太陽が輝く驚くべき量子的な理由

私たちが知っているように、地球は太陽の影響によってのみ生命で溢れています。 その光と熱は、直射日光が当たっている場合、地球のあらゆる平方メートルに約 1500 W の一定の電力を供給します。これは、地球の表面に液体の水が継続的に存在できる快適な温度に地球を保つのに十分です。 宇宙の何兆もの銀河の中にある何千億もの星と同じように、私たちの太陽も継続的に輝き、時間の経過とともにわずかに変化します。

しかし、量子物理学がなければ、太陽はまったく輝きません。 太陽のような大質量星の中心部で見られる極限状態であっても、量子宇宙が要求する奇妙な特性がなければ、その動力となる核反応は起こりません。 ありがたいことに、私たちの宇宙は本質的に量子であり、太陽や他のすべての星が同じように輝くことができます。 これがどのように機能するかを科学的に説明します。

スターライトは、熱いビッグバン以来、宇宙の 138 億年の歴史全体を通じて、宇宙で唯一最大のエネルギー源です。 これらの大きく大量の水素とヘリウムの濃度は、最初に形成されるときに自身の重力で収縮し、加熱中にコアの密度がますます高くなります。 最終的には、約400万ケルビンの温度と固体鉛の密度を超える臨界閾値に達し、星の中心で核融合が始まります。

しかし、ここにパズルがあります。太陽内の粒子が持つべきエネルギーの大きさを正確に決定し、それらのエネルギーがどのように分布するかを計算することができます。 太陽の核内で陽子間でどのような種類の衝突が起こるかを計算し、実際に 2 つの陽子を物理的に接触させる、つまり陽子間の電気的反発に打ち勝つために必要なエネルギーと比較することができます。

そして計算をしてみると、衝撃的な結論が得られます。そこでは、核融合を引き起こすのに十分なエネルギーを持つ衝突はまったく起こっていません。 ゼロ。 まったくありません。

一見すると、これにより核融合、つまり太陽が輝く能力が完全に不可能になるように見えます。 しかし、私たちが観察する太陽から来るエネルギーに基づいて、太陽が実際に輝いていることがわかっています。

太陽の奥深く、温度が 400 万ケルビンから 1,500 万ケルビンまでの範囲にある最も内側の領域では、最初の 4 つの水素原子 (つまり、個々の陽子) の原子核が連鎖反応で融合し、最終的な結果が得られます。ヘリウム原子核 (2 つの陽子と 2 つの中性子で構成される) が生成され、大量のエネルギーが放出されます。

そのエネルギーはニュートリノと光子の両方の形で運び去られ、光子は太陽の光球に到達して宇宙に放射されるまでに10万年以上かかるかもしれないが、ニュートリノはほんの数秒で太陽を出て、私たちがそこにいたのである。 1960年代から地球上でそれらが検出されています。

このシナリオについて考えてみると、これらの反応からエネルギーがどのように放出されるかが明らかではないため、少し困惑するかもしれません。 中性子は、陽子よりもわずかに、約 0.1% 重いのです。 4 つの陽子を 2 つの陽子と 2 つの中性子を含む原子核に融合させると、反応にはエネルギーを放出するのではなくエネルギーが必要になると考えるかもしれません。

これらの粒子がすべて自由で束縛されていないとしたら、それは真実でしょう。 しかし、中性子と陽子がヘリウムなどの原子核に結合すると、非常に強く結合するため、実際には結合していない個々の構成要素よりも質量が大幅に小さくなります。 2 つの中性子は約 2 MeV (MeV は 100 万電子ボルト、エネルギーの単位) のエネルギーを持っていますが、アインシュタインの E = mc² によれば、ヘリウム原子核は 2 つの陽子よりもエネルギーが高く、結合していない 4 つの陽子よりも 28 MeV 軽いのと同等です。 。

言い換えれば、核融合のプロセスはエネルギーを放出します。融合した陽子のうち約 0.7% がエネルギーに変換され、ニュートリノと光子の両方によって運ばれます。

私たちは、太陽がその表面全体で 4 × 10²⁶ ワットの連続出力を放出していることを観測しています。 この量のエネルギーは、毎秒 103⁸ 以上の膨大な数の陽子がこの連鎖反応で融合することに変換されます。 もちろん、太陽の内部は巨大であるため、これは膨大な量の宇宙に広がっています。 平均的な人間が毎日の食物を代謝することで、人間サイズの太陽の体積よりも多くのエネルギーが生成されます。

しかし、これらの反応はすべて太陽の内部で起こっているため、これらの反応がどれほど効率的であるか疑問に思うかもしれません。 太陽が作り出すすべての電力を生成するのに十分な量を私たちは本当に得ているのでしょうか？ これは本当にそのような膨大なエネルギー出力につながり、太陽がどのように輝くのかを説明できるのでしょうか?

