태양이 빛나는 놀라운 양자적 이유

우리가 알고 있듯이 지구는 태양의 영향으로 인해 생명으로 가득 차 있습니다. 빛과 열은 직사광선에 있을 때 지구의 모든 평방미터에 ~1500W의 일정한 전력을 제공합니다. 이는 지구 표면에 액체 물이 지속적으로 존재할 수 있는 편안한 온도를 유지하기에 충분합니다. 우주의 수조 개의 은하계 가운데 있는 우리 은하계의 수천억 개의 별처럼, 우리 태양도 시간이 지남에 따라 약간만 변하면서 지속적으로 빛납니다.

그러나 양자물리학이 없다면 태양은 전혀 빛나지 않을 것입니다. 우리 태양과 같은 거대한 별의 핵심에서 발견되는 극한 조건에서도, 우리의 양자 우주가 요구하는 기괴한 특성 없이는 핵반응이 일어날 수 없습니다. 고맙게도 우리 우주는 본질적으로 양자이기 때문에 태양과 다른 모든 별들도 빛을 발할 수 있습니다. 이것이 어떻게 작동하는지에 대한 과학은 다음과 같습니다.

별빛은 뜨거운 빅뱅 이후 138억년의 전체 역사를 통틀어 우주에서 가장 큰 단일 에너지원입니다. 이 거대하고 막대한 농도의 수소와 헬륨은 처음 형성될 때 자체 중력에 의해 수축되어 가열되는 동안 코어의 밀도가 점점 더 높아지게 됩니다. 결국 온도가 400만 켈빈에 달하고 밀도가 고체 납보다 높은 임계점에 이르면 별의 핵에서 핵융합이 시작됩니다.

하지만 여기에 퍼즐이 있습니다. 태양의 입자가 얼마나 많은 에너지를 가져야 하는지 정확히 결정하고 해당 에너지가 어떻게 분포되는지 계산할 수 있습니다. 태양 핵의 양성자 사이에 어떤 유형의 충돌이 발생하는지 계산할 수 있으며, 이를 실제로 두 양성자를 서로 물리적으로 접촉시키는 데 필요한 에너지의 양, 즉 양자 사이의 전기적 반발력을 극복하는 데 필요한 에너지의 양을 비교할 수 있습니다.

그리고 계산을 해보면 충격적인 결론을 얻게 됩니다. 즉, 핵융합으로 이어질 만큼 충분한 에너지가 있는 곳에서는 충돌이 전혀 일어나지 않는다는 것입니다. 영. 전혀.

언뜻보기에 이것은 핵융합, 즉 태양의 빛을 발하는 능력을 완전히 불가능하게 만드는 것처럼 보입니다. 그러나 우리는 태양에서 오는 에너지를 관찰함으로써 그것이 실제로 빛난다는 것을 알고 있습니다.

태양 내부 깊은 곳, 온도 범위가 400만 켈빈에서 최대 1,500만 켈빈 사이인 가장 안쪽 영역에서 4개의 초기 수소 원자(즉, 개별 양성자)의 핵이 연쇄 반응으로 함께 융합되어 최종 결과가 발생합니다. 상당한 양의 에너지 방출과 함께 헬륨 핵(2개의 양성자와 2개의 중성자로 구성됨)을 생성합니다.

그 에너지는 중성미자와 광자의 형태로 운반되며, 광자가 태양의 광구에 도달하여 우주로 방출되기까지 100,000년 이상을 소비할 수 있지만 중성미자는 단 몇 초 만에 태양을 빠져나갑니다. 1960년대부터 지구에서 그들을 탐지해 왔습니다.

이러한 반응에서 에너지가 어떻게 방출되는지 명확하지 않기 때문에 이 시나리오에 대해 생각하고 약간 당황할 수도 있습니다. 아시다시피 중성자는 양성자보다 질량이 약 0.1% 정도 더 큽니다. 양성자 2개와 중성자 2개가 포함된 핵에 양성자 4개를 융합할 때 반응에 에너지를 방출하는 대신 에너지가 필요하다고 생각할 수도 있습니다.

만약 그 입자들이 모두 자유롭고 속박되지 않았다면 그것은 사실일 것입니다. 그러나 중성자와 양성자가 헬륨과 같은 핵으로 함께 결합되면 너무 단단히 결합되어 실제로 개별적이고 결합되지 않은 구성 요소보다 훨씬 덜 질량이 됩니다. 2개의 중성자는 약 2MeV(여기서 MeV는 에너지 측정 단위인 100만 전자 볼트임) 2개의 양성자보다 더 많은 에너지를 갖고 있지만(아인슈타인의 E = mc²에 따르면) 헬륨 핵은 4개의 결합되지 않은 양성자보다 28MeV 더 가볍습니다. .

즉, 핵융합 과정에서 에너지가 방출됩니다. 양성자가 융합하는 것 중 약 0.7%가 중성미자와 광자에 의해 운반되는 에너지로 변환됩니다.