宇宙の鍊金術師 － 恆星［國際光之年］

莎士比亞的王子復仇記中，Hamlet寫了一封信給Ophelia，內容是這樣的：

Doubt thou the stars are fire; doubt that the sun doth move; doubt truth to be a liar; but never doubt I love.

你可以懷疑星星都是火焰；你可以懷疑太陽其實是在天上移動；你可以懷疑真理都是謊言；但永遠不要懷疑我的愛。

可惜沒有人會當面更正Hamlet，星星的確星一團“火焰”呢。

同樣的誤解也出現在獅子王（Lion King）中：

Pumbaa：Timon，你有試猜過天上的小星星是甚麼嗎？
Timon：我不用猜，我知道是甚麼。
Pumbaa：噢，那是甚麼？
Timon： 是螢火蟲啦，螢火蟲飛上去時給那些藍藍黑黑的東西黏住了。
Pumbaa：噢…我還經常以為那些是幾十億里外燃燒著的氣團呢。
Timba：Pumbaa，和你在一起，甚麼都變成是氣體了。

其實，Pumbaa是對的，星星的確是在宇宙間燃燒中的氣體。

可是，是甚樣燃燒的呢？

會不會是簡單如我們日常見到的燃燒過程？

在19世紀初，就已經有人計算，如果假設整個太陽都是由氧和炭組成，那普通方式燃燒達致太陽的亮度，太陽到底可以燃燒多久？ 計算出來的答案是1000年左右。

你也覺得不可能吧… 那不就表示最早要在宋朝開始才有太陽出現？即使以當時已知最強的化學反應去計算也只能得出三千年的時間。當時的宇宙觀是由教會主導，大眾主要信奉一位17世紀德高望重的愛爾蘭大主教James Ussher的學說。Ussher以聖經為根本，推論出世界是於公元前4004年的秋分（以當時的朱利安曆proleptic Julian Calendar計算），即10月22日星期六黃昏6點創造（Annals of the World, 1650）。以當時的想法，那太陽至少要有5千多年的壽命才合理。

James Ussher 1581-1656

到了1854年，英國科學家William Thomson(即後來的Lord Kelvin，計算出絕對零度是-273.15°C的那個科學家)嘗試以重力產生的能量去解釋太陽的熱力之源。

William Thomson (aka Lord Kelvin) 1824-1907

當時物理學的巨頭們，包括德國的Helmholtz、Mayer、蘇格蘭的Waterson等都覺得引力是太陽發熱發亮的來源。(其實，他們當時除了引力之外，對其他能量來源所知甚少…)Thomson和Helmholtz提出兩個太陽發光的能量源：

1. 隕石撞擊太陽表面所釋放的能量轉化為太陽的能量。
2. 太陽在塌縮的過程中，釋放的能量成為了熱能。

聽起來好像天方夜譚吧，不過當時這可是一個相當革新的看法呢。

1854年，Lord Kelvin宣布他用隕石撞擊的模型計算出太陽的壽命約二千萬年。似乎和當時的宇宙觀十分脗合。不過，天文觀測却少有看見大量隕石撞擊太陽去提供這龐大的能量。

於是在1862年，Lord Kelvin用太陽表面塌縮的模型重新計算，得出太陽壽命約三千萬年的上限。

其實，當中是有一些"小"插曲的。1859年，達爾文（Charles Darwin）發表了他對物種演化的著作物始原種（On the origin of species by natural selection）。當中他推論土谷剝蝕需要約三億年的時間，所以地球的年齡至少有三億年以上。這和Lord Kelvin的計算就不符了，因為地球不可能早於太陽誕生。

Charles Darwin 1809-1882

當然，Lord Kelvin是堅信自己的演算是正確無誤的。所以他不停撰文攻擊達爾文。當時Lord Kelvin是一位英國科學界享負盛名的名人，大家都對他的計算深信不疑。所以，在物始原種的最後版本之中，達爾文把所有有關提及時間推論的字眼都刪去…他於1869在寫給他同事Alfred Wallace的信中提到：

Thomson's views on the recent age of the world have been for some time one of my sorest troubles.

於是大家就高高興興以為問題終於解決了⋯

不過，在往後的幾十年間，物理的發展是人人都始料不及的。

1896年，Röntgen和Becquerel發現了放射性物質。科學家發現放射性能夠利用來作物質的年齡鑑定。其後以放射性鑑年法，地質學家斷定地球的年齡是46億年。如果這是對的話，那Lord Kelvin的理論就可以宣判死刑了。

1905年，愛因斯坦提出了E=mc²的質能互換公式。當然，他還不知道應該怎麼應用⋯

到了1920年，事情出現了轉機。
英國物理學家Aston發現四個氫原子核竟然比一個氦原子核重0.7%。當時科學界幾乎都肯定四個氫原子核（四個質子）和一個氦原子（兩個中子和兩個質子）是差不多一樣重的，至少不會有7%的差距。

英國天文學家Eddington作為英國當時少數熟悉相對論的學者之一，自然會聯想到這消失的0.7%會否和能量有關係？宇宙中存在大量的氫氣，如果有機制解釋由氫轉化成其他元素的方法的話，地球上不同的元素的來源可能就有解釋了⋯

