太阳每秒钟损失四百万吨质量,宇宙中无数颗恒星,在遥远的将来是不是就没有物质了?

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太阳之所以能够源源不断地向外释放光和热,取决于内部时刻进行着的核聚变反应 。恒星内部都具有高温和高压的环境,在量子隧穿效应的作用下,原子序数较低的原子中的质子,就会有一定几率突破原子之间库仑力的排斥,从而进入另外一个原子核中,从而聚合成为原子序数较高的新原子,在这个过程中释放出相应的能量 。而伴随着核聚变过程中的能量释放,恒星内部组成物质的质量会发生一定的亏损,这个过程符合爱因斯坦的质能方程规律 。有的朋友不禁要问了,宇宙中有那么多的恒星,就一个太阳每秒钟就有四百万吨的质量亏损,那到头来宇宙中岂不是没有物质了?


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要回答这个问题,首先要搞清楚爱因斯坦质能方程的真正含义 。爱因斯坦质能方程的表达式为:E=m*c^2,如果仅从这个公式来看,似乎只要具有一丁点质量的物体,其就能释放出巨大的能量,有人因此提出一个粉笔头,就可以烧开供地球人100年使用的开水,其实这是对质能方程的一种误解 。质能方程的提出,其根源于爱因斯坦的狭义相对论,在洛仑兹变换下可以推导出运动物体的质量和速度之间的关系,即质速方程:m=m’/sqrt(1-v^2/c^2),然后再通过动能定理和动量定理的微积分推导出能量的变化数值Ek=m*c^2-m0*c^2,这里面的m实质上指的是物体的惯性质量,即运动质量,m0指的是物体的静止质量 。


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质能方程E=m*c^2将物体的质量和所包含的能量进行了统一,它们是一种对应的关系,而不单纯是转化的关系,也就是说我们可以将一个物体的基本属性用质量来表达,也可以用质量来表达,而物体本身所具有所有能量的变化,取决于物体静止质量的变化 。从核聚变产生的光子来看,其一经产生就具有最高的光速,就因为它本身没有静止质量的原因 。而太阳内部进行核聚变前其4个质子的质量总和,则等于反应后生成的1个氦核、2个正电子、2个中微子的质量,同时还要加上对应2个中微子、3个光子的运动能量,因此对于微观粒子构成的射线来说,其运动质量可以等同于本身的频率与运动速度的乘积 。


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我们再来看一下太阳内部的核聚变过程 。太阳的物质组成70%以上为氢,29%左右为氦,这与宇宙大爆炸38万年以后形成的宇宙原始星云物质组成比例基本一致 。太阳内核的核聚变目前来看是氢聚变为氦的过程,包括两个不同的过程,第一个是占据绝对优势的质子-质子链式反应,即4个质子聚合成1个氦原子,另外一个是碳氮氧循环,虽然也是氢聚变拟,但碳氮氧在其中充当了媒介催化作用 。在以上两种核聚变过程中,对于一个完整的周期,在反应前后仅从静止质量来考虑,只有大约千分之七左右的质量发生了亏损,也就是说这部分亏损的质量转化为了各种微观粒子的运动质量,从而以能量的形式进行释放 。


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因此,我们说太阳每秒钟亏损400万吨质量是不准确的,它只是每秒参与核聚变氢元素的质量,实际上“亏损”的质量每秒钟仅有3万吨,这与太阳的整体质量相比简直不值得一提,在近50亿年的漫长岁月里,其总质量的减小也仅有百万分之一级别,而氢元素的减小也还不到百分之一,预计在整个主序期阶段,太阳质量的减少也仅会达到3%左右 。大约在15亿年之后,由于氢元素消耗得差不多了,内核氦元素越积越多,由于其核反应的剧烈程度要明显大于氢,因此向外的辐射压就会明显增大,体积迅速膨胀,形成红巨星 。在红巨星进入尾声阶段后,就会重新发生物质坍缩,最后形成内核不再发生核聚变的白矮星 。


