫画系列《索拉尔——原子之人》中，菲利普·索拉尔在原子城因核试验研究被蓄意破坏而暴露于致命剂量的核辐射中。然而，他幸存下来，并获得了“量子力量”。在第二期中，索拉尔因原子弹爆炸而人间蒸发，但他凭借顽强的意志力将自己重构为“索拉尔博士”。作为研究生院的一名“幸存者”，我对奥斯特曼和索拉尔在实验室中成为超级英雄后一直保留其博士头衔的意愿感同身受。一旦你经历了研究生资格考试的严峻考验，你会发现，从亚原子状态重构自己，并不像你想象的那样富有挑战性。

在为DC公司《守望者》时，作家阿兰·摩尔最初使用的是另外一个出版商查尔顿漫画旗下的超级英雄形象。查尔顿公司当时已宣布破产，并被超人和蝙蝠侠系列漫画的出版商DC漫画公司收购。但是，DC漫画的编辑发现，如果摩尔这样做，许多角色都无法在未来的故事中使用，因此他建议摩尔改用原创角色。

曼哈顿博士的原型是原子队长，原子队长的能力是遵从量子力学原理的，因为他能够操纵能量，并主要用于飞行、超强力量和爆炸。索拉尔博士虽然不是查尔顿漫画公司的漫画人物，但似乎是更接近曼哈顿博士的早期漫画形象，因为索拉尔也可以改变自己的身体大小，分身成多个副本，并操纵物质和能量。与曼哈顿博士不同的是，当索拉尔博士使用他的超能力时，他的皮肤不会变蓝，而是变绿。原子队长、索拉尔博士和曼哈顿博士之间的差别显而易见，因此他们不大可能是休·埃弗雷特多重世界理论中处于三个平行世界中的同一个人。

1965年，《索拉尔——原子之人》发行的第14期“索拉尔的点金术”，是对量子力学力量的一次更准确的展现。在这个故事中，由于控制棒损坏（其作用是吸收中子，降低铀裂变的速率，一座水下核反应堆达到了临界状态。通常情况下，索拉尔博士的能量通过暴露于核辐射而被激活，而这一次，当他潜入水下修理反应堆时，却发现自己的能量被放射性物质削弱。最终，他被一名穿着铅防护服的工作人员救出，而且他受到的额外辐射临时赋予索拉尔一种新的超能力。如图11-1所示，无论何时，当索拉尔博士与一个物体发生物理接触时，他都会将原有的元素转变为元素周期表上它的相邻元素。在图11-1中，他将含有79个质子的金转化为含有80个质子的汞；在此之前，他抓住了一根铜棒（29个质子）并将其转化为锌（30个质子）；在飞行时，他甚至因为将氧气（原子序号第8）转化成氟气（原子序号第9）而感到窒息。这种新的超能力似乎能让索拉尔博士接触的任何物体内部的中子发生贝塔衰变。

图11-1　在《索拉尔——原子之人》的第14期，一次额外的核事故临时赋予索拉尔博士（穿戴红色潜水服和面罩）一种超能力，能够借助物体中的“弱核力”使他直接触碰的物体内部发生贝塔衰变，从而将金转化成汞

我们在第9章中说过，中子提供的强力可以克服静电力，把质子和中子结合在一起，从而使原子核保持稳定。如果没有中子，静电力会促使质子飞离原子核。质子也表现出强力，但如果没有中子，仅由质子组成的原子核将难以保持稳定。原子核外的中子本身并不稳定，实验室中一个单独的中子会衰变成一个质子和一个电子，其半衰期约为10.5分钟。由此生成的电子的移动速度非常接近光速，如果这个过程发生在原子核内部，就是不稳定同位素发射贝塔射线的过程。