愛因斯坦和Eddington

於是，同年Eddington提出太陽的能量來源是來自於這0.7%的質量差距—核子融合反應。他猜想，如果氦氣是由4個氫原子組成的話，那當中的質量會有0.7%是消失了的。這些能量有可能經由愛因斯坦的質能轉換方程式E=mc²轉化成能量了。這些能量就是太陽發光發熱的來源。

這個過程我們稱之為核聚變（Nuclear Fusion）。核聚變是甚麼？好！先溫習一下中四的化學課。

地球上有各種不同元素，都是由不同的原子所組成。原子裹面由各種數量的質子、中子和電子組成。質子和中子的重量差不多，電子則只有約中子8000分之一的重量。

大部份的氫擁有一粒質子、一粒電子。

大部份的氦擁有兩粒質子、兩粒中子和兩粒電子。

氫（左）和氦（右）原子結構

如果有方法強行擠壓四個氫原子核在一起的話，經過核子反應，是會聚成一個氦原子的。就是把輕的元素聚變成較重的元素的一個過程。

簡化版氫核聚變

同樣道理，就好像鍊金術一樣，其他更重的元素也能經同樣過程轉成再重的元素。

Eddington提出太陽中蘊含大量的氫原子，這些氫原子在不停轉化成氦原子。這就能提供足夠而且穩定的能量去支持太陽發熱發光。那核聚變的能量到底有多大呢？

1克的氫轉化成0.993克的氦，那0.007克的質量所產生的能量轉化成內功輸入我體內，我可以抱起一艘載滿貨物的貨輪（以6萬噸計）由山腳帶上大帽山了。

太陽的總質量大約是198,855,000,000,000,000,000,000,000,000,000克，不用經過計算都能感受到那龐大的能量了吧。

隨後幾代的物理學家，包括Gamov、Bethe、Schwarzschild等等，再進一步發展這套理論，現在，我們一般相信太陽，甚至宇宙中的所有恆星都是經過核聚變，把質量轉化成能量去提供給恆星發光發熱。

以太陽計算，如果使用核聚變發光的話，太陽的壽命約為100億年。估計現在太陽已形成了約50億年。所以，太陽離“燃料耗盡”的日子尚餘50億年的時間。

進入21世紀，世界開始關注傳統石油能源即將耗盡的問題，所以近幾十年很多公司機構努力投入資源開發新能源，太陽能是其中之一。

使用太陽能主要是利用一種半導體造成太陽能板，放在能接收陽光的地方去吸收太陽能替水管加熱或轉化成電力。這種發電方法乾淨、對環境的破壞亦小，而且至少可以再用個50億年，所以很多公司都在努力開發不同方法收集太陽能並且降低成本。

家居使用太陽能板

不過，早在上世紀五十年代，科學家已經以另一種方式的太陽能在發展。概念是在地球造人工太陽！如果能在地球上造一個小型的太陽，我們不就可以不停的收集巨大的能源了？

蜘蛛俠中，八爪魚博士就成功製造過人工太陽

聽起來好像很好，又好像很簡單，其實不然。

要做一個人工太陽，即是要在地球複製一個核聚變反應堆。可以要產生核聚變，必需要有至少攝氏1億度的高溫，而且要有十分高壓的環境使燃料聚在一起。太陽的內部本身就能提供這類環境，所以太陽發生核聚變是很自然的事，但如何在地球複製這樣的環境呢？

這個工程看似Mission Impossible，但科學家可不會這麼簡單就打退堂鼓的。

前蘇聯在1950年代就發明了一個設施—TOKAMAK。它是一個大型的機器，科學家把氫離子注入TOKAMAK之內，用磁場把離子漿提昇起來並開始加速，使離子在一個圓環的軌道之中流動。科學家期望當溫度達至1億度的時候就會點燃核聚變。

利用磁場使離子漿離地 - from WIKI

TOKAMAK運作原理

另一個較新的方法，是美國的NIF（National Ignition Facility）。概念是用192支高能量的雷射槍分佈於一個球形設施之中，然後同時向一個氫氣丸射出雷射光束。在短時間內，氫氣丸會被加熱至高溫，然後會產生爆炸。根據牛頓力學第三定律，當氫氣丸的外殼發生爆炸後，氫氣丸內部會被瞬間加壓從而達至高溫高壓的條件。這樣內裡的氫氣粒子就會自動引發核聚變。

"盛載"核聚變的"容器" - credit: NIF

容器裡每一個洞將會放入一條雷射束 - credit: NIF

NIF運作原理，有興趣可看全片。

雖然直至現在這兩個實驗還未能提供穩定的核聚變反應，但世界上有幾十個國家正進行規模不一的TOKAMAK和NIF實驗。原因？

核聚變能提供十分潔淨的發電方法，因為核聚變的副產品主要是氦、碳、氧、鐵等元素，不帶幅射。而且，發電量是大得驚人的，如果一個核聚變反應堆能建成，你放一杯水入去作燃料，發電量足夠一個香港般的大城市用一個星期！

還有，原油價格不停升，升至100美元一桶，難保有一天會升至300美元一桶甚至更高，如果你的國家有一個核聚變的發電機，人家賣一千美元一桶石油還關你事嗎？

所以成日有人問我天體物理有咩用，等人工核聚變成功了時我就又多一個答案可以提供了。