TBBT第5季第3集：白板上的苦脸

（文／大卫·萨尔兹保）上周的两集 里，宅男们在白板上展示了在地球上人工制造一种新粒子——“轴子”（the axion）的奇妙计划。美国国家点火设施（National Ignition Facility，NIF）预计在今年夏天人工合成轴子，我为此十分激动，但你可能已经在第5季第3集的白板上发现了——我犯了一个很糟糕、很糟糕的错误。

之前估算轴子的产生率时，我对比了真实太阳和 NIF 人工太阳的功率。两种情况中，组成物质的原子都会在高温下被撕裂成原子核和电子，成为比通常气体温度更高的“等离子体”，又被称为“物质的第四态”。霓虹灯中发橙色光的物质就是一种等离子体。

对比两种等离子体时，刚开始实验室一方似乎略胜一筹。不过，要明白我在哪里出了错，我们先要说说太阳产生能量的方式。

北极光就是一种等离子体。（来源：britannica.com）

原子核内，强相互作用力将质子和中子束缚在一起。如果没有它，唯一能够出现的原子就只有氢原子了，元素周期表也将不复存在。强相互作用力的强度也不可小觑——在氦以及其后的原子核中，它足以克服带正电的质子间的排斥作用，保持原子核的完整，也因此而得名“强相互作用”或者“强力”。

强力的奥妙在于，它只能结合一个中子与一个质子，却无法结合两个质子或两个中子。正电荷之间的排斥或许能解释前者，但无法解释后者。这是为什么呢？答案就是量子力学对全同粒子的约束：要想让两个完全相同的中子或质子相互接近，就必须使它们具有角动量，也就意味着它们无法稳定结合。

强力的奥妙在于，它只能结合一个中子与一个质子，却无法结合两个质子或两个中子。

太阳的核心充满了质子，但没有自由的中子，为了使它们结合产能就必须将一部分质子转化成中子。结合后的元素仍然是氢，但多了一个中子，因此被称为“重氢”，或者用更学术的说法叫“氘”。（“重水”指的也是同一种“重”。）质子变成中子的过程中电荷不守恒，释放出一种质量小的带正电的粒子，它就是电子的反物质伙伴——正电子，携带与电子等量的正电荷。

这又产生了新的问题：正电子是“轻子”的一种，出于某种尚不清楚的原因，轻子数始终守恒，所以必须同时生成一个中微子（译者注：正电子与中微子的轻子数分别为 -1 和 +1 ）。

太阳内部核聚变的第一个步骤

随后氘（重氢）发生进一步反应，总反应式为：

4个质子 —> 1个氦核（2个质子＋2个中子）＋2个中微子＋大量能量

上面这个反应释放出的能量使太阳发光发热。可正电子到哪里去了呢？作为反物质，它们一旦与电子相遇就立刻湮灭，放出能量。有问题的是第一个步骤，即：

质子＋质子 —> 质子＋中子＋正电子＋中微子

能够将质子转化为中子的并非强相互作用力，而是弱相互作用力。这种作用力十分微弱，作用速率也很缓慢，制约着太阳内整个核聚变反应的速率。

如果剔除质量的影响，太阳产能的速度甚至还不如你。坐在电脑前消化上一顿饭时，你每 1千克体重产能的功率大约是 1瓦，而太阳却只有0.0002瓦。这也是我们的幸运，如果没有弱相互作用力的制约，我们的邻居就不是一颗恒星，而是核弹了。

但NIF的好人们等不及如此缓慢的反应，他们使用了重氢（氘），以及更重的含有两个中子、一个质子的氢，又名“氚”。他们的反应是：

氘＋氚 —> 氦＋中子＋能量

反应中没有发生质子和中子间的转化，它们只是改变了结合的对象。该反应由强相互作用力驱动，释放出大量能量，速度大约是太阳内部质子跟质子反应速度的 10²⁵ 倍。所以，不可以直接比较两个太阳，宅男们的计算“只不过”忽略了 10²⁵ 这一因数。

观看本集时你注意到白板上画的那张沮丧的脸吗？（仔细看上面的大图哦）现在明白了这是为什么了吧~

博主介绍： 大卫·萨尔兹保（David Saltzberg）是美国加州大学洛杉矶分校的物理、天文学教授。与此同时，他还担当着《生活大爆炸》的科学顾问。剧中Sheldon一伙所说的那些专业术语，全部出自此人之手。在他的博客里又进一步阐释了那些令人挠头的科学小知识。

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