三、我們的太陽(yáng)系

我們的太陽(yáng)系有著八大行星，還有170多顆衛(wèi)星，以及數(shù)百萬(wàn)顆小行星、彗星和流星體。太陽(yáng)系大約誕生于46億年前，由一團(tuán)密集的星際氣體塵埃云形成。太陽(yáng)是一個(gè)巨大的氣體球，位于太陽(yáng)系的中心，占太陽(yáng)系質(zhì)量的99％以上。因此，其引力可以控制太陽(yáng)系中的一切天體。

太陽(yáng)是一顆壯年恒星，已經(jīng)閃耀了大約46億年，并且將繼續(xù)閃耀50億年。太陽(yáng)主要由氫和氦組成，核心發(fā)生著核聚變，把氫轉(zhuǎn)化為氦，產(chǎn)生能量。核心溫度達(dá)到1500萬(wàn)攝氏度，產(chǎn)生的能量需要數(shù)千年時(shí)間才能到達(dá)太陽(yáng)表面，并以光和熱的形式釋放出來(lái)。太陽(yáng)風(fēng)是指太陽(yáng)射出的等離子體帶電粒子流。其中，一部分太陽(yáng)風(fēng)通過(guò)日冕的洞從太陽(yáng)內(nèi)部逃逸出來(lái)，并以非常高的速度向地球吹來(lái)。太陽(yáng)風(fēng)到達(dá)地球磁場(chǎng)時(shí)，其中一部分從地球兩極進(jìn)入磁場(chǎng)內(nèi)部，形成美麗壯觀的極光。

太陽(yáng)從內(nèi)到外分別是核心、輻射區(qū)、對(duì)流區(qū)、光球。其中，核心就像一個(gè)巨大的核反應(yīng)堆，在發(fā)生著熱核聚變以提供能量。核心的能量首先通過(guò)輻射區(qū)，以傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射的熱傳遞方式傳遞到外面的區(qū)域，進(jìn)入對(duì)流區(qū)，最終傳遞到表面的光球。通過(guò)核反應(yīng)，除了產(chǎn)生能量外，太陽(yáng)也會(huì)產(chǎn)生一些非常神奇的中微子。著名的太陽(yáng)中微子丟失之謎，指的就是科學(xué)家發(fā)現(xiàn)地球上測(cè)得的中微子數(shù)量比太陽(yáng)模型預(yù)言的數(shù)量要少很多，就好像一部分丟失了、找不到了。在證實(shí)測(cè)算與太陽(yáng)模型都不存在錯(cuò)誤之后，科學(xué)家猜測(cè)了第三種可能，那就是中微子在從太陽(yáng)中產(chǎn)生出來(lái)到飛往地球的時(shí)間里發(fā)生了形態(tài)的轉(zhuǎn)換，即從電子中微子變成了其他形態(tài)的中微子，而當(dāng)時(shí)地球上的所有中微子探測(cè)器都是圍繞著電子中微子來(lái)設(shè)計(jì)的。直到一種新的可以把所有形態(tài)的中微子都測(cè)量出來(lái)的探測(cè)器面世后，科學(xué)家才發(fā)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果與太陽(yáng)釋放的中微子數(shù)量是一樣的。

我國(guó)科學(xué)家在中微子研究方面也作出了巨大貢獻(xiàn)，包括建議了探測(cè)方法，對(duì)中微子的聚變反應(yīng)速度進(jìn)行了很好的測(cè)量，以及對(duì)大亞灣中微子進(jìn)行了精細(xì)研究等。其中，著名科學(xué)家、我國(guó)核科學(xué)奠基人和開(kāi)拓者之一、“兩彈一星”元?jiǎng)淄蹁撇壬ㄗh了探測(cè)中微子的方法。其相關(guān)文章是于1941年發(fā)表的，而后來(lái)的國(guó)際同行也都是基于其建議的思路進(jìn)行測(cè)量的，直到2000年之后才最終測(cè)到了中微子。值得注意的是，該文章發(fā)表于當(dāng)時(shí)正位于貴州遵義的浙江大學(xué)。結(jié)合抗日戰(zhàn)爭(zhēng)的時(shí)代背景，我們可以發(fā)現(xiàn)，正是在這樣一個(gè)戰(zhàn)爭(zhēng)動(dòng)蕩的狀態(tài)、艱苦非常的條件下，老一輩科學(xué)家反而作出了世界級(jí)的重大貢獻(xiàn)。

