太陽(yáng)系星云起源理論有漏洞？核聚變的艱難性應(yīng)促使人類反思
文/袁玉剛 圖/來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)
1755年，德國(guó)哲學(xué)家伊曼努爾·康德提出了星云說(shuō)。1796年，法國(guó)數(shù)學(xué)家皮埃爾-西蒙·拉普拉斯又獨(dú)立地提出了這一問(wèn)題。他們認(rèn)為整個(gè)太陽(yáng)系的物質(zhì)都是由同一個(gè)原始星云在萬(wàn)有引力作用下形成的，星云的中心部分形成了太陽(yáng)，星云的外圍部分形成了行星。
星云說(shuō)較好地解釋了太陽(yáng)系恒星、行星的共面性、同齡性、公轉(zhuǎn)同向性、軌道近圓性、行星分布?xì)有?。行星吸積盤的發(fā)現(xiàn)更是證明了星云說(shuō)的正確。
德國(guó)的魏扎克于1945年、英國(guó)的霍伊爾于1955年、瑞典的阿爾文于1962年、我國(guó)的戴文賽于1977年提出了新星云說(shuō)。1944年，斯米特學(xué)派提出了吸積假說(shuō)?。60年代，前蘇聯(lián)天體力學(xué)家Safronov提出了太陽(yáng)系行星起源的星子假說(shuō)，發(fā)展成了一個(gè)被當(dāng)今科學(xué)界廣泛接受的星子碰撞吸積理論。
宇宙暴脹理論甚至認(rèn)為：暴脹不僅觸發(fā)了宇宙初期的快速膨脹，而且產(chǎn)生了微小的密度波動(dòng)，密度更大的區(qū)域會(huì)吸收更多物質(zhì)并最終形成星團(tuán)和星系。
太陽(yáng)的誕生是太陽(yáng)系星云起源理論的核心。星云說(shuō)認(rèn)為：在銀河系的獵戶旋臂上，有一片氫原子星云在自身的萬(wàn)有引力作用下，突然開(kāi)始向內(nèi)部收縮，并且自發(fā)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)星云內(nèi)部物質(zhì)質(zhì)量與體積大到可與外部氣體的力的平衡時(shí)，外部氣體便向星云內(nèi)部坍縮，形成原恒星。同時(shí)，外部殼層也一個(gè)個(gè)形成。如果星云起初有旋轉(zhuǎn)，就會(huì)形成一個(gè)氣塵盤。盤中物質(zhì)不斷落到中央天體上。原恒星繼續(xù)坍縮，內(nèi)部壓力極大，溫度極高（在收縮過(guò)程中釋放出的引力能使原恒星變熱），氫原子相互碰撞，產(chǎn)生氫等離子體，繼而引發(fā)核聚變。能量向外輻射，太陽(yáng)就發(fā)光了。根據(jù)計(jì)算，太陽(yáng)每秒鐘就有400萬(wàn)噸左右的氫被聚變。
太陽(yáng)系星云起源理論似乎是完美無(wú)瑕了。但仔細(xì)琢磨，問(wèn)題還是不少。
首先，星云何來(lái)、星云為何自轉(zhuǎn)？
其次，八大行星自轉(zhuǎn)軸傾角為何不一致？為何有固體、氣體行星之分？
再次，既然太陽(yáng)里的氫能夠在自身引力下向中心聚集，那么，內(nèi)部氫原子的萬(wàn)有引力比外部的氫原子的萬(wàn)有引力大嗎？果真如此，為什么八大行星、柯伊伯帶、奧爾特云的物質(zhì)未向中心聚集呢？
然后，既然太陽(yáng)里的氫能夠在自身引力下發(fā)生核聚變，并且一直能夠聚變到鐵，那么，為什么地球上的氫氣球一直往外飛？
最后，萬(wàn)有引力是最弱的力，為什么能夠戰(zhàn)勝氫原子內(nèi)強(qiáng)大的電磁力，迫使氫原子核聚變？為什么地球上的氫原子核聚變?nèi)绱似D難呢？
圖1 地球上的核聚變
在地球上，人工核聚變需要把聚變?cè)牧想碗凹s束加熱到上億度。上世紀(jì)50年代。前蘇聯(lián)發(fā)明了托卡馬克研發(fā)可控核聚變。
托卡馬克裝置利用螺旋形磁場(chǎng)約束高溫等離子體，使其不與裝置的內(nèi)壁直接接觸，實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)，被稱為“人造太陽(yáng)”，是人類最有希望實(shí)現(xiàn)聚變能和平利用的科學(xué)途徑。
圖2 托卡馬克裝置
上世紀(jì)80年代，國(guó)際上建成了三個(gè)較大的托卡馬克裝置：美國(guó)的TFTR、歐盟的JET和日本的JT-60U。
圖3 美國(guó)、歐盟和日本的托卡馬克裝置
1996年，日本JT-60U達(dá)到等效能量得失相當(dāng)，即聚變產(chǎn)出的能量超過(guò)了輸入的能量；這個(gè)裝置曾達(dá)到4億度的中心離子溫度。1997年，歐盟JET獲得聚變功率16.2兆瓦。這些實(shí)驗(yàn)證實(shí)了核聚變作為能源原理上的可行性。
