很久以前,人們就注意到了當(dāng)太陽(yáng)出來(lái),大地就充滿熱量.由于人們發(fā)現(xiàn)火的顏色和太陽(yáng)很接近,就想到太陽(yáng)的溫度一定非常高.后來(lái)物理學(xué)家認(rèn)識(shí)到了太陽(yáng)發(fā)光的直接原因——太陽(yáng)可以近似地看作“黑體”,是由于具有溫度而引發(fā)的電磁輻射,稱為“熱輻射”.這和煤塊燃燒發(fā)光、鐵水發(fā)光是一個(gè)道理.不過(guò)物理學(xué)家從太陽(yáng)光的顏色判斷出,太陽(yáng)表面的溫度遠(yuǎn)比燃燒的煤和鐵水高,大約有5700K.隨著對(duì)恒星光譜的觀察,人們發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)只是一顆普通的恒星.只不過(guò)由于太陽(yáng)的信息我們了解得很多,關(guān)于恒星的問(wèn)題科學(xué)家們大都從太陽(yáng)入手解決.所有恒星的表面溫度都至少在2000K以上,最高的能達(dá)到幾萬(wàn)K.那么恒星是如何達(dá)到并保持這一溫度的呢?就像爐子燒水一樣,無(wú)論是想把水燒開(kāi),還是想讓水一直保持沸騰,都要時(shí)刻在下面點(diǎn)著火——即需要一個(gè)能量源.在原子核物理沒(méi)有誕生的時(shí)候,人們只能以地球上的能量源去想象太陽(yáng)的能量源.開(kāi)始,人們想象太陽(yáng)上的氫像地球上氫氣一樣進(jìn)行化學(xué)燃燒,但是這種燃燒大概進(jìn)行幾萬(wàn)年,太陽(yáng)就該壽終正寢了.這個(gè)壽命實(shí)在是太短了,甚至還不如人類出現(xiàn)的時(shí)間長(zhǎng).人們很快否定了這個(gè)假設(shè).1854年,一位物理學(xué)家亥姆霍茲提出了另一種假設(shè),那就是太陽(yáng)也許仍處在不斷收縮的原恒星狀態(tài),靠引力勢(shì)能轉(zhuǎn)化成熱輻射的能量.但是開(kāi)爾文對(duì)此做了細(xì)致的計(jì)算,得出了太陽(yáng)以此方式運(yùn)作,壽命最多不超過(guò)2000萬(wàn)年的結(jié)論.而當(dāng)時(shí)的地質(zhì)學(xué)家已經(jīng)從化石中找到生物存在在地球上已有1億年的證據(jù),以致開(kāi)爾文一度認(rèn)為一定是地質(zhì)學(xué)家搞錯(cuò)了.地質(zhì)學(xué)家確實(shí)搞錯(cuò)了,不過(guò)生物在地球上存在不是不超過(guò)2000萬(wàn)年,而是至少30億年.這意味著亥霍姆茲的想法不可能是正確的.1896年,一次意外的發(fā)現(xiàn)打開(kāi)了困窘的局面.彼克利爾在研究剛發(fā)現(xiàn)的X射線性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)了鈾的放射性.當(dāng)時(shí)普遍認(rèn)為只有用普通的光線照射原子才會(huì)產(chǎn)生X射線(盡管這是錯(cuò)誤的),于是他用光照射含鈾的礦物,并在一張銀箔后面放了用黑紙包住的底片.不久,底片感光了.他認(rèn)為,這個(gè)實(shí)驗(yàn)成功地產(chǎn)生了X射線.但當(dāng)他撤去光照射重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí),底片仍然感光.這說(shuō)明鈾會(huì)自發(fā)使底片感光,稱為放射性.人們發(fā)現(xiàn),放射性實(shí)際就是一種原子自發(fā)變?yōu)榱硪环N原子時(shí)放射出一些粒子(α粒子,即氦核;β粒子,即高速運(yùn)動(dòng)的電子)的現(xiàn)象.后來(lái)人們認(rèn)識(shí)到,無(wú)論是比鉛輕還是重的原子,都可能發(fā)生放射性衰變,并以α或β粒子的形式釋放出能量來(lái).