四、探索宇宙恒星

關(guān)于探索宇宙、研究恒星，不同的領(lǐng)域有著不同的工具。比如，天文學(xué)家的工具是望遠(yuǎn)鏡，從早期的伽利略望遠(yuǎn)鏡、牛頓望遠(yuǎn)鏡到中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)的現(xiàn)代化的更大型的郭守敬望遠(yuǎn)鏡。郭守敬望遠(yuǎn)鏡也是我國(guó)的大國(guó)重器之一。除了地球上有望遠(yuǎn)鏡，太空中也有望遠(yuǎn)鏡，因?yàn)樘窄h(huán)境可以進(jìn)一步避免大氣的干擾，比如著名的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡就是圍繞著地球運(yùn)行的。其繼任者——詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡，則是圍繞著太陽(yáng)運(yùn)行，也有著不同的研究目標(biāo)。大家可能比較熟悉的是，位于我國(guó)貴州山區(qū)的中國(guó)天眼（FAST）。其口徑有500米，相當(dāng)于30個(gè)足球場(chǎng)那么大，是目前世界上單口徑最大、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡。

和天文學(xué)家完全不同的是，核物理學(xué)家的工具是加速器，所以在交叉學(xué)科中各有各的任務(wù)。核物理學(xué)家的任務(wù)就是用大型加速器，如超導(dǎo)直線加速器、串列加速器，去測(cè)算恒星核過(guò)程的“速度”。這些加速器的個(gè)頭都是非常大的，占地有幾百上千平方米。只有用這樣巨大的加速器，我們才能夠把粒子加速到所需的能量，進(jìn)行核反應(yīng)的研究。

研究恒星的核過(guò)程是建立在一個(gè)重要概念之上的，那就是量子力學(xué)中的量子隧道效應(yīng)。在經(jīng)典世界中，我們要想使一個(gè)圓球翻過(guò)一段高坡，就需要讓其動(dòng)能超過(guò)爬坡的勢(shì)能。唯有如此，圓球才有可能在經(jīng)典力學(xué)世界中翻過(guò)高坡。但是，在量子力學(xué)世界中，根據(jù)量子隧道效應(yīng)，只要圓球撞墻的次數(shù)足夠多，就總有一次會(huì)撞過(guò)去，盡管這是一個(gè)概率非常小的事件。比如，以恒星中發(fā)生氦聚變?yōu)槔?，如果把?2和氦變成氧的反應(yīng)看作一個(gè)圓球撞墻的動(dòng)作，那么要撞1023次，也就是1000萬(wàn)億億次才能成功一次，而這在宏觀世界中是難以想象的。假如把視角放在恒星、宇宙之中，有無(wú)數(shù)個(gè)原子核同時(shí)在撞，那么在每次撞擊中，每1000萬(wàn)億億個(gè)原子核中就會(huì)有1個(gè)原子核能夠成功，這就是所謂的量子隧穿效應(yīng)。換句話說(shuō)，哪怕概率是非常低的，但以恒星、宇宙為視角，大量的物質(zhì)仍然是非?？捎^的基礎(chǔ)，而恒星的發(fā)光發(fā)熱也就是這么來(lái)的。通過(guò)量子隧道效應(yīng)，核聚變沒(méi)有以恒星溫度升得非常高為前提條件，這也是我們的地球適宜生存的原因之一。