一个孤立体系的质量和能量在任何过程中都必须保持不变，所以一个“静止”的中子[1]只能衰变成质量小于中子的基本粒子。因此，一个中子会衰变成一个质量稍小的质子，而一个“静止”的质子则不能衰变成一个更重的中子。因为中子是电中性的，而质子带有正电荷，为了保证原子核衰变前后总电荷数保持不变（在物理学中，除了能量守恒定律和角动量守恒定律之外，还有一条我们前面未提及的原理，即“电荷守恒定律”。它也是自然界的普遍规律之一，因为电荷在任何过程中都不能被创造或消灭），在衰变过程中必须产生一个带负电荷的电子。一个电子大约是一个质子质量的两千分之一，小于中子和质子间的质量差，因增加一个电子仍然符合质量守恒定律。尽管一个中子衰变成一个质子和一个电子，意味着在衰变过程中质量和电荷均守恒，但是测量质子和高速电子（“贝塔射线”）的动能并和中子的剩余能量加总，结果发现一些能量在衰变过程中消失了。虽然不是很多，但足以引起重视，并带来麻烦。

20世纪20年代末，当物理学家发现了这种现象，并认识到它似乎违反了能量守恒定律时，他们面临两个选择：第一，放弃能量守恒定律，至少在中子衰变的问题上；第二，发明一种当时的仪器测量不到，但能带走“消失的能量”的神奇粒子。1930年，沃尔夫冈·泡利建议物理学界选择第二种。恩利克·费米认为，这种“幽灵粒子”必须呈电中性，且质量很小或者为零，他将这种粒子命名为“小的中子”，或“中微子”[2]。最终，人们建造了探测器来探测这种粒子，并于1956年证实了它们的存在。这些粒子不仅真实存在，而且是宇宙中最普遍的粒子。中微子与物质间的相互作用是由仅为电磁作用力的一千亿分之一的弱核力决定的。因此，中微子能够轻易穿过普通物质而几乎不与之发生反应（长度超过两光年的铅，才能阻挡住一个中微子）。如果你伸出大拇指，那么在1秒钟内将有超过100万个中微子穿过你的指甲。

索拉尔博士在受到超量核辐射后，获得了一种超能力，使他接触的任何物体发生贝塔衰变。如果一个含有79个质子、79个电子和118个中子的金原子，它的一个中子自发地衰变为一个质子和一个电子，那么它将有80个质子、80个电子和117个中子。汞最轻的稳定结构有80个质子、80个电子和118个中子，因此在图11-1中，索拉尔博士将创造一个含有117个中子的汞的不稳定同位素，其半衰期约为2.5天。这样一来，索拉尔就有时间完成他的冒险，尝试将汞再变回金。实际上，通过中子的贝塔衰变将一种元素转变成元素周期表上它的相邻元素，这并非炼金术士梦寐以求的化铅为金（通常，贝塔衰变会将含有78个质子的铂转变为含有79个质子的金。根据全球贵金属交易价格，你的做法很可能以赔钱收场），而一个被称为“逆贝塔衰变”的过程会将汞变成金。尽管我们不能随意地在地球上启动这种转变，但幸运的是，这一过程在太阳中心持续地发生，产生阳光，为地球上的一切生命活动提供能量。

植物通过光合作用把太阳光转化成化学能存储在体内，化学能为植物提供了维持新陈代谢所需的能量，太阳光的能量来源则是恒星内部的核聚变反应。4个质子，即氢原子核，在太阳中心的巨大压力和极高温度的作用下，融合形成氦原子核。但是，一个氦原子核由两个质子和两个中子组成，并非4个质子。我们说过，使原子核保持稳定的强力来自中子。因此，为了把氢变成氦，必须先将两个质子结合起来，然后通过“逆贝塔衰变”将其中一个质子转化成一个中子。

我在前文中曾经指出，一个质子不能转化成一个中子，因为质子的质量小于中子的质量，较轻的物质不能衰变成较重的物质。但如果两个质子相撞，在弱力的作用下，通过逆贝塔衰变就可将一个质子转变成一个中子，如图11-2所示。质子和中子在强力的作用下结合起来（成为一个氘原子核，氘是氢的一种同位素），其能量低于单个质子与单个中子的能量之和；相应地，与一个质子和一个中子的质量之和相比，能量较低的氘原子核质量更小。尽管质量的差别很小，通过E=mc2计算出的能量差却很大，这些能量在氘原子核形成的过程中以2.225×106电子伏特的伽马射线的形式释放出来。除了一个中子，在形成氘原子核的反应过程中还产生了一个“反电子”（拥有像质子一样的正电荷，以及与电子相同的质量）和一个中微子。