これは複雑な問題ですが、定量的に考え始めると、次のような数字が得られます。

太陽は、私たちがこれまでの人生で経験したものよりもはるかに大きく、巨大です。 地球全体を太陽の直径に沿って並べると、横断するには地球 109 個が必要になります。 地球に含まれるすべての質量を取得すると、太陽の質量と等しくなるまで 300,000 個以上を蓄積する必要があります。

全体として、太陽を構成する粒子は約 10⁵⁷ 個あり、それらの粒子のちょうど約 10% が太陽の核を定義する核融合領域に存在します。 コアの内部では、次のことが起こっています。

これは合理的だと思いますよね? 確かに、発生する陽子の衝突の膨大な数、その移動速度、そして実際に融合する必要があるのはごくわずかでほとんど知覚できないほどの割合であるという事実を考慮すると、これは達成可能である可能性があります。

そこで計算してみます。 私たちは、特定のエネルギーと速度のセットの下で粒子が大量にあるときに粒子がどのように振る舞い、移動するかに基づいて、それらの反応で核融合を開始するのに十分なエネルギーを持つ陽子と陽子の衝突の回数を計算します。

そこに到達するには、2 つの陽子が物理的に接触できる程度に接近し、両方が正の電荷を持っており、同様の電荷は反発するという事実を克服するだけで済みます。

それでは、1秒間に数十億回衝突する太陽の核にある約10⁵⁶の陽子のうち、実際に核融合反応を引き起こすのに十分なエネルギーを持っているものは何個あるのでしょうか?

まさにゼロです。

それでも、どういうわけか、それは起こります。 核融合は太陽に電力を供給することに成功しただけでなく、私たちの星よりもはるかに質量が小さく、中心温度がはるかに低い恒星にエネルギーを供給します。 水素はヘリウムに変換されます。 融合が起こる。 スターライトが作成されます。 惑星は潜在的に居住可能になります。

それで、その秘密は何ですか？

これは量子物理学が登場する重要な場所です。 亜原子レベルでは、原子核は実際には粒子単体としてではなく、波として動作します。 確かに、陽子の物理的なサイズを測定することはできますが、そうすることで陽子の運動量は本質的に不確実になります。 陽子の運動量を測定することもできますが、これは本質的に陽子の速度を計算するときに行ったことです。しかし、そうすることで陽子の位置が本質的により不確実になります。

代わりに、各陽子は量子粒子であり、その物理的位置は、固定された位置よりも確率関数によってより適切に記述されます。

これらの陽子の量子的性質により、2 つの陽子の波動関数が重なる可能性があります。 陽子間の反発電気力に打ち勝つのに十分なエネルギーを持たない陽子であっても、その波動関数が重なり合っていることがわかります。そして、その重なり合うということは、量子トンネリングを経験する確率が有限であることを意味します。つまり、陽子は最終的に陽子よりも安定した束縛状態に陥る可能性があります。初期、フリー状態。

2 つの陽子から重水素が形成されると (難しい部分ですが)、残りの連鎖反応が非常に迅速に進行し、すぐにヘリウム 4 が形成されます。

しかし、重水素が形成される確率は非常に小さいです。 実際、太陽の核で起こる特定の陽子間相互作用の場合、実際にはそれらすべてが想像できる最も単純な結果をもたらします。それらの波動関数は一時的に重なり、その後重なりを停止し、最終的には同じ 2 つの陽子だけになります。あなたが始めたこととして。 しかし、ごくわずかな確率で、10²⁸ の衝突に約 1 回 (先ほどの数字を覚えていますか?)、2 つの陽子が融合して重陽子、陽電子、ニュートリノ、さらには光子も生成します。

太陽の核にある 2 つの陽子の波動関数が重なると、それらが 2 つの陽子に戻る以外のことをする可能性はごくわずかです。 それらが融合して重水素原子核を作る確率は、パワーボール宝くじに3回連続で当たるのとほぼ同じで、天文学的に低い。 それでも、太陽の内部には非常に多くの陽子が存在するため、これが頻繁に起こることに成功し、太陽だけでなく、宇宙のほぼすべての星に電力を供給しています。

過去 45 億年にわたって、核融合とアインシュタインの最も有名な方程式 E = mc² により、太陽は土星の質量とほぼ同じ質量を失うほどの現象が太陽で何度も起こりました。 しかし、宇宙の量子の性質がなければ、太陽では核融合はまったく起こらず、地球は宇宙の深淵に浮かぶ冷たい生命のない岩に過ぎないでしょう。 私たちの存在が可能であるのは、位置、運動量、エネルギー、時間に固有の不確実性があるからこそです。 量子物理学がなければ、太陽は輝くことができません。 本当の意味で、私たちは本当に宇宙の宝くじに当選したのです。