當(dāng)然，我們?cè)诘厍蛏贤ㄟ^(guò)加速器測(cè)算如此小概率的核反應(yīng)事件，依舊是非常困難的。因?yàn)榉磻?yīng)的概率實(shí)在太低了，測(cè)算受到來(lái)自宇宙噪聲的影響是非常大的，比如無(wú)數(shù)高能宇宙射線都會(huì)打到實(shí)驗(yàn)儀器的周圍，產(chǎn)生出很多干擾噪聲，就像置身于一座人聲鼎沸的足球場(chǎng)中想要聽(tīng)清一只小鳥的叫聲一樣。所以，我們要想傾聽(tīng)宇宙的聲音，就需要一個(gè)非常安靜的場(chǎng)所。比如，我國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室就位于四川省涼山州錦屏水電站錦屏山隧道中部埋深2400米處，可以屏蔽大量的宇宙射線。此外，我們要想聽(tīng)到宇宙中核天體反應(yīng)的“美妙音樂(lè)”，除了安靜的場(chǎng)所外，還需要有性能優(yōu)異的“音樂(lè)播放器”。對(duì)此，我們需要突破三個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)：一是毫安級(jí)強(qiáng)流加速器，有著極高束流強(qiáng)度，能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行；二是毫安級(jí)大功率核反應(yīng)靶，具有耐高溫、耐輻照的高穩(wěn)定性；三是高效率探測(cè)器系統(tǒng)，以捕捉那些非常稀有的事件。在這三個(gè)方面，我國(guó)作出了一系列成績(jī)：一是掌握了低本底強(qiáng)流高壓加速技術(shù)，束流強(qiáng)度達(dá)到國(guó)際同類裝置最好水平；二是自主研制了mA級(jí)高功率核反應(yīng)靶，并通過(guò)多種創(chuàng)新方式增加其使用壽命；三是出色完成了高性能探測(cè)器。對(duì)此，習(xí)近平總書記在中國(guó)科學(xué)院第二十次院士大會(huì)、中國(guó)工程院第十五次院士大會(huì)、中國(guó)科協(xié)第十次全國(guó)代表大會(huì)上的講話中特別指出，“世界最強(qiáng)流深地核天體物理加速器成功出束”。在我們初步開(kāi)展的第一批實(shí)驗(yàn)中，最具代表性的工作就是測(cè)量了氟-19俘獲一個(gè)質(zhì)子形成更重的元素——氖-20的核反應(yīng)速度。

總之，我們可以以四個(gè)啟示為重點(diǎn)，進(jìn)一步總結(jié)上述關(guān)于宇宙與恒星內(nèi)容的學(xué)習(xí)體會(huì)：一是重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)往往隱身于普通的現(xiàn)象中，比如歷經(jīng)多年、先后五人都與中子的發(fā)現(xiàn)失之交臂，而查德威克通過(guò)細(xì)致的工作最終發(fā)現(xiàn)了中子；二是重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)往往出乎意料，比如彭齊亞斯和威爾遜在把衛(wèi)星天線做到極致之后，恰巧發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射；三是不要怕犯錯(cuò)誤，即錯(cuò)誤既是難免的，也是珍貴的“財(cái)富”，比如愛(ài)因斯坦在宇宙是穩(wěn)態(tài)還是動(dòng)態(tài)的問(wèn)題上犯了錯(cuò)，但卻選擇公開(kāi)承認(rèn)錯(cuò)誤并修改其場(chǎng)方程；四是不要怕困難，比如我國(guó)老一輩科學(xué)家王淦昌先生在抗日戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期，不具備做實(shí)驗(yàn)的艱苦條件下，僅靠自己的聰明才智，提出了中微子探測(cè)方法的建議。

最后，核天體物理是一門非常奇妙的學(xué)科，歡迎有志于此的優(yōu)秀青年學(xué)生加入。