图11-2　在太阳中心，质子（氢原子核）经核聚变反应形成阿尔法粒子（氦原子核）的示意图。在步骤（a），两个质子（用空心圆来表示）通过隧穿效应结合在一起，弱力将其中一个质子（空心圆）转变成一个中子（实心圆）。质子和中子随后结合形成一个氘原子核，并放出伽马射线（为简单起见，正电子和中微子的释放没有表示出来）。在步骤（b），氘原子核与另一个质子相撞，形成一个受束缚的“质子—质子—中子”原子核，被称为氦—3。在步骤（c），我们给出了一个可能的反应，即两个氦—3原子核相撞形成一个稳定的氦—4原子核（包含两个质子和两个中子），同时释放出两个质子和伽马射线。在相似机制的作用下，氦原子核可聚变产生碳、氧等更重的元素(www.chuimin.cn)

弱力的作用范围大约是强力的千分之一，而强力仅在不超过一个原子核直径的范围内起作用。两个带正电荷的质子互相排斥，它们之间的距离越近，排斥力就越大。因此，想要给弱力创造一个发挥作用的机会——通过逆贝塔衰变将一个质子转变成一个中子，就必须克服两个质子之间的静电力，使它们紧密接触。太阳中心的温度极高、压力巨大，所以两个质子以较高的速度发生碰撞的概率很高。然而，即使在太阳中心，当质子之间的距离太过接近时，它们的移动速度也不足以克服静电排斥力。那么，它们是怎样克服这一静电力的呢？答案是：通过量子力学的“隧穿效应”[3]！就像在放射性衰变过程中阿尔法粒子通过隧穿效应克服原子核周围使质子和中子聚集在一起的强力那样，结合在一起形成最简单的氢同位素的两个质子，也必须通过隧穿效应来克服彼此之间的静电力。

在太阳中心形成的氘原子核是稳定的，并继续与其他质子发生碰撞。这个氘原子核与另一个质子相结合，形成含有两个质子（氦）和只有一个中子的原子核（氦—3，氦的二个较轻的同位素）。在这里，需要再次借助量子力学的“隧穿效应”，使第二个质子到达距离氘原子核足够近的位置，克服质子之间的静电力，强力才能发挥作用，让第二个质子稳定地待在这个更大的原子核中。于是，束缚态下的较低能量使原子核释放出伽马射线。与两个氘核聚变成普通氦核（两个质子和两个中子）的反应相比，这个反应发生的概率更高。

有许多不同的途径可以使氦—3或氘的原子核相互作用，从而形成稳定的氦原子核，所有这些都依赖于量子力学隧穿效应，使带正电的原子核之间的距离足够小，到达强力的作用范围，从而使大量的能量以原子核、伽马射线和中微子的动能形式被释放出来。中微子穿过太阳，向着各个方向运动，伽马射线加热太阳中心区域的原子核和电子，使它们加速并发出各种波长的电磁辐射。太阳中心的光在到达太阳表面之前会散射多次，此后仅需8.5分钟便可到达地球。在到达太阳表面之前，每个光子平均需要花4万年的时间与太阳内部高度密集的核物质发生碰撞。向外膨胀的能量压力抵消了万有引力向内的收缩力，使太阳的直径保持相对稳定。