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而对于质量更大的恒星来说,其内核的温度和压力,可以继续支撑着氦或者以上元素的核聚变,一直到达铁为止,由于铁的比结合能最高,因此一旦聚变到铁,恒星内核的核聚变就会停止,恒星就会发生剧烈的坍缩,最后形成中子星或者黑洞 。而在此过程中,随着外壳物质的急速坍缩,可能会重新激发沿途区域发生核聚变,形成不可控状态,同时伴随着坍缩至内核表面引发的超级激波,恒星大部分组成物质就会被抛洒出去,同时释放巨量的能量,从而形成许多比铁原子序数还要高的重元素,成为接下来宇宙天体形成演化的重要物质来源 。


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通过以上的分析,我们可以看出,恒星在主序期阶段所“亏损”的质量,与其本身原有的质量相比并不是太大,而且通过核聚变反应,大部分能量都以新形成元素的原子内能加以保留,成为以后新天体聚合的能量来源 。而另外一部分以高能粒子的形式向宇宙空间中散发,但是这些能量并未消失,也会以多种方式转化为其它天体组成物质的内能,因此宇宙空间中能量是遵守能量守恒定律的 。


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但是,鉴于宇宙膨胀的事实,无论是物质的质量也好,还是物质所蕴含的能量也好,在空间的膨胀作用下就会发生质量密度和能量密度不断减小的趋势 。基于此,科学家们结合暗能量理论,分别提出了三种宇宙终极的发展演化模型,第一是热寂假说,第二是大撕裂假说,第三是大挤压假说,其中热寂假说提出在宇宙持续膨胀的情况下,宇宙中所有物质的结局将会衰变为光子和轻子,整个宇宙处于热平衡状态,不会再出现任何形式的信息交流 。大撕裂假说也是基于宇宙不断膨胀出发,结局将是所有物质都会在空间不断拉大之下被撕裂,所有原子也都发生分离,物质不复存在 。大挤压假说是基于暗能量所提供的排斥力,在某一阶段会被暗物质和万有引力所提供的吸引力所超过,宇宙在膨胀到一定程度以后重新收缩,最后归结于体积无限小、质量无穷大、能量无限高的奇点之上 。


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从以上从三种宇宙结局的假设可以看出,所有物质可能都不复存在,只有能量在维持着宇宙的存在状态 。而根据爱因斯坦的质能方程,物体的质量和能量是相互统一的,即使可以观测的“物质”不复存在,那么能量也是物质存在的一种基本属性,我们不能理解成宇宙最终没有物质存在,只是变换了一种存在的方式而已 。

其他网友观点

关于这个问题,实际上,我们要搞懂一件事情,那就是这个世界上存在100%的物质转化能量的事情么?确实有,目前,我们已经的是正反物质的湮灭,可以实现物质到能量的百分之百转化 。但是,核聚变反应不是这样的,那核聚变反应的转化率是多少呢?

这样从恒星内核的核聚变说起 。我们的太阳的形成目前主流的假说是星云假说,说的是太阳是由宇宙中的星云物质在引力的作用下形成的 。而由于自身的引力巨大(主要是质量特别大),内核的温度极具升高,然后达到了可以发生核聚变反应的程度,于是太阳就被点燃了 。而燃料是什么呢?

在宇宙中,99%以上的元素是氢和氦 。大部分的恒星燃料其实都是氢,太阳也不例外 。所以,恒星核心的反应其实是氢核聚变反应 。主要是由两种方式,一种叫做质子-质子反应链 。氢发生热核聚变到氦-4 。


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另外一种叫做碳氮氧循环,同也是氢发生热核聚变到氦-4,只不过在这个过程中由碳、氮、氧作为反应的催化剂 。


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整个过程中会释放大量的能量,但是如果你注意一下,就会发现,反应前后都是有物质的,只是原子核发生的变化 。并不是说氢完全转化成了能量 。而且整个过程只有不到1%的物质转化成了能量,准确来说是0.7% 。

