人类如何/何时发现恒星是依靠核聚变发光发热的？

会里很

人类发现核聚变原理之前，是如何解释恒星发光发热的？
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长长的路

我们的太阳如何发光？科学家通过太阳中微子的发现证实，在太阳内部主要产生了原子核反应，核聚变过程为太阳的闪亮提供了动力之源，驱动了太阳光和热的释放。通过对太阳中微子的监测，物理学家解释了太阳内部质子与质子之间的核聚变机理，实验证实了太阳核心区能源产生的机制。经过长期不懈的探测，物理学家最终证实了低能中微子的存在，太阳中微子的存在证实了太阳闪耀、内在核反应的直接证据。科学家在验证恒星核合成理论的有效性上迈出了至关重要的步骤，未来更为灵敏、精确的实验手段将会修正现有理论的偏差和缺陷，开启向新物理学进发的航程。
氢原子通过核聚变反应转变为氦原子，核聚变过程释放了大量能量，热核聚变能占到了太阳总能量的99%。太阳内部多极化的核反应表现为恒星内部的炙热、致密的核心开始，两个质子聚变成氘（重氢），它是氢的重同位素，原子核由一个质子和一个中子构成，其中一个熔解的质子转变为中子，在聚变过程中释放了一个正电子，它是电子的对应物或电子的反物质粒子，正电子产生后即刻发生湮灭反应，正电子和负电子经过碰撞产生了中微子，在太阳内部“四处碰壁”的中微子轻而易举地突破层层设防的太阳包围圈，直接逃逸到太阳周围的太空，中微子在太空的所有方向都以光速向外运动。




太阳内部的其它核反应机制同样产生了中微子，抵达地球的中微子数量十分惊人，它们对地表的轰炸强度相当于每秒每平方厘米1000亿个，中微子几乎没有质量，人们完全感觉不到中微子“狂轰乱炸”的冲击效应。中微子产生于太阳内部质子与质子的核聚变反应，数量相当于太阳系整个中微子数量的90%，中微子有相对低的能量，它们的信号往往被地表上普通物质产生的放射性衰变掩盖了。自从上个世纪60年代以来，一些个能量较高、相对活跃的太阳中微子被探测到了，但直到目前为止，科学家没有探测到通过质子与质子的核反应产生的中微子。
在意大利拉圭拉地区附近的格兰萨索国家实验室，科研人员使用了封装在地下一公里深处的Borexino探测器，他们成功地探测了中微子，它们是通过太阳核心区质子与质子的核反应产生的。马赛诸塞大学阿姆赫斯特分校的物理学家安德里亚·波卡尔和合作伙伴将探索的成果发表在新一期的《自然》杂志。太阳物理学家对太阳的核子反应机制有了基本的了解，但他们对每一类的核反应机制和相关的重要性产生了一些模糊、甚至错误的认识，没有彻底解释太阳如何发光的问题。加州大学尔湾分校的中微子物理学家迈克尔·森密解释说，Borexino探测器合作项目的实验目标是直接探测中微子的活动轨迹，太阳中微子的发现在物理学上有里程碑的意义，证实了银河系大约有90%的恒星产生了大部分自身所需的能量。




银河系的恒星与我们的太阳十分相似，很多银河系的恒星质量更低，最新的发现为太阳核心区描绘了一幅“快照”，中微子产生于太阳的核心区，它们到达地球的时间仅为8分钟。Borexino实验室的核心是一个尼龙材料制成的大容器，在容器内灌装了278吨超纯的苯类物质液体，光从液体中闪射出来，而穿透液体的中微子通过对电子的激发产生了散射光点。超纯的苯类物质液体来自原油，由碳—14构成的液体几乎没有任何放射性，它们隐藏了中微子信号。超纯的碳—14液体被889吨非闪射性的液体包裹，形成了一道容器内部的保护层，起到了保护容器的作用，避免了实验装置中2212个光探测器由于释放杂乱辐射而带来的危害。
Borexino具备了探测低能量中微子流动的功能，目前的精确度只有10%，提高未来实验的精确度是一项基本的要求，其中涉及到理论预测和对潜在性新物理学的检验。举例来说，在探测器检测到的中微子能量和到达地球的太阳中微子能量之间存在微小的不匹配，可能预示了暗物质的存在。物理学家假设暗物质是看不见的物质，它们构成了宇宙物质的绝大部分，人们对神秘的暗物质知之甚少。西班牙贝尔拉特拉空间科学研究院的天体物理学家奥尔多·瑟润莱利解释说，Borexino实验室检验了最好的描述中微子“风味”转换的物理模型，从太阳核心区发出的中微子向外太空穿越，中途产生了形态的转变，从电子中微子转化为两种其它形态的中微子，电子中微子、τ中微子和μ中微子是中微子的三种形态。