除了给我们提供能量，这种核聚变过程也是比氦重的元素的合成机制。太阳实际上是一个大得多的恒星在经历了“超新星爆炸”之后形成的第二代恒星。太阳释放出巨大的能量，每秒燃烧掉大约6亿吨氢。最终，恒星的氢燃料会耗尽，恒星发生坍缩，温度和压力的上升使氦原子核发生聚变反应并生成碳。这个过程继续进行下去，又会产生氮、氧、硅和其他元素周期表上的重元素，直到产生铁和镍。然而，产生的原子核越大，聚变反应释放的能量就越小，到了生成铁和镍这一阶段，向外释放的能量已不足以抵消向内的万有引力。在这个阶段，恒星向内坍缩，生成比铁重的元素。当这颗恒星变为超新星时，会伴随着能量的爆炸性释放，几周内释放的能量就相当于太阳在它的整个生命周期内释放的能量。组成太阳和太阳系中的行星的那些元素，都是大恒星在经历超新星爆炸后产生的。

原子弹的威力来自较大的原子核分裂，如第9章描述的铀或钚的核裂变过程。核电站用的是核裂变反应堆，以稀有的放射性同位素为燃料，它们的副产品是不稳定的同位素，有放射性并且对人体有害。在原子弹之后，人们又研制出氢弹。这种武器利用核裂变反应引起核聚变反应，即利用原子弹爆炸的能量驱动氢和氦的重同位素发生聚变并释放出更多的能量。50多年来，科学家们一直在尝试建造一座能够用于发电的核聚变反应堆，安全利用并有效控制氢弹和太阳的能量，以满足人类的电力需求。一个核聚变反应堆所需的燃料主要是氢的同位素（通常是氘和氚），可以从自然界的海水中将它们提取出来，而且其副产品没有放射性。核聚变反应堆的建造难点在于，在一种可控的方式下模拟太阳中心的温度和压力。尽管技术上的挑战实在令人生畏，但由欧盟、美、日、俄、中、韩、印度组成的联合体，正在努力一起建造一座试验性核聚变发电站，以验证利用核聚变发电的可行性。

20世纪80年代末期，关于在一系列小型桌面实验中，利用钯电极电解重水而实现了核聚变的报道轰动一时。这种所谓的“冷聚变”实验提出，嵌入金属电极内的氘原子核，能够发生核聚变反应并产生氦原子核，同时释放出热量。然而，无论该装置中发生了什么，都不可能是核聚变反应，这对于参与这个项目的化学家而言反倒是一件好事。因为这种特殊的核聚变反应的副产品是高能中子，足以杀死实验室中的每一个人。此外，太阳中心的核聚变反应发生在数百万摄氏度的高温下，质子们需要通过量子力学隧穿效应来克服它们之间的静电力。在室温条件下，钯电极中的核聚变反应的顺利进行更要依赖于隧穿效应。量子力学的一个公认的特征是，隧穿效应概率深受物体的质量影响，质量越小，动量越低，物质波波长越长，在势垒中穿行的距离越远，在势垒另一侧发现该物体的概率越大。虽然质量差异本应对核聚变过程产生很大的影响，但是冷聚变实验的参与者们却发现，使用重水或普通水对实验结果没有任何影响。

若要使“冷聚变”变成现实，就需要放弃量子力学的基本定律，而这些定律是我们理解固体物理学、激光、晶体管，以及所有应用量子力学基本定律的个人电子设备的基础。不过，如果我们真能实现“冷聚变”，人们就会自然地放弃这些定律。毕竟，一个能够产生太阳般巨大能量的小圆筒，可以成为喷气飞行背包的能量之源！

[1]所谓静止的中子，指的是静止不动、在空间中被孤立的中子；或者与我们具有相同移动速度和方向的相对静止的中子（被称为中子的“静止框架”）。

[2]基于我们无须关注的技术性原因，当中子发生衰变时，它释放出一个质子、一个电子和一个反中微子（中微子的反物质版本）。如我所说，我们此刻不需要关心这个特殊的细节。

[3]著名的天体物理学家亚瑟·爱丁顿爵士是最早认识到太阳的能量来自核聚变反应的科学家之一。然而，在建立量子力学之前，很多物理学家认为太阳中心的温度较低，不具备发生这些过程的条件。对此，爱丁顿在1920年回答道：“我们不与批评家争辩恒星的温度是否足以为这类反应过程提供支持条件，我们只会告诉他们去找个更热的地方。”