上世紀(jì)80年代，國(guó)際上啟動(dòng)了ITER計(jì)劃。幾個(gè)大國(guó)聯(lián)合起來(lái)建造一個(gè)很大的超導(dǎo)托卡馬克裝置，計(jì)劃產(chǎn)生超過(guò)Pfusion500兆瓦的氘氚聚變功率，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)出的能量10倍于輸入的能量（聚變?cè)鲆鍽10），演示聚變能成為未來(lái)商用清潔能源的可行性。ITER是中國(guó)參加的最大的國(guó)際科技合作項(xiàng)目。
2007年，中國(guó)也建造了可控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)裝置“東方超環(huán)”（EAST超導(dǎo)托卡馬克）。
圖4 中國(guó)的“人造太陽(yáng)”（EAST超導(dǎo)托卡馬克）
2017年7月3日，中國(guó)東方超環(huán)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束等離子體運(yùn)行。2018年，“東方超環(huán)”實(shí)現(xiàn)了1億度等離子體運(yùn)行。
人工可控核聚變證明：在地球上，光靠氫原子的萬(wàn)有引力是無(wú)法約束氫原子的，必須用鋰包層容器約束氫原子。高溫高壓環(huán)境也不是氫原子能夠提供的。可控核聚變需要外力支援。
由此想到太陽(yáng)。
圖5 太陽(yáng)結(jié)構(gòu)圖
太陽(yáng)里的氫原子為什么能夠聚集在一起？原因很清楚。因?yàn)樘?yáng)系位于銀河系的一條旋臂上。不是氫原子在自己的萬(wàn)有引力的作用下聚集在一起，而是在銀河系的約束下聚集在旋臂上。銀河系是旋渦星系。四條大旋臂清晰可見(jiàn)。銀河系旋渦對(duì)氫原子的聚集力不可小覷，比托卡馬克裝置強(qiáng)大得多。這樣解釋太陽(yáng)系原始星云的來(lái)歷要比不予理睬更容易被人接受。科學(xué)家們閉口不談銀河系旋渦的作用，只提氫原子的萬(wàn)有引力，顯然是撿起了芝麻，丟掉了西瓜。
圖6 銀河系
太陽(yáng)氫原子星云為什么會(huì)自轉(zhuǎn)呢？
不是氫原子自己的萬(wàn)有引力的作用，也不是上帝踢了一腳，而是銀河系旋臂的運(yùn)動(dòng)。銀河系旋臂相當(dāng)于氫原子的一條河流，中間流速大，兩側(cè)流速小，容易在邊緣形成旋渦。這是流體力學(xué)已經(jīng)闡明了的。流速大的流體旋進(jìn)旋渦中心，流體推動(dòng)力變成了旋渦里的引力，好像內(nèi)部氫原子吸引外部的氫原子，其實(shí)是外部高速氫原子沖進(jìn)旋渦中心。
需要說(shuō)明，太空旋渦是地球上兩個(gè)旋渦面對(duì)面合在一起的復(fù)合體，是一個(gè)名副其實(shí)的托卡馬克裝置。
太陽(yáng)上的高溫高壓怎么來(lái)的呢？
高壓來(lái)自旋渦。旋渦里的物體都有向心趨勢(shì)，勢(shì)必壓迫里面的物體。而內(nèi)部的氫原子無(wú)處躲藏，只有被壓縮。這就是太陽(yáng)中心具有高壓的原因，不是外圍物質(zhì)的重力壓迫的。
高溫也來(lái)自旋渦，不是外圍物質(zhì)的重力壓縮核心的物質(zhì)而產(chǎn)生的。旋渦里的物體都有角速度，里面的大，外面的小，導(dǎo)致內(nèi)外摩擦生熱。這些熱量不容易傳導(dǎo)散失，都集聚在內(nèi)部，形成高溫。
這樣，一個(gè)半徑為一天文單位的自轉(zhuǎn)著的托卡馬克裝置圈住了太陽(yáng)系絕大部分氫原子，越旋越緊，不斷地向內(nèi)擠壓，產(chǎn)生2000萬(wàn)度高溫，迫使氫原子發(fā)生核聚變。核聚變產(chǎn)生的巨大能量被迫沿著旋轉(zhuǎn)軸從兩極噴出，照亮了黑暗的空間。于是，我們的太陽(yáng)誕生了。
圖7 恒星噴發(fā)
注意：太陽(yáng)的核聚變是太陽(yáng)系旋渦力旋聚的結(jié)果，也可以說(shuō)是銀河系旋渦力旋聚的結(jié)果。但不是氫原子的萬(wàn)有引力作用的結(jié)果。萬(wàn)有引力太弱了，氫原子的萬(wàn)有引力是質(zhì)子的庫(kù)侖力的10的36次方之一。不足以引發(fā)核聚變。
參考文獻(xiàn)：袁玉剛著《旋渦里的宇宙》，甘肅科技出版社2008年出版
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