太阳的加热功率密度其实比人低

近日，中国东方超环实现了7000万摄氏度1056秒的长脉冲高参数等离子体运行。

这种装置，东方超环，有一个更响亮的名字——托卡马克。这是20世纪50年代苏联科学家发明的环形容器。它是一个具有强磁场的环形真空室。在托卡马克中，强磁场是带电等离子体本身的容器，没有任何物理物体与等离子体直接接触，因此等离子体可以被加热到非常高的温度。当等离子体的温度足够高，氘和氚核的热运动可以克服它们之间的库仑势垒(两个核接近核聚变需要克服的静电能垒)时，它们会碰撞在一起形成氦核，释放出一个中子和大量的能量，这就是核聚变。

核聚变也是太阳的能量来源，这也是这类装置被称为“人造太阳”的原因。然而，其中隐藏着一个有趣的事实。其实太阳的温度没有“人造太阳”高，加热功率密度甚至比人还低。

“纯天然”不如“人工仿”

“人造太阳”的温度比真实太阳高。当然，不仅仅是太阳表面的5500摄氏度。虽然人类仍然没有能够承受这么高温度的材料，但是达到这个温度还是很容易的。电弧焊接的电弧温度往往可以高达6000-8000摄氏度。我们真正需要比较的是发生核聚变的太阳核心，那里的温度在1500万摄氏度左右。

乍一看，1500万摄氏度是一个非常高的温度。但只要我们把“纯天然”的太阳和“人造太阳”对比一下，就会发现“人造太阳”的温度更高，几乎比太阳高一个数量级。500万摄氏度的温度甚至不足以让氢原子核越过库仑势垒并融合。只有通过量子隧道效应，我们才能解释为什么核聚变可以在太阳核心如此低的温度下发生。

正是因为太阳核心温度太低，其聚变功率密度只有276.5 W/m3左右。人体的加热功率在100瓦左右，重量在100公斤左右。如果按照水的密度来估算人体的体积，人体的加热功率密度已经达到了1000瓦/立方米。考虑到人的大脑在阅读时会消耗更多的能量，而且大多数人的体重不会达到100公斤，人的发热功率密度甚至可以比太阳核心高一个数量级。

当然，这并不意味着人类可以“飞上天空，与太阳比肩”。人体会发热散热。冬天，我们需要穿更厚的衣服，只是为了减少散热和保持体温。为了维持核聚变的“体温”，太阳核心利用整个太阳来保暖，比我们穿的羽绒服要厚很多。更何况，太阳之外还有真空。太阳的大部分能量只能通过黑体辐射来辐射，散热效率更低。所以太阳核心的温度远高于人体温度。

发热功率低反而是好事

既然太阳能加热功率密度这么低，又怎么能为地球生态系统提供能量呢？原因很简单，太阳很大，而且也是“长寿”。

太阳总质量占整个太阳系总质量的99.86%，半径约70万公里，是地球的110倍。其核心半径约占整个半径的1/5-1/4。即使加热功率密度很低，它仍然可以通过它巨大的身体产生巨大的能量。在太阳核心，每秒约有3.61038个氢聚变，将430万吨质量转化为能量。这种能量在太阳表面以可见光的形式辐射到外界。即使距离地球轨道8分钟远(光传播1分钟的距离)，大气衰减后，太阳辐射在地球表面仍可达到每平方米1 kW左右的水平。

核心较低的加热功率密度也给我们带来了好处。——是“长寿”，可以长时间燃烧。虽然人体的发热功率密度较高，但如果人们不从外界获取能量，一周左右就会“降温”，发热功率就会降到0。从50亿年前太阳点燃核聚变的那一刻起，它就没有从外界接收到任何能量，还能再燃烧50亿年。

持久稳定的能源供应是地球生命诞生的重要条件之一。宇宙中的第一批恒星比太阳大得多，核心温度也比太阳高，核聚变的速率也比太阳高得多。但正是因为燃烧得太猛烈，第一代恒星往往在几百万年内就把自己烧完了，这么短的时间远远不足以支撑复杂生命的诞生。正是因为太阳的核心不够热，我们人类才诞生了。