宇宙中最基本的物質(zhì)單元，構(gòu)成了成員隊(duì)伍最龐大的一種單個(gè)天體——恒星。對(duì)于其中的動(dòng)力機(jī)制之奧秘所在，也是讓人類(lèi)疑惑了很久。今天我們就說(shuō)下，量子隧穿效應(yīng)和霍伊爾態(tài)是如何讓恒星內(nèi)核聚變持續(xù)進(jìn)行下去的？

走進(jìn)原子核

先看一看我們?nèi)粘Ｊ煜さ母鞣N能源吧！氫氣、石油、煤炭，以及碳?xì)浠衔?，它們的能量都?chǔ)藏在它們分子內(nèi)部、原子之間的化學(xué)鍵里。在氧氣和一定溫度的輔助下，這些物質(zhì)內(nèi)的原子很樂(lè)意重新組織它們之間的關(guān)系，轉(zhuǎn)變?yōu)楦臃€(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)。在這個(gè)重組過(guò)程中，它們會(huì)釋放出能量。但是，在這種釋能方式中，平均每個(gè)原子貢獻(xiàn)出的能量只有幾個(gè)電子伏。其實(shí)，所有種類(lèi)的化學(xué)反應(yīng)都是如此，常見(jiàn)燃料的例子只是其中之一。

讓我們深入原子的內(nèi)部，透過(guò)在原子外層不斷運(yùn)行著的電子，我們能遇到原子核——除氫核外，它都是質(zhì)子和中子的聯(lián)合體。雖然將一個(gè)電子綁定于一個(gè)原子核的過(guò)程只能釋放幾個(gè)電子伏的能量，但將一個(gè)質(zhì)子或一個(gè)中子綁定進(jìn)一個(gè)原有的原子核（甚至是綁定進(jìn)只有一個(gè)單獨(dú)的質(zhì)子的氫核）的過(guò)程可以釋放出的能量多達(dá)幾百萬(wàn)電子伏！這種將質(zhì)子和中子整合成一個(gè)原子核的力量叫作“強(qiáng)核力”，它可以讓這些微小粒子之間的結(jié)合過(guò)程輸出巨大的能量。

不難想象，如果恒星以這種方式作為能量來(lái)源，那么它的釋能效率將比使用常見(jiàn)的基于化學(xué)反應(yīng)的燃料高出幾百萬(wàn)倍，所以，太陽(yáng)的壽命也可以比開(kāi)爾文基于常用燃料給出的估計(jì)值長(zhǎng)幾百萬(wàn)倍。

量子隧穿效應(yīng)打破氘瓶頸

穩(wěn)恒態(tài)宇宙學(xué)家霍伊爾在1957年會(huì)同兩位科學(xué)家（Geoffrey Burbidge和 Margaret Burbidge）以及福勒(Willie Fowler）（這四人合起來(lái)簡(jiǎn)稱(chēng)B2FH）率先發(fā)表了一篇激動(dòng)人心的論文，詳細(xì)論述了核聚變反應(yīng)是如何在恒星的內(nèi)核里發(fā)生的。

在一顆質(zhì)量足夠大（指大于太陽(yáng)質(zhì)量的8%）的恒星的內(nèi)部，如果密度和溫度超過(guò)一個(gè)特定的閾值，氫原子核內(nèi)的質(zhì)子就會(huì)融合在一起，首先變成氘，然后很快變成氦-3，進(jìn)而是氦-4。每個(gè)氦-4核的誕生，都將帶來(lái)2800萬(wàn)電子伏的能量，這個(gè)數(shù)字相當(dāng)可觀(guān)。這種出現(xiàn)在恒星核心部分的核聚變釋能反應(yīng)不僅可以解釋太陽(yáng)的發(fā)光能力，還可以解釋所有主序恒星的能量來(lái)源。

在一顆像太陽(yáng)這樣的恒星的核心里，溫度高達(dá)大約1500萬(wàn)度，而且由于重力的擠壓作用極強(qiáng)，星核中的等離子體的密度會(huì)高到地球上固體鉛的13倍。以太陽(yáng)的質(zhì)量來(lái)算，它總共含有驚人的10^57顆質(zhì)子，在任意時(shí)刻，其中都有接近 10% 的質(zhì)子位于太陽(yáng)的核心部分。在巨大的壓強(qiáng)和極高的溫度下，位于日核的質(zhì)子都具有很高的動(dòng)能，其移動(dòng)速率已高到適合以光速的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。因此，這些質(zhì)子之間（以及與其他原子核）發(fā)生撞擊的頻率也極高，每顆質(zhì)子每秒鐘要與其他粒子發(fā)生相互作用達(dá)數(shù)十億次。