而当恒星作为主序星燃烧相当长一段时间后,由于损失了大量的质量,引力对于核心热核聚变的能量下降,这时候,恒星就会膨胀开来,就拿太阳来说,它在作为主序星燃烧100亿年后,就会变成一颗红巨星,这是内核的核聚变反应向外的压力把外部的物质推出来的结果,到那个时候,太阳的大气都会接近地球轨道 。


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紧接着,氢继续燃烧着,直到含量极其低 。这时候内核的温度就不足以支持氦的燃烧 。于是,核心就会在引力的作用下被压缩,温度持续上升 。直到温度达到可以让氦发生热核反应为止 。

所以,其实恒星是元素的炼丹炉,一步步合成更大原子序数的元素 。不过,也不是没有终点,那就是铁 。铁的核聚变反应所需要的能量要比铁核聚变释放的能量要大,也就是说,入不敷出了 。因此,一般来说恒星都是停留在铁以及铁之前的元素 。


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但也有例外,如果恒星的质量足够大,那就有可能会发生超新星爆炸,恒星会把自己的物质抛洒到太空当中,并且合成高顺位的元素 。


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发生超新星爆炸的恒星,有可能形成中子星,超新星爆炸之后的物质质量还足够大,也有可能形成黑洞 。


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所以,纵观整个恒星的起源到死亡,其实最终物质到能量的转化不足1%,并不是说,整个恒星都变成了能量 。因此,从这个角度来下这个结论是不合理的 。

那最终宇宙的有没有可能变成一团能量呢?

其实这就要说到关于宇宙的末日了 。目前来说,关于宇宙的末日,有很多种说法 。这里要多说一句,其实科学的假说,和我们一般说的假说是不太一样的,它是需要一定的理论和证据支持的,而不是胡说 。

那关于宇宙末日的假说,我们这里提三个,首先是热寂说,这其实是从熵增原理导出来的结果,如果我们能够把宇宙开成是一个系统,系统的熵会增加,也就是混乱程度会增加 。


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那热寂说说的就是,宇宙整体的混乱程度会随着时间的推移而变大,最后熵达到最大时,所有组成恒星和星系的物质都衰变成为光子和轻子,宇宙中的各种有效能力就会全部转化为热能 。所以在热寂说中,最终不存在物质,都成了热能 。


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除了,热寂说,还有大撕裂说,其实目前来看,我们的宇宙正在加速膨胀,如果这样的情况一直持续下去,宇宙中的所有物质都会撕裂,物质都无法构成,原子都会被摧毁 。所以,在这个假说中,宇宙中的物质都不存在了 。


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有大撕裂,就有大挤压,说的是,如果未来宇宙中引力占了上风,宇宙就有可能在引力的作用下被压到一个点上,物质也就不复存在了 。宇宙变成当初大爆炸之前的炽热状态 。

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所以,无论是大挤压还是大撕裂,最终物质都会被销毁,只剩下能量 。所以,纵观三个宇宙末日的假说,其实都说明了物质被销毁,只剩下一坨能量的事情,分别只是这坨能量的存在形式有所不同 。

其他网友观点

感谢邀请 。

虽然太阳由于核聚变反应每秒钟消失四百万吨物质,但是和其他恒星相同这种反应并不会一直进行下去,而且即使恒星熄灭后,也会转变为其他形态,并不能完全反映整个宇宙的命运 。巧合的是宇宙的未来可能真的没有物质 。


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恒星命运

恒星是宇宙中一类特殊的天体,由于引力的作用,恒星可以通过核聚变反应点亮自己,向宇宙释放光和热 。我们知道恒星可以稳定发光发热,主要是由于其自身的引力与其内部核聚变的“膨胀力”达到平衡状态,因此恒星的最终命运和其质量大小有关 。