（编译：2014-9-1）

卡卡

（豪特曼斯）在他搞清楚是核反应保持了恒星不断发光这个事实的那个晚上，和他的女朋友一起出去散步。她的女朋友说：“看啊，繁星照耀，真美丽啊！”他说：“是啊，现在，我是世界上唯一一个知道星星为什么发光的人。”她对他笑笑。 她并没有因为与当时是世界上唯一一个知道星星为什么发光的人一起散步而留下深刻印象。孤独是令人伤心的，但这个世界就是这样----费曼

卡卡

先是本生灯，通过燃烧不同的元素，发现各不相同的光谱颜色。通过光谱颜色对照，也因此知道了太阳的主要元素是什么，这是最早的起步。核聚变的发现要基于20世纪的量子力学研究，最后确定，恒星（包括太阳）就是个巨大的核聚变体

队长是我

人类绝不是一开始就知道恒星依靠核聚变来发光发热的。
在认识到这一点之前，我们有许多的猜测，可惜都遇到了很多问题。
<hr/>有人假设太阳的能量来源是煤炭。我们不妨按照联合国规定的标准煤当量 来计算。我们知道， ，故 标准煤完全燃烧释放能量为 。不妨设太阳全部质量 都由煤构成，那么整个太阳完全燃烧所释放出的总能量 。我们测到的太阳的热光度（代表着太阳释放能量的速率）为 ，所以太阳的寿命 。
这个数字乍一看很大，但是实际上一（个Julian）年所包含的秒数为31557600，所以 。
这样长度的寿命是很荒谬的，即使基督教的信徒也不应该相信这个结果（1654年Ussher主教提出，地球在公元前4004年诞生，以此换算到今天也有6000多年。当然，现代基督教主流观点是承认现代宇宙学对于宇宙年龄的估算结果的，但是这与我们讨论的主题没有太大关联，我就不深入了）。
还有人假设太阳的能量来自于流星的撞击（比如1890年J. Rock在太阳光谱中发现了氦，于是认为太阳的能量来自于陨石的撞击），但是这样估算出每年必须有1%地球质量的流星撞到太阳上，长期累加会引起太阳质量的持续增大，进而改变地球的轨道和一年的长度，但是这些迹象都没有在观测中被发现。
到了19世纪末，H. Helmholtz和W. T. Kelvin爵士等学界大牛猜测太阳的能量来自于一个液体球收缩时释放的自引力势能。到了20世纪，人们发现恒星中有巨星和矮星，这下他们觉得这个理论有证据了，认为恒星演化的路径是星云→红巨星→蓝白主序星→（沿着主序星从O到M演化）→白矮星。
这个理论当然是完全错误的，我们可以简单估算一下收缩释放的能量够不够太阳烧。设恒星的内能为 ，质量为 ，半径为 ，光度为 ，由Virial theorem， ，故此时恒星的寿命时标（称为Kelvin时标） ，对于太阳 ，但是当时已经通过放射性年代学测出地球的年龄大约是 。
1904年，E. Rutherford提出太阳的能量可能来自于太阳内部的放射性衰变。1920年，Sir A. Eddington和J. Perrin等人提出，太阳核心的温度和压力导致核聚变将氢（质子）合并成氦核，从质量净变动的结果产生了能量，换句话说，太阳的能量来自于核聚变。C. Payne-Gaposchkin在1925年证实氢在太阳中占的优势，核聚变的理论概念也在1930年代由S. Chandrasekhar和H. Bethe发展出来。Bethe仔细的计算了两种太阳能量主要来源的核反应，在1938年提出了恒星内部质子-质子链反应和碳氮氧循环两种核反应过程，阐明了太阳的能源机制。至此，我们已经基本确定了太阳发光发热的能量来自于核聚变。
我们来估算一下聚变反应给出的太阳寿命时标。根据A. Einstein提出的著名的质能关系 ，考虑一颗质量为 、光度为 的恒星，它大约将 的质量进行聚变反应，且聚变掉的质量有 被转化成了能量，那么 。对太阳， ，也就是约一百亿年，这就是我们现在所认为的太阳寿命长度。
参考资料：
1、维基百科相关条目
2、《天体物理概论》 向守平 中国科学技术大学出版社