通過(guò)這些狂暴的碰撞和劇烈的作用，可以嘗試計(jì)算有多少質(zhì)子獲得了足夠的能量以啟動(dòng)核反應(yīng)鏈條的第一個(gè)環(huán)節(jié)，即形成氘核。不過(guò)，計(jì)算的結(jié)果是：絕對(duì)為零。質(zhì)子們?cè)谔?yáng)核心中猛碰歸猛碰，但沒(méi)有誰(shuí)能升級(jí)為更重的原子核，這意味著那里的溫度和密度尚不足以打通整個(gè)核聚變。那么核反應(yīng)到底要怎么才能發(fā)生呢？這離不開(kāi)量子力學(xué)現(xiàn)象的輔助。

恒星核心部分的質(zhì)子攜帶的能量不足以勝過(guò)因其自身電荷而產(chǎn)生的斥力，但由于有“量子隧穿”(quantum tunneling）效應(yīng)的存在，這些質(zhì)子仍有一定概率形成更加穩(wěn)定的結(jié)合狀態(tài)，從而釋放出核能。盡管兩個(gè)質(zhì)子之間發(fā)生量子隧穿現(xiàn)象的概率很小，在這種情況下約為10^28分之1。

但考慮到太陽(yáng)內(nèi)部粒子相互作用之頻繁和持續(xù)，每秒仍有天文數(shù)字的4×10^38個(gè)質(zhì)子變成氦核。這個(gè)需要用量子力學(xué)來(lái)解釋的核能釋放過(guò)程，正是宇宙中所有主序星的能量之源。

那些質(zhì)量非常小的恒星，其允許發(fā)生核聚變反應(yīng)的核心區(qū)域的體積也較小，因此核融合的步調(diào)也比較慢，導(dǎo)致恒星溫度相對(duì)較低、顏色偏紅、發(fā)光能力也比較弱。而如果恒星的質(zhì)量較大，那么其核心的體積也會(huì)比較大，其溫度和密度都更高，核聚變事件在其間發(fā)生得也就更為頻繁。恒星質(zhì)量越大，被反應(yīng)掉的氫核也就越多，星體也就越熱、越藍(lán)、越亮。所以我們看到的自身發(fā)光能力很強(qiáng)的恒星都是藍(lán)色星。

但還有一個(gè)規(guī)律或許與我們的直覺(jué)不符：越是大質(zhì)量的明亮藍(lán)星，其壽命也就越短。其道理在于，如果一顆恒星的質(zhì)量是另一顆的2倍，那么它擁有的氫就也是后者的2倍，但它的內(nèi)核中消耗氫的速度大約是后者的8倍。也就是說(shuō)，如果某恒星的質(zhì)量10倍于參考星，那么它耗盡自己的氫元素所需的時(shí)間就是后者的1000分之1。在很大的時(shí)間尺度（數(shù)百億年）上說(shuō)，反應(yīng)生成的氦會(huì)通過(guò)對(duì)流逐漸移向恒星表面，而那些還未參與反應(yīng)的氫也會(huì)在對(duì)流中逐漸靠近恒星核心，所以足夠長(zhǎng)壽的恒星是可以完全耗盡自己的氫的。

但如果恒星的質(zhì)量不是很?。òㄌ?yáng)這樣的恒星），那么只要它核心區(qū)域的氫被用完，它就會(huì)結(jié)束自己的主序星生涯。而這一思想靈感，也讓霍伊爾一方做出了一個(gè)宏大的預(yù)言。

霍伊爾態(tài)——三α過(guò)程，為創(chuàng)造重元素提供可能

正在消耗著氫的恒星之所以不會(huì)在自身重力的作用下坍縮，其原因僅在于恒星核心區(qū)域的核聚變反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生巨大的、向外的壓力。然而這個(gè)過(guò)程只能創(chuàng)造出氦，若以“創(chuàng)造出地球上天然存在的所有元素種類(lèi)”為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，理論還不完整?；粢翣栒J(rèn)為，恒星內(nèi)部還有著創(chuàng)造更重的諸種元素的過(guò)程。

以消耗氫的恒星核心所表現(xiàn)的溫度和密度來(lái)看，沒(méi)有理由認(rèn)為它能創(chuàng)造出比氦-4更重的原子核：氦-4之所以不能再接納一個(gè)質(zhì)子，是因?yàn)楹?個(gè)重子的原子核并不穩(wěn)定，而兩個(gè)氦-4 核之間也不能結(jié)合，因?yàn)楹?個(gè)重子的原子核同樣不穩(wěn)定，所有這種質(zhì)量相對(duì)數(shù)為8的原子核，縱然能形成，也都會(huì)瞬間衰變回兩個(gè)氦-4 核。而當(dāng)星核內(nèi)的氫消耗殆盡之后，向外的輻射壓會(huì)立刻降低，星核就會(huì)在重力之下突然開(kāi)始向其中心坍縮。

