《流浪地球》中的氦闪究竟是什么？ | 袁岚峰

2023-01-17 12:01

大年初一，《流浪地球2》将带领大家再次回到氦闪的世界。氦闪是什么？看过原著的人知道，它对地球是一种致命的灾难，一闪过后毁天灭地。正是为了躲避氦闪，人们不得不让地球离开太阳系，为此建造了大量的行星发动机，让地球停转，住到地下，开启了苦难的行军。不过，氦闪究竟是什么？

顾名思义，“氦”说明它是氦元素聚变，“闪”说明它是一种瞬时性的现象。如果你是一个勤于思考的人，而且你知道太阳现在的主要成分是氢，它正在把氢聚变成氦，那么你就会问：为什么氢聚变不会闪，而氦聚变就会闪？

非常好的问题！如果你能从这个角度去思考，你的思维水平就超过了90%的人。下面，我们就先来解释一下为什么氢聚变不会闪。

答案非常有趣：太阳里存在一个自发的负反馈机制，就像人体维持体温、血压、pH值等指标稳定的负反馈机制一样。核聚变需要非常高的温度和压强才能发生，而太阳的核心刚好达到了氢聚变的条件，可以让氢聚变成氦。太阳物质的万有引力使得它们向内塌缩，而氢聚变的能量使得它们向外膨胀，两者刚好达到平衡。最奇妙的是，这个平衡是自我维持的。

为什么呢？因为如果核聚变太快了，放出的能量太多，核心就会膨胀，这会让核心的温度下降，于是核聚变又会变慢一些，恢复了平衡。反之，如果核聚变太慢了，放出的能量太少，核心就会收缩，这会让核心的温度上升，于是核聚变又会变快一些，同样恢复了平衡。这个负反馈机制导致，几十亿年来太阳一直在以相对稳定的速度燃烧氢。这对我们是一个巨大的好消息。假如不是这样，太阳辐射忽高忽低，那么地球上的生命早就死光光了！因此，我们习以为常的“万物生长靠太阳”，其实是一种巨大的幸运。

下面，我们再来解释为什么氦聚变就会闪。答案你已经能猜到了：氦聚变没有这样的负反馈机制。但为什么没有呢？

这里的基本原因在于，氦聚变难以点燃。两个原子核要聚变，首先要克服双方带正电的质子之间的排斥力。而氦有两个质子，氢只有一个质子，因此让两个氦聚到一起更困难，需要的温度更高。当太阳核心的氢消耗殆尽时，里面全都是氦，却不能发生聚变。这些氦就好比煤炉中煤炭燃烧剩下的灰烬，被称为“氦灰”。

太阳核心的氦灰在万有引力的作用下会继续向内塌缩，然后有趣的来了：氦进入了量子力学的“简并态”！所有的微观粒子分为两类，费米子和玻色子，例如电子、质子、中子属于费米子，光子属于玻色子。费米子要满足泡利不相容原理，即两个粒子不能属于同一个状态，而玻色子不需要满足泡利不相容原理。大家在高中学的原子中的电子排布，就是由泡利不相容原理决定的，所有可选的能级从低到高一路排上去，因为不能有两个电子挤在一块。当氦被挤得非常紧密时，它们的电子就处于所有可占据的低能级都排满了的状态，再来一个只能往上排。这种状态就叫做简并态，由此产生的压强叫做简并压。简并的意思是多个粒子处于同一个状态，简并压的意思是由于“粒子不愿意简并”产生的压强。

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

简并压有个要命的特点：它跟温度没有关系，只跟粒子密度有关。这个特点很要命，是因为它破坏了前面说的负反馈机制。当氦在引力的作用下向内塌缩时，温度升高，但压强不变，这就使得氦出现了一个奇异的场景。一开始温度比较低，氦完全不聚变。直到温度高达一亿度，这时氦终于被点燃了。但由于简并压与温度无关，它不能通过体积自发膨胀让聚变减速，反而是聚变放出的能量让温度升得更高，让更多的氦聚变。也就是说，只有正反馈，没有负反馈。这样的系统会发生什么？一场失控的爆炸。

这就是氦闪！在以秒计的时间里，太阳核心的氦剧烈地燃烧，产生的能量比平时高千亿倍。这时一个太阳的能量输出，顶得上整个银河系。因此，《流浪地球》里把它描述成毁灭性的闪光，是有道理的。

然而如果细究起来，这个描述其实不对。因为氦闪的能量爆发只是在太阳的内部，这些能量大部分被太阳本身吸收了，以至于在外界几乎看不出太阳的亮度有什么变化。因此，目前我们还没有观测到一颗氦闪的恒星，因为缺少观测的方法，这是一个活跃的研究前沿。

《流浪地球》原著里对氦闪的另一个描述是正确的：“太阳将变为一颗巨大但暗淡的红巨星，它膨胀到如此之大，地球将在太阳内部运行！”所以氦闪本身不是灾难，但伴随氦闪的太阳膨胀是灾难。太阳为什么会膨胀？因为当太阳核心的氢耗尽时，随着核心温度的继续升高，核心边缘一层本来不能聚变的氢开始发生聚变。它产生的能量会把太阳外层向外掀，让太阳急剧膨胀。不过书里还是有点小错误，它说太阳变成红巨星发生在氦闪之后，实际上应该是之前。