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恒星的命运按其质量大小,主要分为三个方向:

a、白矮星、

当恒星内部停止进行核聚变时,质量小于钱德拉塞卡极限的恒星将转变为白矮星,钱德拉塞卡极限为1.4倍太阳质量,由于恒星内部没有能量产生,在自身引力的影响下,恒星物质会处于极高的密度状态,这些物质处于电子简并压态用以抵抗自身引力的塌缩效果,虽然白矮星形成时温度很高,但是由于没有能量来源,随着时间流逝,其会逐渐耗尽热量变成黑矮星 。

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b、中子星

当恒星的质量大于钱德拉塞卡极限且小于奥本海默极限时,随着恒星内部核聚变的停止,由于引力坍缩会引发超新星爆炸,恒星的内核物质在巨大的压力作用下使电子与质子反应变成中子,从而使整个星体处于中子简并态,这时中子星就诞生了 。奥本海默极限约为太阳质量的3.2倍 。

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c、黑洞

当恒星的质量大于奥本海默极限时,这类恒星演化末期,由于没有任何能量可以抵消巨大的万有引力收缩作用,所有的物质都会向中小无限塌缩,形成一个奇点,奇点通常被认为是密度无限高,由于奇点引力巨大,即便是附近的光也会被它拉住,从而形成一个不可见的界限,被称为事件视界,由于事件视界和光速极限的影响,我们不可能直接观测奇点 。

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其实在中子星和黑洞之间还可能存在一种夸克星,由于夸克只存在于原子内部,不会单独存在,所以宇宙中可能不会有夸克星,但是还有另外一种说法,如果夸克星存在,那么它可以看做是由单个中子构成,这个中子的直径为七八公里左右 。总而言之夸克星目前还有争议 。

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宇宙命运

因为恒星熄灭之后会转变为其他状态,所以并不能完全反映宇宙的命运 。随着宇宙大爆炸理论逐渐得到认可,目前认为宇宙有三种命运方向:

1、大撕裂

现代天文观测发现宇宙处于膨胀状态,而且还在加速膨胀,造成这种现象的原因可能和暗能量有关 。该观点认为,伴随着宇宙的膨胀,所有的星系都会逐渐远离,这种效应会逐渐扩散到星系内部,直至每一个星球、每一个原子,都会被撕碎,最终整个时空也被撕碎 。目前对于暗能量的存在与否和其作用效果还有很大的争议 。

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2、热寂

由热力学第二定律我们知道,孤立系统中熵会随着时间的流逝而逐渐增加,当宇宙中所有的物质达到热平衡状态,宇宙就会处于热寂状态 。我们获取能量从本质上来说就是依靠温度差,不管是人类社会还是宇宙天体,都存在这种温度差,随着时间流逝,当宇宙中所有的恒星都熄灭,所有的物质都衰变为光子时,宇宙会逐渐转变为最低能量状态 。对于热寂学说也是有许多反对观点,比如由于引力的作用,任何形式的能量可能最终依然会回流到物质本身,这就造成温度差会永远存在 。

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3、大坍缩

现代科学认为宇宙诞生于百亿年前的奇点膨胀,伴随着奇点的膨胀,所有的物质抛向宇宙之中,但是由于引力的作用,这些物质又会仅仅的联系在一起,在未来由于引力的影响,宇宙可能会停止膨胀并逐渐缩小,所有的物质最终会聚拢在一起并形成奇点,这就是大坍缩 。和以上两个宇宙命运类似,大坍缩也是有争议的,由于对暗物质与暗能量知之甚少,宇宙总质量和其引力效果也就无法估算,但目前的观测数据倾向于大坍缩不会发生 。

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结语

恒星内部的核聚变反应虽然会消耗物质,但是这种反应并不会一直进行,伴随着核聚变的停止,恒星因质量不同会有不同的命运 。但是放眼整个宇宙,随着时间的流逝,宇宙可能会有三种命运,这三种命运的最终结果有一个共同点,那就是物质会消失,当然我所说的物质只是传统意义上由原子构成的物质 。

感谢浏览,我是漫步的小豆子,科学之旅,并肩前行,欢迎关注 。

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