《流浪地球》中的氦閃究竟是什麼？ | 袁嵐峯_風聞

大年初一，《流浪地球2》將帶領大家再次回到氦閃的世界。氦閃是什麼？看過原著的人知道，它對地球是一種致命的災難，一閃過後毀天滅地。正是為了躲避氦閃，人們不得不讓地球離開太陽系，為此建造了大量的行星發動機，讓地球停轉，住到地下，開啓了苦難的行軍。不過，氦閃究竟是什麼？

顧名思義，“氦”説明它是氦元素聚變，“閃”説明它是一種瞬時性的現象。如果你是一個勤于思考的人，而且你知道太陽現在的主要成分是氫，它正在把氫聚變成氦，那麼你就會問：為什麼氫聚變不會閃，而氦聚變就會閃？

非常好的問題！如果你能從這個角度去思考，你的思維水平就超過了90%的人。下面，我們就先來解釋一下為什麼氫聚變不會閃。

答案非常有趣：太陽裏存在一個自發的負反饋機制，就像人體維持體温、血壓、pH值等指標穩定的負反饋機制一樣。核聚變需要非常高的温度和壓強才能發生，而太陽的核心剛好達到了氫聚變的條件，可以讓氫聚變成氦。太陽物質的萬有引力使得它們向內塌縮，而氫聚變的能量使得它們向外膨脹，兩者剛好達到平衡。最奇妙的是，這個平衡是自我維持的。

為什麼呢？因為如果核聚變太快了，放出的能量太多，核心就會膨脹，這會讓核心的温度下降，於是核聚變又會變慢一些，恢復了平衡。反之，如果核聚變太慢了，放出的能量太少，核心就會收縮，這會讓核心的温度上升，於是核聚變又會變快一些，同樣恢復了平衡。這個負反饋機制導致，幾十億年來太陽一直在以相對穩定的速度燃燒氫。這對我們是一個巨大的好消息。假如不是這樣，太陽輻射忽高忽低，那麼地球上的生命早就死光光了！因此，我們習以為常的“萬物生長靠太陽”，其實是一種巨大的幸運。

下面，我們再來解釋為什麼氦聚變就會閃。答案你已經能猜到了：氦聚變沒有這樣的負反饋機制。但為什麼沒有呢？

這裏的基本原因在於，氦聚變難以點燃。兩個原子核要聚變，首先要克服雙方帶正電的質子之間的排斥力。而氦有兩個質子，氫只有一個質子，因此讓兩個氦聚到一起更困難，需要的温度更高。當太陽核心的氫消耗殆盡時，裏面全都是氦，卻不能發生聚變。這些氦就好比煤爐中煤炭燃燒剩下的灰燼，被稱為“氦灰”。

太陽核心的氦灰在萬有引力的作用下會繼續向內塌縮，然後有趣的來了：氦進入了量子力學的“簡併態”！所有的微觀粒子分為兩類，費米子和玻色子，例如電子、質子、中子屬於費米子，光子屬於玻色子。費米子要滿足泡利不相容原理，即兩個粒子不能屬於同一個狀態，而玻色子不需要滿足泡利不相容原理。大家在高中學的原子中的電子排布，就是由泡利不相容原理決定的，所有可選的能級從低到高一路排上去，因為不能有兩個電子擠在一塊。當氦被擠得非常緊密時，它們的電子就處於所有可佔據的低能級都排滿了的狀態，再來一個只能往上排。這種狀態就叫做簡併態，由此產生的壓強叫做簡併壓。簡併的意思是多個粒子處於同一個狀態，簡併壓的意思是由於“粒子不願意簡併”產生的壓強。

https://scienceatyourdoorstep.com/2020/08/24/helium-ignition-in-stars/

簡併壓有個要命的特點：它跟温度沒有關係，只跟粒子密度有關。這個特點很要命，是因為它破壞了前面説的負反饋機制。當氦在引力的作用下向內塌縮時，温度升高，但壓強不變，這就使得氦出現了一個奇異的場景。一開始温度比較低，氦完全不聚變。直到温度高達一億度，這時氦終於被點燃了。但由於簡併壓與温度無關，它不能通過體積自發膨脹讓聚變減速，反而是聚變放出的能量讓温度升得更高，讓更多的氦聚變。也就是説，只有正反饋，沒有負反饋。這樣的系統會發生什麼？一場失控的爆炸。

這就是氦閃！在以秒計的時間裏，太陽核心的氦劇烈地燃燒，產生的能量比平時高千億倍。這時一個太陽的能量輸出，頂得上整個銀河系。因此，《流浪地球》裏把它描述成毀滅性的閃光，是有道理的。

然而如果細究起來，這個描述其實不對。因為氦閃的能量爆發只是在太陽的內部，這些能量大部分被太陽本身吸收了，以至於在外界幾乎看不出太陽的亮度有什麼變化。因此，目前我們還沒有觀測到一顆氦閃的恆星，因為缺少觀測的方法，這是一個活躍的研究前沿。

《流浪地球》原著裏對氦閃的另一個描述是正確的：“太陽將變為一顆巨大但暗淡的紅巨星，它膨脹到如此之大，地球將在太陽內部運行！”所以氦閃本身不是災難，但伴隨氦閃的太陽膨脹是災難。太陽為什麼會膨脹？因為當太陽核心的氫耗盡時，隨着核心温度的繼續升高，核心邊緣一層本來不能聚變的氫開始發生聚變。它產生的能量會把太陽外層向外掀，讓太陽急劇膨脹。不過書裏還是有點小錯誤，它説太陽變成紅巨星發生在氦閃之後，實際上應該是之前。

無論如何，太陽將來確實會成為我們的毀滅之源。為此我們也確實需要想辦法，無論是帶着地球流浪還是拋下地球流浪，還是移居到另一個地球。不過並不像科幻作品那樣着急，因為太陽目前的氫燃料還很充足，它變成紅巨星應該是在50億年之後，而不是幾百年甚至幾十年。然而能讓我們居安思危，胸懷宇宙，就是了不起的價值。