這邁出了解釋太陽(yáng)能量來(lái)源的第一步.不過(guò),太陽(yáng)上天然放射性元素的含量畢竟太少了.于是,1920年愛(ài)丁頓采納了彼林的意見(jiàn),開(kāi)始考慮太陽(yáng)上含量最多的元素——?dú)?H)和氦(He).1905年愛(ài)因斯坦提出狹義相對(duì)論以來(lái),物理學(xué)家就熟悉了質(zhì)量和能量是一碼事的說(shuō)法.4個(gè)氫原子核比一個(gè)氦原子核質(zhì)量大約1/125,彼林于是提出由4個(gè)1H轉(zhuǎn)化成1個(gè)4He的同時(shí)必然要釋放能量,這稱為核聚變或熱核反應(yīng).從元素含量上來(lái)看,也確實(shí)沒(méi)有其他方法可以提供如此之多的太陽(yáng)輻射能了.但是,在20世紀(jì)20年代,人們對(duì)4個(gè)1H如何轉(zhuǎn)化成1個(gè)4He,還不是十分清楚.1938年貝思和克利特菲爾德提出,太陽(yáng)內(nèi)部進(jìn)行的熱核反應(yīng)細(xì)節(jié)應(yīng)該是如下的情況：(e-電子,e+-正電子,νe-中微子,D-氘,Li-鋰,Be-鈹,B-硼) 1H+1H=2D+e++νe 2D+1H=3He 3He+3He=4He+21H 或 3He+4He=7Be 7Be+e=7Li+νe 7Li+1H=24He 或 7Be+1H=8B 8B=8Be+e++νe 8Be=24He 盡管反應(yīng)在有些地方會(huì)分岔,但無(wú)論以那種方式進(jìn)行,總反應(yīng)都是41H=4He.反應(yīng)產(chǎn)生的e+會(huì)和e發(fā)生湮滅產(chǎn)生2個(gè)γ光子,太陽(yáng)熱輻射就是由于這些γ光子在太陽(yáng)內(nèi)部不斷與其他粒子作用,波長(zhǎng)變長(zhǎng)并加熱其他粒子造成的.中微子νe同時(shí)也帶走了一部分能量.由于這個(gè)復(fù)雜核反應(yīng)是由1H(質(zhì)子)不斷進(jìn)入而連接起各個(gè)分反應(yīng)的過(guò)程,故稱為“質(zhì)子-質(zhì)子鏈”.不僅太陽(yáng),小質(zhì)量主序星的內(nèi)部進(jìn)行的核反應(yīng)都是質(zhì)子-質(zhì)子鏈.貝思于1939年提出了大質(zhì)量主序星內(nèi)部進(jìn)行核反應(yīng)的情況.后來(lái)由勞利特森、否勒進(jìn)行了發(fā)展.具體情況如下：(C-碳,N-氮,O-氧,F-氟) 12C+1H=13N 13N=13C+e++νe 13C+1H=14N 14N+1H=15O 15O=15N+e++νe 15N+1H=12C+4He 或 15N+1H=16O(0.1%可能性) 16O+1H=17F 17F=17O+e++νe 17O+1H=14N+4He 或 17O+1H=18F 18F=18O+e++νe 18O+1H=15N+4He 加粗并劃下劃線的部分就告訴我們12C和14N這兩種最開(kāi)始需要的原子在反應(yīng)中是如何“再生”出來(lái)的.只需要很少量的12C和14N就可以引起自發(fā)的循環(huán)反應(yīng),所以這種反應(yīng)稱為“碳氮循環(huán)”.與質(zhì)子-質(zhì)子鏈一樣,碳氮循環(huán)的最終反應(yīng)也是41H=4He,并通過(guò)γ光子和中微子釋放能量.在溫度低于2000萬(wàn)K時(shí),質(zhì)子-質(zhì)子鏈起支配作用;溫度高于2000K時(shí),碳氮循環(huán)起支配作用.這也是大質(zhì)量恒星中主要是碳氮循環(huán)的根本原因.人們常說(shuō)的正在研制的“核聚變反應(yīng)堆”就是想利用質(zhì)子-質(zhì)子鏈的反應(yīng)原理.但由于反應(yīng)中分支的情況受條件影響很復(fù)雜,現(xiàn)在人們還不能在地球上制造出這種“可控核聚變反應(yīng)堆”.