在像恒星核心這樣的以高密度聚集著海量粒子的地方，單是粒子之間的引力場(chǎng)中就儲(chǔ)存著許多能量。在恒星坍縮過(guò)程中，除非坍縮速度極慢，而且同時(shí)又有釋放能量的有效通道，不然粒子內(nèi)部的溫度和能量都只能不斷升高，最后到達(dá)一個(gè)驚人的水平——這與柴油機(jī)的工作原理有些相似：當(dāng)柴油被快速壓縮時(shí)，猛增的溫度將使其燃燒。氦-4的承壓到達(dá)特定閥值之后，也會(huì)突然產(chǎn)生反應(yīng)，但不是起火，而是聚合為鈹-8！當(dāng)然鈹-8這種同位素也不穩(wěn)定，它會(huì)在僅約10”秒之后衰變回兩個(gè)氦-4?？墒?，霍伊爾非常看重鈹-8 的出現(xiàn)揭示出的意義，他認(rèn)為鈹-8的維持時(shí)間很短僅僅屬于次要問(wèn)題。

我們已知，核聚變能夠通過(guò)量子隧穿效應(yīng)，高效地釋放出巨大的能量，這離不開(kāi)一點(diǎn)：其反應(yīng)生成物的總質(zhì)量小于反應(yīng)參與物的總質(zhì)量，而且這個(gè)差值是可以測(cè)出來(lái)的。氫可以聚變?yōu)楹?4，氦-4的質(zhì)量（通過(guò)著名的E=mc^2）可以等效為2800萬(wàn)電子伏的能量，而四個(gè)氫核的總等效能量必然大于這個(gè)數(shù)。反觀(guān)鈹-8，它的質(zhì)量幾乎與兩個(gè)氦-4核的總質(zhì)量相等，總等效能量差還不足10萬(wàn)電子伏，所以新生成的鈹-8核并不具有很旺盛的生命力，從而會(huì)幾乎立刻變回兩個(gè)氨-4。

不過(guò)霍伊爾仍然不愿放棄這一點(diǎn)，因?yàn)槿绻茏屓齻€(gè)氦-4核足夠快速地結(jié)合在一起，我們?cè)诶碚撋系玫骄筒皇氢?8，而是碳-12了，這可是一種相當(dāng)穩(wěn)定的原子核。為了跨越這個(gè)理論障礙，霍伊爾賭上了他的全部學(xué)術(shù)聲譽(yù)，做出了他最具震撼力的科學(xué)預(yù)言。

就像原子有其激發(fā)態(tài)和基態(tài)那樣，原子核也有自己的激發(fā)態(tài)和基態(tài)。原子的激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，其電子暫時(shí)處于較高的能級(jí)，最后會(huì)落回到較低的能量狀態(tài)上，并放出一個(gè)光子；原子核處于激發(fā)態(tài)時(shí)的能量譜也是較高和不穩(wěn)定的，而基態(tài)的能量譜是最低的且穩(wěn)定的。而“激發(fā)態(tài)的原子”與“激發(fā)態(tài)的原子核”之間的最大不同，在于后者在能量上與前者有明顯的差異，通過(guò)質(zhì)能方程將這個(gè)能量差異轉(zhuǎn)換為質(zhì)量差異之后，它是可以被測(cè)量出來(lái)的。

將三個(gè)氦-4 核結(jié)合起來(lái)，并不會(huì)得到一個(gè)碳-12核，因?yàn)槎咧g的質(zhì)量差異實(shí)在太明顯了，后者顯著偏小。不過(guò)，霍伊爾提出，如果碳-12核有一種激發(fā)態(tài)，其能量跟三個(gè)氦-4 核的總能量接近的話(huà)，那么恒星即便是在耗盡其核心的氫元素之后，也可以繼續(xù)其核聚變反應(yīng)。他推斷道，鑒于碳-12原子是構(gòu)建地球上和恒星世界里許多更重的元素的基石，它的這種激發(fā)態(tài)一定是存在的，而且其質(zhì)量一定等同于氦-4的三倍！

這一假定存在的狀態(tài)被稱(chēng)作“霍伊爾態(tài)”，它在理論上的形成過(guò)程則被稱(chēng)作“三阿爾法過(guò)程”（triple-alpha

process），因?yàn)楹?4 核也叫“阿爾法粒子”，是某些放射性衰變的產(chǎn)物之一。1952年，霍伊爾將這一猜測(cè)告訴了合作者福勒，后者聽(tīng)了認(rèn)為這一狀態(tài)確實(shí)應(yīng)該存在，只是一直被核物理學(xué)家們忽略了。經(jīng)過(guò)五年的研究，霍伊爾態(tài)的碳-12于1957年被發(fā)現(xiàn)，其能量水平也被證實(shí)完全可能在大質(zhì)量恒星的核心里通過(guò)消耗氫而產(chǎn)生！這一突破性進(jìn)展，為人們照亮了宇宙中各種重元素的生成之路。