郭冰：探索宇宙的奥秘 恒星的前世今生（3）

三、我们的太阳系

我们的太阳系有着八大行星，还有170多颗卫星，以及数百万颗小行星、彗星和流星体。太阳系大约诞生于46亿年前，由一团密集的星际气体尘埃云形成。太阳是一个巨大的气体球，位于太阳系的中心，占太阳系质量的99％以上。因此，其引力可以控制太阳系中的一切天体。

太阳是一颗壮年恒星，已经闪耀了大约46亿年，并且将继续闪耀50亿年。太阳主要由氢和氦组成，核心发生着核聚变，把氢转化为氦，产生能量。核心温度达到1500万摄氏度，产生的能量需要数千年时间才能到达太阳表面，并以光和热的形式释放出来。太阳风是指太阳射出的等离子体带电粒子流。其中，一部分太阳风通过日冕的洞从太阳内部逃逸出来，并以非常高的速度向地球吹来。太阳风到达地球磁场时，其中一部分从地球两极进入磁场内部，形成美丽壮观的极光。

太阳从内到外分别是核心、辐射区、对流区、光球。其中，核心就像一个巨大的核反应堆，在发生着热核聚变以提供能量。核心的能量首先通过辐射区，以传导、对流、辐射的热传递方式传递到外面的区域，进入对流区，最终传递到表面的光球。通过核反应，除了产生能量外，太阳也会产生一些非常神奇的中微子。著名的太阳中微子丢失之谜，指的就是科学家发现地球上测得的中微子数量比太阳模型预言的数量要少很多，就好像一部分丢失了、找不到了。在证实测算与太阳模型都不存在错误之后，科学家猜测了第三种可能，那就是中微子在从太阳中产生出来到飞往地球的时间里发生了形态的转换，即从电子中微子变成了其他形态的中微子，而当时地球上的所有中微子探测器都是围绕着电子中微子来设计的。直到一种新的可以把所有形态的中微子都测量出来的探测器面世后，科学家才发现测量结果与太阳释放的中微子数量是一样的。

我国科学家在中微子研究方面也作出了巨大贡献，包括建议了探测方法，对中微子的聚变反应速度进行了很好的测量，以及对大亚湾中微子进行了精细研究等。其中，著名科学家、我国核科学奠基人和开拓者之一、“两弹一星”元勋王淦昌先生建议了探测中微子的方法。其相关文章是于1941年发表的，而后来的国际同行也都是基于其建议的思路进行测量的，直到2000年之后才最终测到了中微子。值得注意的是，该文章发表于当时正位于贵州遵义的浙江大学。结合抗日战争的时代背景，我们可以发现，正是在这样一个战争动荡的状态、艰苦非常的条件下，老一辈科学家反而作出了世界级的重大贡献。

四、探索宇宙恒星

关于探索宇宙、研究恒星，不同的领域有着不同的工具。比如，天文学家的工具是望远镜，从早期的伽利略望远镜、牛顿望远镜到中国科学院国家天文台的现代化的更大型的郭守敬望远镜。郭守敬望远镜也是我国的大国重器之一。除了地球上有望远镜，太空中也有望远镜，因为太空环境可以进一步避免大气的干扰，比如著名的哈勃空间望远镜就是围绕着地球运行的。其继任者——詹姆斯·韦布空间望远镜，则是围绕着太阳运行，也有着不同的研究目标。大家可能比较熟悉的是，位于我国贵州山区的中国天眼（FAST）。其口径有500米，相当于30个足球场那么大，是目前世界上单口径最大、最灵敏的射电望远镜。

和天文学家完全不同的是，核物理学家的工具是加速器，所以在交叉学科中各有各的任务。核物理学家的任务就是用大型加速器，如超导直线加速器、串列加速器，去测算恒星核过程的“速度”。这些加速器的个头都是非常大的，占地有几百上千平方米。只有用这样巨大的加速器，我们才能够把粒子加速到所需的能量，进行核反应的研究。

研究恒星的核过程是建立在一个重要概念之上的，那就是量子力学中的量子隧道效应。在经典世界中，我们要想使一个圆球翻过一段高坡，就需要让其动能超过爬坡的势能。唯有如此，圆球才有可能在经典力学世界中翻过高坡。但是，在量子力学世界中，根据量子隧道效应，只要圆球撞墙的次数足够多，就总有一次会撞过去，尽管这是一个概率非常小的事件。比如，以恒星中发生氦聚变为例，如果把碳12和氦变成氧的反应看作一个圆球撞墙的动作，那么要撞1023次，也就是1000万亿亿次才能成功一次，而这在宏观世界中是难以想象的。假如把视角放在恒星、宇宙之中，有无数个原子核同时在撞，那么在每次撞击中，每1000万亿亿个原子核中就会有1个原子核能够成功，这就是所谓的量子隧穿效应。换句话说，哪怕概率是非常低的，但以恒星、宇宙为视角，大量的物质仍然是非常可观的基础，而恒星的发光发热也就是这么来的。通过量子隧道效应，核聚变没有以恒星温度升得非常高为前提条件，这也是我们的地球适宜生存的原因之一。

当然，我们在地球上通过加速器测算如此小概率的核反应事件，依旧是非常困难的。因为反应的概率实在太低了，测算受到来自宇宙噪声的影响是非常大的，比如无数高能宇宙射线都会打到实验仪器的周围，产生出很多干扰噪声，就像置身于一座人声鼎沸的足球场中想要听清一只小鸟的叫声一样。所以，我们要想倾听宇宙的声音，就需要一个非常安静的场所。比如，我国锦屏地下实验室就位于四川省凉山州锦屏水电站锦屏山隧道中部埋深2400米处，可以屏蔽大量的宇宙射线。此外，我们要想听到宇宙中核天体反应的“美妙音乐”，除了安静的场所外，还需要有性能优异的“音乐播放器”。对此，我们需要突破三个方面的关键技术：一是毫安级强流加速器，有着极高束流强度，能够长期稳定运行；二是毫安级大功率核反应靶，具有耐高温、耐辐照的高稳定性；三是高效率探测器系统，以捕捉那些非常稀有的事件。在这三个方面，我国作出了一系列成绩：一是掌握了低本底强流高压加速技术，束流强度达到国际同类装置最好水平；二是自主研制了mA级高功率核反应靶，并通过多种创新方式增加其使用寿命；三是出色完成了高性能探测器。对此，习近平总书记在中国科学院第二十次院士大会、中国工程院第十五次院士大会、中国科协第十次全国代表大会上的讲话中特别指出，“世界最强流深地核天体物理加速器成功出束”。在我们初步开展的第一批实验中，最具代表性的工作就是测量了氟-19俘获一个质子形成更重的元素——氖-20的核反应速度。

总之，我们可以以四个启示为重点，进一步总结上述关于宇宙与恒星内容的学习体会：一是重大科学发现往往隐身于普通的现象中，比如历经多年、先后五人都与中子的发现失之交臂，而查德威克通过细致的工作最终发现了中子；二是重大科学发现往往出乎意料，比如彭齐亚斯和威尔逊在把卫星天线做到极致之后，恰巧发现了宇宙微波背景辐射；三是不要怕犯错误，即错误既是难免的，也是珍贵的“财富”，比如爱因斯坦在宇宙是稳态还是动态的问题上犯了错，但却选择公开承认错误并修改其场方程；四是不要怕困难，比如我国老一辈科学家王淦昌先生在抗日战争时期，不具备做实验的艰苦条件下，仅靠自己的聪明才智，提出了中微子探测方法的建议。

最后，核天体物理是一门非常奇妙的学科，欢迎有志于此的优秀青年学生加入。