恒星能量的来源

约翰·赫歇耳在1833年的一本书中提到“太阳光是地球上一切动力的最终源头”。太阳既然如此重要，那么它是如何发光的？它的光芒照耀了多少年？这样的问题是19世纪物理学家们的难题。

德国物理学家亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz，1821－1894）在1854年提出太阳的能源来自大质量的收缩。后来被册封为开尔文勋爵的英国物理学家威廉·汤姆逊（William Thomson，1824－1907）与亥姆霍兹一样认为太阳的能源转化自引力势能，并具体提出是持续不断的原初流星撞击到太阳上形成了太阳能源。1862年开尔文以他的权威宣布：“流星理论”能给予太阳能量来源真实的完全的解释。该理论能提供给太阳二千万年的发光时间。

达尔文（Charles Darwin，1809－1882）在1859年出版的《物种起源》中提出，通过他对横亘在英国南部的一条山谷的观察，根据当时测得的冲蚀速度，估算出形成这样一条山谷需要3亿年时间。进化论者需要更长的地球年龄来允许物种进行分化达到当前的多样性。更多的地质学证据也显示地球有更为古老的年龄。

开尔文等以太阳和地球的年龄不能倒挂为由反对进化论，但地质学上的证据也越来越有说服力。这对矛盾直到20世纪早期才得以解决。1905年，爱因斯坦（Albert Einstein，1879－1955）提出狭义相对论，该理论的一个重要推论就是质能方程E＝mc2。质能方程显示一小点质量也能产生巨大的能量。看来答案在这个方程里。但是要用爱因斯坦质能方程来解释太阳能量的来源，并不是那么简单的一件事情。

1920年阿斯顿（Francis William Aston，1877－1945）用他发明的质谱仪发现4个氢原子核比一个氦原子核重——阿斯顿因他的质谱仪及其带来的发现获得1922年诺贝尔化学奖。爱丁顿立刻认识到阿斯顿发现的重要意义。在同年的一次会议上爱丁顿指出太阳可以通过4个氢核聚变成一个氦核而发光。根据爱因斯坦的质能方程，这个聚变反应可以把0.7%的质量转化成能量，太阳因此可以照耀一千亿年。

这样一来，进化论者和地质学家固然可以不必担忧太阳太年轻了，但是太阳和所有恒星内部核聚变反应的详细过程还有待进一步弄清。

通过20世纪30年代几位物理学家和天文学家的工作，这个问题慢慢明朗。英国的亚特金森（Robert dE Atkinson，1898－1982）和荷兰的霍特曼斯（Friedrich Georg Houtermans，1903－1966）在1929年提供了一个恒星内部轻元素之间核反应的初步理论。后来德国的范·魏兹扎克（Carl Friedrich von Weizsacker，1912－2007）解决了进一步的反应如何产生比氦更重的元素的问题。

最后，出生于德国的贝特（Hans Albrecht Bethe，1906－2005）于1939年在康耐尔大学提出一个被普遍认为是切实可行的的机制，该机制与已知的核物理学知识和被公认的恒星内部密度、温度条件相一致——贝特因此而获得1967年的诺贝尔物理学奖。按照贝特的理论，在太阳内部发生着两种类型的核反应：“质子—质子”链反应和“碳—氮—氧”循环反应。